V mnoha číslech časopisu Info-Tec se probíraly položky používané v parních systémech, jako jsou ventily, regulátory, sifony, ovládací prvky atd. Tento Info-Tec se bude zabývat samotnou párou. Pochopení toho, proč a jak pára funguje, pomůže porozumět zařízením používaným k jejímu řízení.

Co je to pára?

Pára je voda v plynném skupenství. K tomu, aby se teplota kapalné vody zvýšila na teplotu varu, je třeba do vody přidat dostatečné množství tepla a poté přidat další teplo, aby došlo ke změně skupenství na páru bez zvýšení teploty.

Množství tepla potřebné ke zvýšení teploty vody na teplotu varu se nazývá citelné teplo. Množství tepla potřebného ke změně skupenství vody na páru se nazývá latentní teplo vypařování. Latentní teplo vypařování je přesně stejné jako „latentní teplo kondenzace“. To je princip, který využívají parní systémy. Jak uvidíme, toto latentní teplo je hlavním důvodem, proč se pára používá jako médium pro přenos tepelné energie.

Pro ilustraci citelného a latentního tepla si musíme připomenout definici BTU (British Thermal Unit), což je míra množství tepla. BTU je definována jako množství tepla potřebné ke zvýšení jedné libry vody o jeden stupeň Fahrenheita.

Citlivé teplo je teplo, které lze snadno vnímat. Lze ho cítit, dokonce „vidět“ pomocí teploměru. Latentní teplo je teplo, které „existuje“, ale není snadno vnímatelné.

Jednoduchý pokus demonstruje citelné a latentní teplo.

Na obrázku 1 je znázorněna skleněná kádinka s jednou librou vody. Do vody lze vložit teploměr. Teploměr ukazuje, že voda má pokojovou teplotu 70 °F. Kádinka s vodou se postaví nad hořák a hořák se zapne. Hořák zvýší teplotu libry vody na 212 °F. K tomu bylo zapotřebí 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Pamatujte si definici BTU.)

Obrázek 1.

Těchto 142 BTU je citelné teplo. Teplo dodané vodě hořákem můžeme „vidět“, což dokládá teploměr. Můžeme vložit ruku do vody a „cítit“ teplo, které bylo přidáno; „cítit“ ho. (Nedoporučujeme.)

Pokračující přidávání tepla způsobí, že voda začne vřít, ale teploměr nepůjde výš! Při atmosférickém tlaku zůstane na hodnotě 212 °C! Jak je to možné? Hořák je stále zapnutý. Vidíme, že se do vody stále přidává teplo. Kam jde všechno toto dodatečné teplo?

Jde do způsobení změny stavu. Voda se mění na páru. Tato změna stavu vyžaduje velké množství tepla, mnohem více tepla, než je potřeba ke zvýšení teploty vody ze 70 °F na 212 °F. Ke změně libry vody na libru páry při atmosférickém tlaku je zapotřebí dalších 970 BTU!

Toto teplo nemůžeme „vidět“. Toto teplo nemůžeme „cítit“, ale je zde. Je to „latentní“ teplo, skryté teplo. Přesný termín je „latentní teplo vypařování“.

Latentní teplo vypařování je přesně totéž jako latentní teplo kondenzace. To znamená; pokud zkondenzujeme libru páry o teplotě 212 °C zpět na libru vody o teplotě 212 °C, musíme z páry získat 970 BTU. Proto se pára tak hojně používá. Libru páry obsahující velké množství tepelné energie lze rychle a snadno dopravit rozvodným systémem do vzdálených míst, kde lze energii získat zpět a využít ji k užitečné práci.

Teplota varu vody není konstantní. Změna tlaku vody může změnit její teplotu varu. To vyžaduje uzavřený systém, aby bylo možné tlak regulovat. Vodu pak lze vařit při teplotě 50 °C řekněme na 500 °C stejně snadno jako při teplotě 212 °C. Jediné, co je nutné, je změnit tlak nad vodou na takový, který odpovídá požadovanému bodu varu.

Příklad: Zvýšíme-li tlak v kotli na 52 psig. (67 psia.), bude voda vařit při teplotě 300 °F. Naopak, pokud se tlak sníží na podtlak 29,6 palce rtuti, bude voda vřít při 40 °F.

Změna bodu varu vody změnou tlaku má za následek další změny fyzikálních vlastností. Za atmosférického tlaku bylo latentní teplo vypařování 970 BTU na libru, ale při tlaku 100 psig je to 889 BTU na libru.

