Verdunsten/-dampfen von Wasser bei 100% Luftfeucht

Wissenschaft Physik
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Hallo,

der Titel enthält nur einen Teil der Frage, ist aber mit von Bedeutung.

Folgender Sachverhalt: ein zylindrischer Tank (h=2m, d=2,5m) ist zu 1,5m mit Wasser gefüllt. In den restlichen 0,5m ist Luft. Der Tank ist gut isoliert und oben verschlossen, jedoch enthält die Oberseite zum Ablassen von Überdruck ein Loch. Das Wasser wird nun auf 98°C erhitzt.
Die Frage: Wieviel Wasser verdunstet/verdampft pro Stunde?

Meine Gedanken: Der Tank so gut isoliert ist, dass die Luft oberhalb des Wassers ebenfalls die 98°C erreicht, 100% Luftfeuchte enthält, jedoch nicht an den isolierten Wänden kondensiert und zurücktropft. Nun bin ich mir zunächst unsicher, inwiefern überhaupt eine Verdunstung des Wassers stattfindet, wenn die umgebene Luft kein Wasser mehr aufnehmen kann?
Da die Heizspiralen, mit denen das Wasser erhitzt werden soll, über 100°C haben, wird das Wasser direkt an den Kontaktflächen wohl 100°C erreichen und somit sieden und als Blasen nach oben steigen und durch den steigenden Druck in der Luft aus dem Loch entweichen.

Stimmen meine Gedanken soweit und in welcher Form findet nun eine Verdunstung/Verdampfung des Wassers statt?

Vielen Dank schonmal für eure Hinweise,
Pierre

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Hallo,
ohne jetzt deine Aufgabe zu lösen :
Du musst annehmen, dass ,wie du schon sagst, die Luft im Tank
gesättigt ist, außerhalb des Tanks („Umgebung“) jedoch nicht.
Du hast also am Loch im Deckel einen Konzentrations (und Temperatur)-
unterschied, es wird also zur Diffusion und zur Konvektion kommen.
Vereinfachend kommt in deinem Fall noch hinzu, dass du in guter Näherung
den Tankinhalt oberhalb der Wasseroberfläche als reinen Wasserdampf
annehmen kannst, es wird also a) Luft in den Tank und b) Wasserdampf
aus dem Tank austreten.
Soweit sollte es nun reichen, du brauchst noch die Diffusionskoeffs,
dann solltest du die Sache lösen können.

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Hallo,
ohne jetzt deine Aufgabe zu lösen :

Hallo,
danke für deine Hinweise, aber vielleicht sollte ich zunächst eins klarstellen. Es handelt sich bei dem Problem nicht um eine Hausaufgabe o.ä. sondern um eine praktische Aufgabe. Für Materialprüfungen benötigen wir in der Firma diesen Wassertank zum Erreichen von Temperaturunterschieden, denen der Prüfling dann ausgesetzt wird. Das soll jetzt aber nicht weiter das Thema sein.

Ich habe hier in der Fa. mit Strom zu tun und bin nur in die Diskussion mit reingerutscht, da die Kollegen (auch keine Wasserprofis) meinten, da würde kein Wasser verdampfen bzw. verdunsten. Ich sehe das etwas anders, mir fehlt jedoch die Fachnähe, um eine Abschätzung der Menge pro Stunde oder Tag machen zu können. Bisher steht der Kessel unter Druck, wodurch die Siedetemperatur von Natur aus höher liegt und der Tank zudem logischerweise geschlossen ist. Von dieser Druckvariante soll jetzt wegggegangen werden.

Du musst annehmen, dass ,wie du schon sagst, die Luft im Tank
gesättigt ist, außerhalb des Tanks („Umgebung“) jedoch nicht.
Du hast also am Loch im Deckel einen Konzentrations (und
Temperatur)-
unterschied, es wird also zur Diffusion und zur Konvektion
kommen.
Vereinfachend kommt in deinem Fall noch hinzu, dass du in
guter Näherung
den Tankinhalt oberhalb der Wasseroberfläche als reinen
Wasserdampf
annehmen kannst, es wird also a) Luft in den Tank und b)
Wasserdampf
aus dem Tank austreten.

Ich weiß nicht wie groß das Loch werden soll, aber sind diese Vorgänge so entscheidend, dass der Kessel täglich nachbefüllt werden müsste?

Soweit sollte es nun reichen, du brauchst noch die
Diffusionskoeffs,
dann solltest du die Sache lösen können.

Seh ich das richtig, dass du mehr von Verlusten durch Konvektion und Diffusion an der Öffnung ausgehst, als von den Siedevorgängen im Wasser direkt? Ich dachte das könnte man in dem Fall eher vernachlässigen…

VG
Pierre

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Nunja, ich bin ehrlichgesagt auch nicht Willens deine Aufgabe/dein
Problem zu bearbeiten, ich hab nur sowas mal im Studium gemacht.

Zu deinen Fragen : Zum „sieden“ an sich kommt es nicht, da Wasser erst bei über 100 Grad siedet, so wie ich es sehe kann man hier
auchnoch durch zugabe von Salzen o.ä. nachhelfen, sofern der
Prüfling es erlaubt, oder man nimmt gleich ein Ölbad,
dann sind die Verdampfungsprobleme nicht so groß.

Zu den „Verlustquellen“ : Innerhalb des Tanks wird der Druck der
Gasphase nicht über den Umgebungsdruck ansteigen, da ja über das
Loch ein Druckausgleich stattfindet. Während der Aufheizphase
wird wohl feuchte Luft durch dass Loch „gedrückt“, da sich
die Gasphase ausdehnt sowie sich in der Zusammensetzung ändert.

Wenn die Temperatur nun aber konstant ist, wird folgendes
passieren : Wasser siedet bei 98 Grad C etwa bei 0.99 bar.
Diesen Druck nennt man den Dampfdruck von Wasser. Wenn du die
Luft aus dem Tank absaugst, und ihn dann auf 98 Grad erhitzt
(verschlossen!), so wird sich dieser Druck im Tank einstellen.
Wenn der Tank nun offen ist, so wird der Wasserdampf an sich
immernoch etwa diesen Druck haben. Google mal nach Partialdruck.
Daraus folgt dann, das etwa 99 % des Gases im Tank Wasser ist.
Daher die Annahme innen nur Wasserdampf, aussen feuchte Luft
und dann über Annahmen einen Diffusionsstrom berechnen, was
du aber wohl nicht können wirst, da du dich damit wie du schreibst
nicht auskennst.
Aber ich will nicht schätzen, mir fehlt da die praktische Erfahrung,
mehrere Liter am Tag sollten es aber schon sein.

Ich hätte für euch folgende Idee : Macht den Wassertank oben zu und
baut ein Entlüftungsventil ein, dass vielleicht bei 1.1 bar auslöst,
sowie ein Unterdruckventil, damit beim abkühlen kein Unterdruck
entsteht (ansonsten WIRD sich der Behälter beim
abkühlen verformen).

Oder ihr baut einen Kondensatabscheider an das Entlüftungsloch dran,
dann verliert ihr auch kein / sehr wenig Wasser. Wird wohl die
einfachste Lösung sein.