Εξάτμιση ατμιστικού υγρού και ισοζύγιο ενέργειας σ’ έναν ατμοποιητή

[nikosq]

 Εξάτμιση ονομάζουμε την αλλαγή φάσης ενός ρευστού από υγρή σε αέρια κατάσταση. Εμάς μας ενδιαφέρει η καθαρή VG ή η καθαρή PG ή τα διαλύματα αυτών με νερό ή η μίξη των δύο. Για να πραγματοποιηθεί η εξάτμιση απαιτούνται ορισμένα ποσά θερμότητας, αυτά ανεβάζουν τη τάση ατμών του θερμαινόμενου ρευστού και μόλις αυτή εξισωθεί με την υφιστάμενη εξωτερική πίεση (εμάς μας ενδιαφέρει η κανονική πίεση 760mmHg) το ρευστό αλλάζει κατάσταση. Σε αυτό το σημείο έρχεται η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης βρασμός χωρίς να αυξάνεται η θερμοκρασία του ρευστού, αλλά θα τη δούμε παρακάτω. Τα θερμοκρασιακά σημεία βρασμού ή ζέσεως σε ατμοσφαιρική πίεση διαφοροποιούνται ανάλογα το διάλυμα. Η VG σε καθαρή μορφή (>99%) έχει σημείο ζέσεως¹ 290^οC σε διάλυμα με νερό 20% κατεβαίνει στους 121^οC. Η PG σε καθαρή μορφή (>99%) έχει σημείο ζέσεως^2,3 188.2^οC σε διάλυμα με νερό 10% κατεβαίνει στους 130^οC ενώ με νερό 20% πάει 118^οC. Όταν έχουμε VG και PG και νερό μαζί η ζεσεοσκοπία μας λέει μέσω του νόμου Raoult ότι ο λόγος της τάσης ατμών του διαλύματος προς την τάση των ατμών του καθαρού διαλύτη, στην ίδια θερμοκρασία, είναι ίσος προς το γραμμομοριακό κλάσμα του διαλύτη στο διάλυμα. Δύσκολοι? υπολογισμοί αλλά για ένα διάλυμα όπως και αυτό που χρησιμοποιώ εγώ και το παίρνω σαν παράδειγμα με VG 35% και PG 45% και νερό 19.4% και νικοτίνη 0.6% χωρίς μεγάλο λάθος υπολογίζω 120^οC.
Παρατήρηση από αυτή την άποψη και μόνο όσο πιο πολύ νερό χρησιμοποιούμαι κατεβάζουμε το σημείο βρασμού προς τους 100 βαθμούς που σημαίνει το μίγμα του ατμού πιο δροσερό άρα μικρότερη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ατμού και στοματικής κοιλότητας-οισοφάγο. Το «χτύπημα» που λέτε ξεχάστε το όμως. Εάν έχω καταλάβει σωστά «χτύπημα» εννοούμε την επαφή του ατμού με την αρχή του οισοφάγου αλλιώς θα το λέγαμε ένα κάψιμο στο λαιμό Εδώ καταλαβαίνεται γιατί τα υγρά από PG δίνουν αυτό το «χτύπημα» Η PG που κυκλοφορεί καθαρή χωρίς να είναι σε διάλυμα με νερό (απ’ όσο ξέρω) έχει σημείο ζέσεως 188^οC η VG σε διάλυμα νερού 0% έχει σημείο ζέσεως 290^οC (εκεί να δεις χτύπημα) ενώ σε διάλυμα νερού 15% 125^οC. Η διαφορά 188-125=63 βαθμών δίνει το γνωστό «χτύπημα» της PG συγκριτικά με την VG. Τώρα ποσότητα ατμού μας δίνει η VG πιο πολύ διότι έχει vapor density 3.17 ενώ η PG 2.6. O αέρας έχει 1.
