Vakumda suyun kaynama noktası: grafik, formül ve vakumlu kurutma için anlamı

Su yalnızca normal atmosfer basıncında (101.325 kPa) 100 °C'de kaynar. Mutlak basıncı düşürürseniz kaynama noktası da düşer: 50 kPa'da yaklaşık 81 °C, 20 kPa'da 60 °C, 10 kPa'da 46 °C ve 5 kPa'da 33 °C. Vakumlu kurutucuların ısıya duyarlı ürünleri düşük sıcaklıkta kurutabilmesinin fiziksel nedeni budur. Tek tuzak basınç birimleridir: vakum göstergesi atmosfere göre okur, kaynama noktası ise mutlak basınca bağlıdır.

Kısa bağlam: mühendisler neden ilgilenir

Bir sıvı, buhar basıncı üzerindeki basınca eşit olduğunda kaynar. Suyun üzerindeki basıncı düşürürseniz kaynama noktası da onunla birlikte düşer. Vakumlu kurutma bunu, üründeki suyu veya çözücüyü ürünün dayanabileceği bir sıcaklıkta buharlaştırmak için kullanır. 100 °C'de bozunacak bir malzeme, orta vakumda 45–60 °C'de kurutulabilir; ısıtılan yüzey ise yalnızca biraz daha sıcaktır.

Bu sayfa, vakum seviyesi seçmek için gereken sayıları verir ve birçok şartname hatasına yol açan gösterge ile mutlak basınç dönüşümünü açıklar. Ekipman seçiyorsanız bir sonraki adım vakumlu kurutma ekipmanı: malzemeye göre nasıl seçilir, genel ilkeler için ise endüstriyel vakumlu kurutucu rehberi makalesine bakın.

Suyun kaynama noktası ve mutlak basınç

Aşağıdaki değerler, suyun 1–100 °C aralığındaki Antoine denklemiyle hesaplanmıştır. Mühendislik kullanımı için derecenin küçük bir kesrine kadar doğrudur.

İki şey öne çıkıyor. Birincisi, eğri düşük basınçta diktir: 20 kPa'dan 10 kPa'ya inmek kaynama noktasını yaklaşık 14 °C düşürürken, 100 kPa'dan 90 kPa'ya inmek yalnızca 3 °C düşürür. İkincisi, ne kadar aşağı inerseniz vakum pompası, kondenser ve buhar hattı o kadar büyük olmalıdır; çünkü düşük basınçta su buharı çok büyük hacim kaplar. 5 kPa'da bir kilogram su buharı yaklaşık 28 metreküp, 20 kPa'da yaklaşık 7.7 metreküp yer kaplar.

Gösterge basıncı ve mutlak basınç

Kurutucudaki vakum göstergelerinin çoğu gösterge basıncını okur: kap basıncı ile çevredeki atmosfer arasındaki fark. -0.095 MPa okuması, kabın atmosfer basıncının 0.095 MPa (95 kPa) altında olduğu anlamına gelir. Kaynama noktasını belirleyen basınç mutlak basınçtır:

Mutlak basınç = atmosfer basıncı + gösterge basıncı (vakumda gösterge basıncı negatiftir)

Deniz seviyesinde atmosfer basıncı 101.3 kPa'dır. Tablo yaygın okumaları dönüştürür.

«-0.09 MPa» vakum neredeyse kusursuz görünür, ama yine de 11 kPa mutlak basınç ve 48 °C kaynama noktası bırakır. Son kilopascallar çok önemlidir; bu yüzden vakum pompasının kalitesi kurutma sıcaklığının ne kadar düşebileceğini belirler.

Rakım düzeltmesi. Tesisiniz yüksek rakımdaysa atmosfer basıncı daha düşüktür, dolayısıyla aynı okuma daha derin bir mutlak vakum demektir. 1,500 m'de atmosfer basıncı yaklaşık 84 kPa'dır; bu nedenle -0.08 MPa okuması yaklaşık 4 kPa mutlak basınca karşılık gelir, deniz seviyesindeki 21 kPa'ya değil. Her zaman yerel atmosfer basıncıyla dönüştürün.

