Điểm sôi của nước trong chân không: biểu đồ, công thức và ý nghĩa đối với sấy chân không

Nước chỉ sôi ở 100 °C tại áp suất khí quyển thông thường (101.325 kPa). Giảm áp suất tuyệt đối thì điểm sôi hạ xuống: khoảng 81 °C ở 50 kPa, 60 °C ở 20 kPa, 46 °C ở 10 kPa và 33 °C ở 5 kPa. Đây là lý do vật lý để máy sấy chân không sấy được sản phẩm nhạy nhiệt ở nhiệt độ thấp. Cái bẫy duy nhất là đơn vị áp suất: đồng hồ chân không đọc so với khí quyển, còn điểm sôi phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối.

Bối cảnh nhanh: vì sao kỹ sư quan tâm

Chất lỏng sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất phía trên. Giảm áp suất phía trên nước thì điểm sôi hạ theo. Sấy chân không tận dụng điều này để làm bay hơi nước hoặc dung môi khỏi sản phẩm ở nhiệt độ sản phẩm chịu được. Vật liệu sẽ bị phân hủy ở 100 °C có thể được sấy ở 45–60 °C dưới chân không vừa phải, với bề mặt gia nhiệt chỉ nóng hơn một chút.

Trang này cung cấp các con số bạn cần để chọn mức chân không, và giải thích việc quy đổi giữa áp suất đo và áp suất tuyệt đối vốn gây ra nhiều sai sót trong đặc tả. Nếu bạn đang chọn thiết bị, bước tiếp theo là thiết bị sấy chân không: cách chọn theo vật liệu, còn về nguyên lý chung xem hướng dẫn máy sấy chân không công nghiệp.

Điểm sôi của nước theo áp suất tuyệt đối

Các giá trị dưới đây được tính bằng phương trình Antoine cho nước trong khoảng 1–100 °C. Chúng chính xác đến một phần nhỏ của độ cho mục đích kỹ thuật.

Có hai điểm nổi bật. Thứ nhất, đường cong dốc ở áp suất thấp: đi từ 20 xuống 10 kPa hạ điểm sôi khoảng 14 °C, trong khi từ 100 xuống 90 kPa chỉ hạ 3 °C. Thứ hai, càng xuống sâu thì bơm chân không, bình ngưng và đường hơi càng phải lớn, vì hơi nước ở áp suất thấp chiếm thể tích rất lớn. Ở 5 kPa, một kilôgam hơi nước chiếm khoảng 28 mét khối; ở 20 kPa, khoảng 7.7 mét khối.

Áp suất đo và áp suất tuyệt đối

Hầu hết đồng hồ chân không trên máy sấy đọc áp suất đo: chênh lệch giữa áp suất trong bình và khí quyển xung quanh. Số đọc -0.095 MPa nghĩa là bình thấp hơn áp suất khí quyển 0.095 MPa (95 kPa). Áp suất quyết định điểm sôi là áp suất tuyệt đối:

Áp suất tuyệt đối = áp suất khí quyển + áp suất đo (áp suất đo mang dấu âm khi chân không)

Ở mực nước biển, áp suất khí quyển là 101.3 kPa. Bảng quy đổi các số đọc thường gặp.

Chân không «-0.09 MPa» nghe gần như hoàn hảo, nhưng vẫn còn 11 kPa áp suất tuyệt đối và điểm sôi 48 °C. Những kilopascal cuối cùng rất quan trọng, vì vậy chất lượng bơm chân không quyết định nhiệt độ sấy có thể hạ thấp đến đâu.

Hiệu chỉnh theo độ cao. Nếu nhà máy ở vùng cao, áp suất khí quyển thấp hơn, nên cùng một số đọc có nghĩa là chân không tuyệt đối sâu hơn. Ở độ cao 1,500 m, áp suất khí quyển khoảng 84 kPa, nên số đọc -0.08 MPa tương ứng khoảng 4 kPa tuyệt đối, chứ không phải 21 kPa như ở mực nước biển. Luôn quy đổi bằng áp suất khí quyển tại chỗ.