Λίγα πράγματα για τον ρυθμό εξάτμισης. Γενικά ο ρυθμός εξάτμισης εξαρτάται από 1) τη θερμοκρασία περιβάλλοντος υγρού 2) Το εμβαδόν της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού που εξατμίζεται και 3) Από τα ρεύματα αέρα που δημιουργούνται στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού που εξατμίζεται. Πιστεύω ότι κανείς από τους παραπάνω παράγοντες στην δική μας περίπτωση δεν επιδρά στην εξάτμιση ή όλοι βρίσκονται σε μέσες τιμές που δεν μπορούμε να τις αλλάξουμε. Εννοώ ότι άμα κάποιος αυξηθεί ή μειωθεί πολύ θα έρθουν άλλοι εξωγενείς παράγοντες σε σχέση με την εξεταζόμενη εξάτμιση να τον υποσκελίσουν οπότε δεν θα φανεί απαγορευτικός. Ένα παράδειγμα δυνατής αναρρόφησης «ατμού» θα δημιουργήσει αύξηση του ρυθμού λόγω του ισχυρότερου ρεύματος αλλά γρήγορα θα τελειώσει το υγρό στην περιοχή των σπειρών. Το ατμιστικό υγρό επιδρά επίσης στον ρυθμό εξάτμισης. Υψηλές τιμές ιξώδους προκαλούν χαμηλές ταχύτητες κυκλοφορίας στο φιτίλι και χαμηλούς συντελεστές θερμικής μεταφοράς. Επειδή το ιξώδες ενός διαλύματος που υφίσταται εξάτμιση κατά κανόνα αυξάνεται με την συμπύκνωση, θα πρέπει να αναμένεται μια πτώση στον ρυθμό μετάδοσης θερμότητας καθώς προχωρεί η συμπύκνωση. Δηλαδή καθαρή VG ή PG σε σχέση με μία aqueous VG θα κυκλοφορεί πιο αργά στο φιτίλι οπότε θα καθυστερεί η αναπλήρωση του υγρού γύρω από τις σπείρες μετά από μία ατμιστική «τζούρα». Η καθυστέρηση αυτή τις περισσότερες φορές περνά απαρατήρητη αφού το μεσοδιάστημα  από «τζούρα» σε «τζούρα» επιτρέπει την αναπλήρωση.
Πάμε τώρα στα πιο δύσκολα περί μετάδοσης θερμότητας, και ισοζύγια
Μετάδοση θερμότητας είναι η μεταφορά ενέργειας λόγω θερμοκρασιακής διαφοράς δύο σωμάτων. Στην περίπτωσή μας το θερμό σώμα είναι η αντίσταση και το πιο ψυχρό όμορο φιλμ υγρού ή οι σταγόνες υγρού (εάν είναι φιλμ ή σταγόνες εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που έχουν να κάνουν με τη τροφοδοσία) στην εξωτερική επιφάνεια του μέσου ροής (φιτίλι). Προσφέρουμε στο παραπάνω ανοικτό σύστημα (από θερμοδυναμικής απόψεως) ηλεκτρική ενέργεια και αυτή μετατρέπεται σε θερμική πάνω στην αντίστασή μας. Περαιτέρω, ένα μέρος αυτής άγει στο ρευστό και φυτίλι, είναι η χρήσιμη για εμάς, έτσι ώστε να θερμανθεί (αισθητή θερμότητα) και να εξατμιστεί (λανθάνουσα) το ρευστό. Άλλο ένα μέρος αυτής είναι απώλειες από την άποψη ότι θερμαίνεται ο περιβάλλοντας χώρος, δλδ. αέρας ατμοποιητής, μπαταριοθήκη κλπ. Για την κατασκευή ενός ισοζυγίου θα πρέπει να υπολογίσουμε τις απώλειες. Θεωρώ ότι είναι δύσκολο. Έτσι γνωρίζοντας την εισερχόμενη ενέργεια στο σύστημα (Εηλ) και αυτή που απαιτείται για την εξάτμιση (Εεξ) θα βρούμε τις απώλειες (Εαπ) Δηλαδή το ισοζύγιο μας λέει ότι Εηλ=Εεξ+Εαπ