Grafiğin arkasındaki formül

Suyun 1–100 °C aralığındaki buhar basıncı Antoine denklemini izler:

log10(P) = A - B / (C + T)

burada P mmHg, T °C cinsindendir ve su için A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426'dır. Belirli bir basınçtaki kaynama noktası için düzenlenmiş hâli:

T = B / (A - log10(P)) - C

Kullanmak için mutlak basıncınızı mmHg'ye çevirin (kPa değerini 7.50062 ile çarpın), sonra hesaplayın. Örneğin 20 kPa mutlak basınçta: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, dolayısıyla T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Sonuç grafikle uyuşur.

Diğer çözücüler için sabitler farklıdır. Kaynama noktası daha düşük çözücüler aynı vakumda daha düşük sıcaklıklarda kaynar, karışımlar ise başka kurallara uyar; bu yüzden her zaman gerçek çözücünüzün verilerini kullanın.

Bunun vakumlu kurutma için anlamı

Ürün sıcaklığı ısı kaynağı sıcaklığı değildir

Kaynama noktası, sıvının ürün yüzeyinde hangi sıcaklıkta buharlaştığını gösterir. Isıtma ortamının sıcaklığını belirlemez. Vakumlu kondüksiyon kurutucuda buhar, sıcak su veya termal yağ ceketi ya da karıştırıcıyı ısıtır; serbest nem kaldığı sürece ürün yüzeyi kaynama noktasına yakın kalır. Isıtılan yüzey ile buharlaşan sıvı arasındaki sıcaklık farkı ısı akışını sürer; bu nedenle daha sıcak bir kaynak, ürünün tolere edebileceği sınırlar içinde daha hızlı kurutur.

SINOTHERMO'nun vakumlu kondüksiyon kurutucuları, modele göre 50 °C ile 200 °C arasındaki ısı kaynağı sıcaklıklarında çalışır. vakumlu kürekli kurutucu, vakumlu tırmıklı kurutucu ve vakumlu yatay diskli kurutucu için 50–200 °C belirtilir; statik vakumlu kabin kurutucu için ise 100 °C altında bir ısı kaynağı belirtilir.

Vakum seviyesi seçmek

Pratik bir yaklaşım, vakum seviyesini ürünün azami sıcaklığına göre belirlemektir:

1. 1.Ürünün nemliyken güvenle ulaşabileceği en yüksek sıcaklığı bulun.
2. 2.Kaynama noktası bu sıcaklığın birkaç derece altında olan bir mutlak basınç seçin.
3. 3.Vakum pompası ve kondenserin, buhar yükünde bu basınca ulaşıp koruyabildiğini doğrulayın.

Örneğin 60 °C altında kalması gereken bir ürün, yaklaşık 20 kPa altında mutlak basınç gerektirir; bu, deniz seviyesinde yaklaşık -0.08 MPa okumasıdır. 45 °C ile sınırlı bir ürün yaklaşık 10 kPa mutlak, yani yaklaşık -0.09 MPa gösterge basıncı gerektirir.

Azalan hız döneminde kurutma

Yüzey nemi gittiğinde ürün sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığına doğru yükselir ve serbest suyun kaynama noktası onu artık sınırlamaz. Son aşamada vakum, kalan çözücünün kısmi basıncını düşürerek yardımcı olur; böylece bağlı nem atmosfer basıncına göre daha düşük sıcaklıkta çıkar. Bu yüzden başlangıç kurutması orta vakumda yapılabilse de çevrimin sonunda genellikle daha derin vakum kullanılır.

Çözücüler

Çözücüyle ıslak ürünlerde vakumdaki kaynama noktası, çözücünün eldeki soğutucu akışkan sıcaklığında yoğuşturulup yoğuşturulamayacağını belirler. Seçilen vakumda 40 °C'de kaynayan bir çözücü, kondenserde 40 °C'den soğuk, genellikle çok daha soğuk bir akışkan gerektirir. Kondenser buharı yoğuşturamazsa buhar pompaya ulaşır. Vakum sistemini belirtmeden önce çözücünün buhar basıncı eğrisini kontrol edin. Pompa tarafına ayrıntılı bakış için vakumlu kurutucular için vakum pompası ve kondenser boyutlandırma makalesine bakın.

Çözümlü bir örnek

Rakamlar açıklayıcıdır, müşteri verisi değildir.

Bir üretici, 55 °C üzerinde bozunmaya başlayan ısıya duyarlı bir ekstrakt macununu kurutuyor. Vakumlu kurutucu deniz seviyesinde.