Công thức đằng sau biểu đồ

Áp suất hơi của nước trong khoảng 1–100 °C tuân theo phương trình Antoine:

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

với P tính bằng mmHg, T tính bằng °C, và đối với nước A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Sắp xếp lại để tính điểm sôi ở một áp suất cho trước:

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

Để dùng, hãy đổi áp suất tuyệt đối sang mmHg (nhân kPa với 7.50062) rồi tính. Ví dụ ở 20 kPa tuyệt đối: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, nên T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Kết quả khớp với biểu đồ.

Với các dung môi khác, hằng số khác nhau. Dung môi có điểm sôi thấp hơn sôi ở nhiệt độ thấp hơn dưới cùng chân không, và hỗn hợp tuân theo quy tắc khác, nên luôn dùng dữ liệu của dung môi thực tế.

Điều này có ý nghĩa gì đối với sấy chân không

Nhiệt độ sản phẩm không phải là nhiệt độ nguồn nhiệt

Điểm sôi cho biết chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ nào trên bề mặt sản phẩm. Nó không quy định nhiệt độ môi chất gia nhiệt. Trong máy sấy tiếp xúc chân không, hơi nước, nước nóng hoặc dầu tải nhiệt làm nóng áo hoặc cánh khuấy, và bề mặt sản phẩm vẫn gần điểm sôi chừng nào còn ẩm tự do. Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt gia nhiệt và chất lỏng đang bay hơi thúc đẩy dòng nhiệt, nên nguồn nóng hơn sấy nhanh hơn, trong giới hạn sản phẩm chịu được.

Máy sấy tiếp xúc chân không của SINOTHERMO hoạt động với nhiệt độ nguồn nhiệt từ 50 °C đến 200 °C tùy model. máy sấy cánh chèo chân không, máy sấy cào chân không và máy sấy đĩa ngang chân không ghi 50 đến 200 °C; máy sấy tủ chân không tĩnh ghi nguồn nhiệt dưới 100 °C.

Chọn mức chân không

Một cách tiếp cận thực tế là đặt mức chân không từ nhiệt độ tối đa của sản phẩm:

1. 1.Tìm nhiệt độ cao nhất mà sản phẩm có thể đạt an toàn khi còn ướt.
2. 2.Chọn áp suất tuyệt đối có điểm sôi thấp hơn nhiệt độ đó vài độ.
3. 3.Kiểm tra bơm chân không và bình ngưng có thể đạt và duy trì áp suất đó ở tải hơi.

Ví dụ, sản phẩm phải giữ dưới 60 °C cần áp suất tuyệt đối dưới khoảng 20 kPa, tức số đọc khoảng -0.08 MPa ở mực nước biển. Sản phẩm giới hạn 45 °C cần khoảng 10 kPa tuyệt đối, hay khoảng -0.09 MPa áp suất đo.

Sấy ở giai đoạn tốc độ giảm dần

Khi ẩm bề mặt đã hết, nhiệt độ sản phẩm tăng về phía nhiệt độ nguồn nhiệt, và điểm sôi của nước tự do không còn giới hạn nó. Ở giai đoạn cuối, chân không giúp bằng cách hạ áp suất riêng phần của dung môi còn lại, nên ẩm liên kết thoát ra ở nhiệt độ thấp hơn so với áp suất khí quyển. Vì vậy cuối chu kỳ thường dùng chân không sâu hơn, dù giai đoạn sấy đầu có thể ở chân không vừa phải.

Dung môi

Với sản phẩm ướt dung môi, điểm sôi trong chân không quyết định dung môi có thể ngưng tụ ở nhiệt độ môi chất làm mát sẵn có hay không. Dung môi sôi ở 40 °C dưới chân không đã chọn cần môi chất trong bình ngưng lạnh hơn 40 °C, thường lạnh hơn nhiều. Nếu bình ngưng không ngưng tụ được hơi, hơi sẽ đến bơm. Hãy kiểm tra đường cong áp suất hơi của dung môi trước khi đặc tả hệ chân không. Để xem chi tiết về phía bơm, xem chọn kích thước bơm chân không và bình ngưng cho máy sấy chân không.

Một ví dụ tính toán

Các con số mang tính minh họa, không phải dữ liệu khách hàng.

Một nhà sản xuất sấy bột nhão chiết xuất nhạy nhiệt bắt đầu phân hủy trên 55 °C. Máy sấy chân không đặt ở mực nước biển.