Přiložené tabulky ukazují vlastnosti páry. Tabulka 1 a tabulka 2 jsou v podstatě stejné, rozdíl je v tom, že v tabulce 1 je ve sloupci 1 tabulka teploty, v tabulce 2 je ve sloupci 1 tabulka tlaku. Dobře spolu spolupracují, protože vodorovné údaje v tabulce jedné vyplňují mezery v tabulce druhé.

Tabulka 1.

Tabulka 2.

Pokud by bylo třeba znát latentní teplo vypařování pro páru při teplotě 240 °F, s odkazem na tabulku 1, neukazuje žádný řádek 240 °F. Položky jsou 212°F nebo 250°F. Při použití sloupce 2 tabulky 2 se objeví údaj 240,07°F. (To ukazuje, že voda při tlaku 25 psia vře při 240,07°F.) Latentní teplo se objeví jako 952,1 BTU na libru, sloupec 6.

Entalpie

Žádná diskuse o páře není úplná bez zmínky o entalpii. Entalpie je celkové teplo. Entalpie je vlastnost látek, která je mírou jejich tepelného obsahu. Je vhodná pro zjištění množství tepla potřebného pro určité procesy. Z tabulky 1 vyplývá, že celkové teplo páry při atmosférickém tlaku (0 psig. nebo 14,696 psia) je 1150,4 BTU na libru. Toto celkové teplo se skládá ze dvou částí, z citelného a latentního tepla. Citelné teplo zvyšuje teplotu vody z 32°F na 212°F, což je 180,07 BTU na libru. (sloupec 6). Latentní teplo vypařování vody je při 212°F 970,3 BTU na libru. (sloupec 7). Součet je 1150,4 BTU na libru. (sloupec 8). Tyto informace lze použít k určení, kolik tepla by bylo zapotřebí ke změně vody na páru při libovolné teplotě a tlaku. Jaké množství tepla je například zapotřebí ke změně vody o teplotě 70 °F na páru o teplotě 250 °F? Z tabulky 1, řádek 250°F, sloupec 8, je entalpie páry 1164 BTU na libru. Ze sloupce 6, řádek 70°F, je entalpie vody 38,04 BTU na libru. 1164 představuje celkový tepelný obsah páry a 38,04 tepelný obsah vody při 70°F. Rozdíl 1164 – 38,04, tj. 1125,96 BTU na libru, je množství tepla, které je třeba přidat vodě o teplotě 70 °F, aby se změnila na páru o teplotě 250 °F.

Přehřátá pára

Je třeba se zmínit o přehřáté páře.

Páru nelze přehřát v přítomnosti vody, protože veškeré dodané teplo vodu pouze odpaří. Jak jsme viděli na obrázku 1, teplota vody zůstane konstantní, dokud se všechna voda nevypaří. Pára o stejné teplotě jako vroucí voda je „nasycená“ pára. Přehřátá pára je pára o vyšší teplotě než vroucí voda při stejném tlaku. Přehřátá pára se používá především při výrobě elektrické energie. Turbíny na přehřátou páru jsou účinnější, vyžadují méně údržby a mají delší životnost. V komerčním průmyslovém vytápění a technologických procesech budeme obvykle pracovat s párou sytou.

(Zajímavou poznámkou na okraj týkající se klimatizace je skutečnost, že veškerá vlhkost v atmosférickém vzduchu existuje jako přehřátá pára při velmi nízkém tlaku. Latentní tepelná zátěž při přehřívání této páry může tvořit více než 50 % zátěže klimatizačního zařízení. Při chlazení směsi vzduchu a přehřáté páry se pára přehřívá, dokud nedosáhne bodu, kdy zkondenzuje na vodu. Tento bod se nazývá „rosný bod“. Ve skutečnosti se jedná o teplotu kondenzace nízkotlaké páry)

Pára se široce používá. Téměř každá elektrárna bude mít v provozu jednu nebo více parních jednotek. Obrázek 2 znázorňuje některá použití v typickém závodě.

Obrázek 2.

Páru vyrobenou v kotli lze pomocí potrubních systémů přenášet na vzdálená místa a plnit tak mnoho užitečných úkolů. Vyšší tlak v kotli tlačí páru tam, kde je jí zapotřebí, a přestože v každém rozvodném systému dochází k určitým ztrátám, pečlivě navržený a izolovaný systém tyto ztráty minimalizuje a dodává páru tam, kde je určena k ohřevu. Stejné latentní teplo vypařování se zde nyní stává latentním teplem kondenzace, které se používá k ohřevu vzduchu, vody, nádob na vaření potravin atd.

.