1. 1.Yaklaşık 50 °C kaynama noktası güvenli bir pay bırakır. Grafiğe göre 50 °C, yaklaşık 12 kPa mutlak basınca karşılık gelir.
2. 2.Deniz seviyesinde 12 kPa mutlak basınç yaklaşık -89 kPa gösterge, yani -0.089 MPa'dır.
3. 3.Pompa, buharlaşan buhara karşı bu seviyeyi korumalıdır. Buharlaşma yükü 5 saatte parti başına 300 kg su (60 kg/sa) ise 12 kPa'daki buhar hacmi yaklaşık 60 x 12.5 = yaklaşık 750 m³/sa'tir; vakum sistemi bunu kondenser üzerinden işlemelidir. Kondenser bu buharın büyük bölümünü yoğuşturarak uzaklaştırır, bu yüzden pompa çoğunlukla yoğuşmayan gazları ve artık buharı işler.

Bu, hedef ürün sıcaklığının neden bir vakum seviyesi belirlediğini, vakum seviyesinin de kondenser ve pompa boyutunu belirlediğini gösterir.

Kaçınılması gereken yaygın hatalar

1. 1.Gösterge basıncını mutlakmış gibi kullanmak. -0.09 MPa okuması 90 kPa mutlak değildir; yaklaşık 11 kPa mutlaktır.
2. 2.Rakımı yok saymak. Yerinizdeki atmosfer basıncı dönüşümü değiştirir.
3. 3.Ürünün her zaman kaynama noktasında olduğunu varsaymak. Serbest nem gidince ürün ısınır.
4. 4.Kondenser olmadan derin vakum belirtmek. Düşük basınçta buhar hacmi büyüktür, bu yüzden işin çoğunu kondenser yapar.
5. 5.Su verilerini çözücüler için kullanmak. Her çözücünün kendi buhar basıncı eğrisi vardır.
6. 6.Hava kaçaklarını unutmak. Kaçaklar ulaşılabilir vakumu sınırlar ve pompa yükünü artırır.

Şartname belirlemeden önce deneyin

Gerçek bir ürün için doğru vakum seviyesi, ürünün hassasiyetine, yapısına ve kuruma davranışına bağlıdır. SINOTHERMO, kendi malzemenizde kurutma sıcaklığını, vakum seviyesini ve çevrim süresini bulabilmeniz için ücretli pilot denemeler yapar. Pilot deneme talep edin. Sonuçlar sizindir ve herhangi bir tedarikçiyle kullanılabilir. Ekipman üretir ve satarız; fason kurutma hizmeti sunmayız.

Sık sorulan sorular

Su vakumda kaç derecede kaynar?

Mutlak basınca bağlıdır. 50 kPa'da su yaklaşık 81 °C'de, 20 kPa'da yaklaşık 60 °C'de, 10 kPa'da yaklaşık 46 °C'de ve 5 kPa'da yaklaşık 33 °C'de kaynar.

-0.09 MPa gösterge basıncında suyun kaynama noktası nedir?

Deniz seviyesinde -0.09 MPa gösterge basıncı yaklaşık 11 kPa mutlaktır; burada su yaklaşık 48 °C'de kaynar.

Gösterge ve mutlak vakum arasındaki fark nedir?

Gösterge vakumu çevre atmosfere göre ölçülür. Mutlak basınç ise mükemmel vakuma göre ölçülür. Mutlak, atmosfer artı göstergeye eşittir; vakumda gösterge negatiftir.

Belirli bir basınçta suyun kaynama noktasını nasıl hesaplarım?

Antoine denklemini kullanın: T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426; P mmHg, T °C cinsindendir ve 1–100 °C arasında geçerlidir.

Vakumlu kurutma her zaman kaynama noktasında mı gerçekleşir?

Yalnızca yüzeyde serbest sıvı olduğu sürece. Sıvı gidince ürün ısıtma ortamının sıcaklığına doğru ısınır; bu yüzden son aşama için ürün sıcaklık sınırı yine de kontrol edilmelidir.

Daha derin vakuma ulaşmak neden daha zordur?

Çünkü düşük basınçta su buharı çok büyük hacim kaplar, pompa ve kondenserin daha büyük olması gerekir ve hava kaçaklarının etkisi artar.

SINOTHERMO fason kurutma hizmeti sunuyor mu?

Hayır. SINOTHERMO kurutma ekipmanı üretir ve satar; ücretli pilot deneme sunar.