1. 1.Điểm sôi khoảng 50 °C để lại biên an toàn. Theo biểu đồ, 50 °C tương ứng khoảng 12 kPa tuyệt đối.
2. 2.Ở mực nước biển, 12 kPa tuyệt đối khoảng -89 kPa áp suất đo, hay -0.089 MPa.
3. 3.Bơm phải giữ mức này trước lượng hơi đang bay. Nếu tải bay hơi là 300 kg nước mỗi mẻ trong 5 giờ (60 kg/giờ), thể tích hơi ở 12 kPa khoảng 60 x 12.5 = khoảng 750 m³/giờ, hệ chân không phải xử lý qua bình ngưng. Bình ngưng loại bỏ phần lớn lượng hơi này bằng cách ngưng tụ, nên bơm chủ yếu xử lý khí không ngưng và hơi còn lại.

Điều này cho thấy vì sao nhiệt độ sản phẩm mục tiêu quyết định mức chân không, và mức chân không quyết định kích thước bình ngưng và bơm.

Những sai lầm thường gặp cần tránh

1. 1.Dùng áp suất đo như thể là tuyệt đối. Số đọc -0.09 MPa không phải 90 kPa tuyệt đối; mà là khoảng 11 kPa tuyệt đối.
2. 2.Bỏ qua độ cao. Áp suất khí quyển tại nơi lắp đặt làm thay đổi phép quy đổi.
3. 3.Cho rằng sản phẩm luôn ở điểm sôi. Khi ẩm tự do hết, sản phẩm nóng lên.
4. 4.Đặc tả chân không sâu mà không có bình ngưng. Thể tích hơi ở áp suất thấp lớn, nên bình ngưng làm phần lớn công việc.
5. 5.Dùng dữ liệu của nước cho dung môi. Mỗi dung môi có đường cong áp suất hơi riêng.
6. 6.Quên rò rỉ không khí. Rò rỉ giới hạn mức chân không đạt được và tăng tải cho bơm.

Chạy thử trước khi đặc tả

Mức chân không phù hợp cho sản phẩm thực phụ thuộc vào độ nhạy, cấu trúc và hành vi sấy của nó. SINOTHERMO chạy thử nghiệm thí điểm có phí để bạn tìm nhiệt độ sấy, mức chân không và thời gian chu kỳ trên chính vật liệu của mình. Yêu cầu thử nghiệm thí điểm. Kết quả thuộc về bạn và có thể dùng với bất kỳ nhà cung cấp nào. Chúng tôi chế tạo và bán thiết bị, không cung cấp dịch vụ sấy gia công.

Câu hỏi thường gặp

Nước sôi ở nhiệt độ nào trong chân không?

Tùy thuộc áp suất tuyệt đối. Ở 50 kPa nước sôi khoảng 81 °C, ở 20 kPa khoảng 60 °C, ở 10 kPa khoảng 46 °C và ở 5 kPa khoảng 33 °C.

Điểm sôi của nước ở -0.09 MPa áp suất đo là bao nhiêu?

Ở mực nước biển, -0.09 MPa áp suất đo khoảng 11 kPa tuyệt đối, tại đó nước sôi khoảng 48 °C.

Khác biệt giữa chân không đo và tuyệt đối là gì?

Chân không đo được đo so với khí quyển xung quanh. Áp suất tuyệt đối được đo so với chân không hoàn hảo. Tuyệt đối bằng khí quyển cộng áp suất đo, với áp suất đo âm khi chân không.

Làm sao tính điểm sôi của nước ở một áp suất cho trước?

Dùng phương trình Antoine, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, với P tính bằng mmHg và T tính bằng °C, hợp lệ trong khoảng 1–100 °C.

Sấy chân không có luôn diễn ra ở điểm sôi không?

Chỉ chừng nào còn chất lỏng tự do trên bề mặt. Khi hết, sản phẩm nóng lên về phía nhiệt độ môi chất gia nhiệt, nên giới hạn nhiệt độ sản phẩm vẫn phải được kiểm tra cho giai đoạn cuối.

Vì sao khó đạt chân không sâu hơn?

Vì hơi nước ở áp suất thấp chiếm thể tích rất lớn, bơm và bình ngưng phải lớn hơn, và rò rỉ không khí ảnh hưởng nhiều hơn.

SINOTHERMO có cung cấp dịch vụ sấy gia công không?

Không. SINOTHERMO chế tạo và bán thiết bị sấy và cung cấp thử nghiệm thí điểm có phí.