Θα το δώσω με παράδειγμα για το παραπάνω διάλυμα υγρού (VG 35%, PG 45%, νερό (W) 19.4%,νικοτίνη 0.6% κ.ο.):
Εεξ= Ε₁+Ε₂ = (m_VG*Cp*ΔΤ + m_PG*Cp*ΔΤ + m_w*Cp*ΔΤ)+(m_VG *λ_VG + m_PG *λ_VG + m_w *λ_VG)^4,5
m= η μάζα του κάθε συστατικού που εξατμίζεται
Cp η ειδική θερμότητα του κάθε συστατικού
λ η λανθάνουσα θερμότητα κάθε συστατικού
ΔΤ η διαφορά θερμοκρασίας.
Στο διάλυμα που έχουμε μετατρέπουμε τους επιμέρους όγκους σε γραμ. βάση της πυκνότητας τους για 1 ml διαλ/τος
VG=0.35ml*1.26 g/ml=0.44g      PG=0.45ml*1.02 g/ml=0.46g       W=0.2*1=0.2g
(τη νικοτίνη δεν τη λαμβάνω υπόψη)
Ε₁ = {[0.44g*2.4J/gC*(120-37)C]+[0.46g*2.5J/gC*(120-37)C]+ ]+[0.2g*4.18J/gC*(100-37)C]}=252J
Ε₂ = {(0.44g*980 J/g)+ {(0.46g*935 J/g)+ {(0.2g*2257 J/g)}=1312J
Εδώ βλέπουμε ότι η λανθάνουσα θερμότητα είναι περίπου 5 φορές μεγαλύτερη της αισθητής
Άρα για να ατμίσουμε 1ml ή 1.1g του διαλύματος χρειαζόμαστε να δώσουμε στο σύστημα ενέργεια ίση με
Εεξ=252+1312=1564J
Έστω ότι έχουμε έναν ατμοποιητή με αντίσταση R=2 Ohm και μια μπαταριοθήκη (mod) που την έχουμε ρυθμίσει σε τάση 4.6V (και λειτουργεί σε αυτή τη τάση σχεδόν σύμφωνα με τα review του Mountain Prophet δίνουμε Pηλ=((4.6*4.6)/2)=10.6Watt.
Με δύο φίλους κάναμε το εξής πείραμα. Ατμίσαμε (vivi tank 4-5 σπείρες 0.2mm) 1ml του παραπάνω υγρού (ζυγίσαμε ατμοποιητή με το υγρό πριν και μετά μέχρι η διαφορά να γίνει 1.1g με ζυγαριά ακριβείας 0.01g) χρησιμοποιώντας ένα αξιόπιστο provari (όχι το δικό μου το παρτάλι Zmax v.1 ). Κρατήσαμε τους χρόνους «τζούρας» και τον αριθμό από αυτές για την κατανάλωση του 1.1g. Για την άτμιση λοιπόν χρειάστηκαν 555s ή 9.25min συνολικά (μέσος όρος από 3 επαναλήψεις) με 102 τζούρες και μέσο χρόνο της κάθε μίας 4.95s (είμαστε θεριακλήδες). H μικρότερη διάρκεια τζούρας ήταν 3.95s η μέγιστη 5.94s και η τυπική απόκλιση των χρόνων SD = 0.57 που μας δείχνει μικρές διακυμάνσεις γύρω από το μέσο όρο (είμαστε θεριακλήδες σταθεροί) Το μεσοδιάστημα δύο puff κυμάνθηκε από 3 έως 4 λεπτά τα οποία ήταν ικανά για να ρίξουν τη θερμοκρασία του φυτιλιού στους 35-40^οC (όπως μετρήθηκε με θερμόμετρο επαφής) και να προλαβαίνει το υγρό να έρχεται σε κορεσμό στο φιτίλι. Η ηλεκτρική ενέργεια που δόθηκε στο χρόνο αυτό ήταν Εηλ=10.6*555=5883J. Άρα η Ε απωλειών ισούται με 5883-1546=4337J. Πρακτικά λοιπόν για τις συγκεκριμένες συνθήκες και ατμοποιητή πάνω από τα 2/3 της προσφερόμενης ενέργειας πάει «άσχηστη» Η μετατροπή δηλαδή έχει συντελεστή 0.26 η 26% Και λέω εγώ και κλείνω άμα ατμίζουν 10.000 άνθρωποι 5ml την ημέρα χρειάζονται 10*5*10000=500000W ή 500KW. Ωραίο ε? Ενεργοβόρο το άτιμο
 
