Растворимость воздуха в воде. Деаэрация. Закон Генри. Коэффициенты Генри для воздуха.

Растворимость воздуха в воде. Деаэрация. Закон Генри. Коэффициенты Генри для воздуха.

Количество воздуха, способного к растворению в воде - снижается при повышении температуры и повышается при повышении давления.

Деаэрация.

При нагревании пресной воды начинают формироваться воздушные пузырьки. Как известно, способность воды удерживать растворенный воздух падает при повышении температуры. При 1 баре и температуре 100 ⁰C (212⁰F) вода закипает, при этом содержание растворенного воздуха падает практически до нуля, и тогда уже водяной пар формирует пузырьки. Если быстро охладить воду, а потом снова ее нагреть, пузырьки не появятся до тех пор пока вода не закипит, потому что вода деаэрирована. (Существует, кроме того, масса практических методик деаэрации воды, не связанных с нагреванием. В целом - деаэрация - это удаление растворенного воздуха из жидкости.)

Растворимость.

• Растворимость воздуха может быть выражена через соотношение:
  • S_a = m_a/ m_w
    • где
    • S_a = массовая доля растворимого воздуха в воде
    • m_a = масса воздуха (кг)
    • m_w = масса воды (кг)

Закон Генри.

• Процесс растворения воздуха в воде подчиняется закону Генри, который гласит: "При постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором (равна давлению в растворе)." - В символьном виде закон может быть записан как:
  • c = k _H p_g
    • где
    • c = концентрация газа в растворе
    • k _H = коэффициент Генри
    • p_g = парциальное давление газа над раствором
• Растворимость кислорода в воде выше растворимости азота. Воздух, растворенный в воде содержит приблизительно 35,6 % кислорода по сравнению с 21% долей в обычном воздухе.

Пример - Расчет количества воздуха, растворенного в воде.

• Количество воздуха, растворенного в воде может быть посчитано, исходя из закона Генри.
• Коэффициенты Генри при температуре окружающей среды 25^oC (77^oF)
  • Кислород - O2 : 756.7 атм/(моль/л)
  • Азот - N2 : 1600 атм/(моль/л)
• Молярные веса
  • Кислород - O2 : 31.9988 г/моль
  • Азот - N2 : 28.0134 г/моль
• Относительное содержание (по объему) в воздухе:
  • Кислород - O2 : ~ 0.21
  • Азот - N2 : ~ 0.79
• Объем кислорода, растворенного в воде при атмосферном давлении может быть посчитан как :
  • c_o = (1 атм) 0.21 / (756.7 атм/(моль/л)) (31.9988 г/моль) = 0.0089 г/л ~ 0.0089 г/кг
• Объем азота, растворенного в воде при атмосферном давлении может быть посчитан как:
  • c_n = (1 атм) 0.79 / (1600 атм/(моль/л)) (28.0134 г/моль) = 0.0138 г/л ~ 0.0138 г/кг
• Поскольку воздух-это сумма кислорода и азота :
  • c_a = (0.0089 г/л) + (0.0138 г/л) = 0.0227 г/л ~ 0.023 г/кг

Таблица. Количество (масса) воздуха, растворенного в воде при различных давлениях и температуре 25^oC (77^oF):

Рисунок. Растворимость кислорода в пресной воде мг/л при 1 атм в зависимости от температуры.

Деаэрация - основные принципы и правила установки деаэраторов.

• Для максимальной деаэрации вода должна быть нагрета до 212⁰F (100⁰C) при атмосферном давлении. Это обычное инженерное решение для паровых систем, где пресная вода подается в систему через нагретый деаэратор наверху конденсатоприемника.
• Также обычным решением является установка деаэрационных устройств с горячей стороны теплообменника в отопительных системах для интенсификации удаления растворенного воздуха из системы.
• Поскольку максимум деаэрации приходится на минимум статического давления и максимум температуры в системе, то наилучший результат деаэрации достигается в верхних точках систем относительно уровня земли и/или на входе насоса.