 Ορισμένες πηγές
1 http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=753#x27
2 http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?sid=57309791&loc=es_rss#x27
3 http://www.engineeringtoolbox.com/propylene-glycol-d_363.html
4. http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-fluids-d_151.html
5. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 44th ed.

ΥΓ.  Στο κείμενο όπου αναφέρω ατμό εννοώ το ρευστό που βρίσκεται σε αέρια φάση προερχόμενο από την εξάτμιση γλυκερόλης (VG) ή προπυλενογλυκόλης (PG) ή διαλύματος αυτών. Αν και οι όροι ατμός και ατμοποίηση χρησιμοποιούνται ευρέως για αλλαφή φάσης του νερού.
 

[joyeman]

Μπράβο φίλε μου, για την όρεξη, τον κόπο, τις γνώσεις...






ΥΓ: Αύριο το πρωί θα βάλω την γυναίκα μου να τα διαβάσει, που μου λέει ότι πετάω λεφτά για μπαταρίες!!!!  

[pechr]

Άψογη ανάλυση, σωστοί τύποι.

Δεν πιστέυω ότι θα κατάλαβουν σωστά πολλοί άνθρωποι αυτην όλη την ανάλυση λόγω του ότι ο άλλος θα πρέπει να έχει καλό υπόβαθρο στην φυσική.


Ίσως θα ήταν καλό να μπει σε εργαστηριακές ασκήσεις φυσικής σε λύκεια.

Φίλε μου πραγματικά.. ΤΑ ΣΕΒΗ ΜΟΥ

[MARK-ANTONY]

Τα σέβη μου και εγώ!!   Πολύ ωραία και εμπεριστατωμένη ανάλυση με αριθμούς(και όχι "φούμαρα")!!!!!

[gstamatos]

Αν κατάλαβα καλά, είναι καλύτερα να αραιωνεται και με νερό το μείγμα μας, γιατί ατμοποιηται πιο εύκολα , σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Σωστά? 

[angelosdes]

επειδή ελάχιστοι θα το καταλαβουν[με την νεα μοδα της σκετης vg και πολύ μικρες αντιστασεις με χοντρα συρματα +πολλα βατ]..το καλυτερο είναι μεγαλες αντιστασεις από 1,2ωμ και πανω με συρματα από 025-0,32 αρκει να γινεται στους καταλληλους ατμο...

[thenetpoet]

Το αστείο με τη σκέτη VG είναι ότι πολλοι νομίζουν ότι έτσι θα βγάλουν περισσότερα σύννεφα...

[pechr]

Γεια σας
Θα ήθελα μόνο να προσθέσω μία διόρθωση.
Το Cp ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα (υπό σταθερή πίεση) γιαυτό κι έχει τον δείκτη p (από το pressure).
Οι μονάδες του είναι joule/kg*K στο SI (System International) Διεθνές σύστημα μονάδων
Ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα επειδή στην ουσία ο τύπος δείχνει πόση θερμοτητα στην ίδια μάζα (ανά κιλό) χωράει ανα βαθμό Kelvin
Στα στερεά χρησιμοποιούμε μόνο το Cp όπως επίσης και στα ανοιχτά κυκλώματα όπως είναι ο ατμοποιητής.

Η ειδική θερμότητα έχει συμβολισμό q και μετράει σε j/kg είναι διαφορετικό από το Cp.

Επίσης το Ε2 του ισοζυγίου είναι σε δύναμη 4,5 . Η πράξη της δύναμης έγινε;
Απο που πηγάζει η δύναμη αυτή;
Είναι πολυτροπικός εκθέτης;

Μου είναι αδιανόητο να συλλάβω ότι  το mod + ατμοποιητής που στην ουσία έχει ως καταναλωτή μία αντίσταση έχει βαθμό απόδοσης τόσο χαμηλό.
Μιας και οι αντιστάσεις είναι σχεδόν τέλειοι καταναλωτές με βαθμό απόδοσης ανώτερο του 98%

@nikosq αν θέλεις μπορούμε να ξαναδούμε μαζί το ισοζύγιο διότι αν κάνεις και την πράξη της δύναμης τότε ο βαθμός απόδοσης ξεφεύγει.