I mange numre af Info-Tec er der blevet talt om emner, der anvendes i dampsystemer, f.eks. ventiler, regulatorer, forure, styringer osv. Denne Info-Tec vil omhandle selve dampen. Forståelse af damp, hvorfor og hvordan den fungerer, vil hjælpe en til at forstå de anordninger, der bruges til at styre damp.

Hvad er damp?

Damp er vand i gasformig tilstand. Der skal tilføres tilstrækkeligt med varme til vandet for at hæve temperaturen af flydende vand til kogepunktet, og der skal derefter tilføres mere varme for at forårsage en ændring af tilstanden til damp uden temperaturstigning.

Den varmemængde, der kræves for at hæve vandet til kogepunktet, kaldes følsom varme. Den varmemængde, der kræves for at ændre vandet til damp, kaldes latent fordampningsvarme. Den latente fordampningsvarme er nøjagtig det samme som “den latente kondensationsvarme”. Dette er det princip, som dampsystemer benytter sig af. Som vi vil se, er denne latente varme den primære årsag til, at damp anvendes som et medium til overførsel af varmeenergi.

For at illustrere følsom og latent varme skal vi erindre om definitionen af en BTU (British Thermal Unit), et mål for en varmemængde. En BTU er defineret som den varmemængde, der er nødvendig for at hæve et pund vand med en grad Fahrenheit.

Sensible varme er varme, der let kan mærkes. Den kan mærkes, ja, endda “ses” ved hjælp af et termometer. Latent varme er varme, der er “der”, men som ikke umiddelbart kan mærkes.

Et simpelt forsøg demonstrerer følbar og latent varme.

Figur 1 viser et glasbægerglas med et pund vand. Et termometer kan sættes ned i vandet. Termometeret viser, at vandet har en stuetemperatur på 70°F. Bægerglasset med vand placeres over en brænder, og der tændes for brænderen. Brænderen hæver temperaturen i pundet vand til 212°F. Dette krævede 142 BTU’er. 212 – 70 = 142. (Husk definitionen af en BTU.)

Figur 1.

Disse 142 BTU’er er følsom varme. Vi kan “se” den varme, der tilføres vandet af brænderen, som det fremgår af termometeret. Vi kan stikke hånden ned i vandet og “mærke” den varme, der er blevet tilført; vi kan “fornemme” den. (Det er ikke tilrådeligt.)

Den fortsatte tilførsel af varme vil få vandet til at koge, men termometeret vil ikke stige højere! Ved atmosfærisk tryk vil det forblive ved 212°F! Hvordan kan dette være muligt? Brænderen er stadig tændt. Vi kan se, at der stadig tilføres varme til vandet. Hvor går al denne ekstra varme hen?

Den går til at forårsage en tilstandsændring. Vandet bliver omdannet til damp. Denne tilstandsændring kræver en stor mængde varme, langt mere varme end den varme, der er nødvendig for at hæve vandets temperatur fra 70°F til 212°F. Der skal yderligere 970 BTU’er til for at ændre et pund vand til et pund damp ved atmosfærisk tryk!

Vi kan ikke “se” denne varme. Vi kan ikke “mærke” denne varme, men den er der. Det er “latent” varme, skjult varme. Den præcise betegnelse er “latent fordampningsvarme”.

Den latente fordampningsvarme er nøjagtig det samme som den latente kondensationsvarme. Det vil sige; hvis vi kondenserer et pund damp ved 212°F tilbage til et pund vand ved 212°F, skal vi udvinde 970 BTU’er fra dampen. Det er derfor, at damp er så almindeligt anvendt. Det pund damp, der indeholder en stor mængde varmeenergi, kan hurtigt og nemt transporteres via et distributionssystem til fjerntliggende steder, hvor energien kan genvindes og bruges til nyttigt arbejde.

Vandets kogepunktstemperatur er ikke konstant. Ved at variere trykket i vandet kan vandets kogepunkt ændres. Dette kræver et lukket system, så trykket kan kontrolleres. Vand kan så koges ved 50°F, til f.eks. 500°F lige så let som ved 212°F. Det eneste, der er nødvendigt, er at ændre trykket over vandet til et tryk, der svarer til det ønskede kogepunkt.

Som eksempel kan nævnes, at hvis trykket i en kedel hæves til 52 psig. (67 psia.), vil vandet koge ved 300°F. Omvendt, hvis trykket sænkes til et vakuum på 29,6 tommer kviksølv, vil vandet koge ved 40°F.

Ændring af vands kogepunkt ved at variere trykket resulterer i andre fysiske egenskabsændringer. Ved atmosfærisk tryk var den latente fordampningsvarme 970 BTU pr. pund, men ved 100 psig er den 889 BTU pr. pund.

Damptabeller, der viser dampens egenskaber, er vedlagt. Tabel 1 og tabel 2 er stort set de samme, forskellen er, at tabel 1 er en temperaturtabel i kolonne 1, mens tabel 2 er en tryktabel i kolonne 1. De fungerer godt sammen, da vandrette indtastninger i tabel 1 udfylder hullerne i den anden tabel.

Tabel 1.

Tabel 2.

Hvis den latente fordampningsvarme for damp ved 240°F skulle være kendt, viser henvisning til tabel 1, ingen 240°F-linje. Posterne er 212°F eller 250°F. Ved hjælp af tabel 2, kolonne 2, vises 240,07°F. (Dette viser, at vand ved 25 psia. koger ved 240,07°F.) Den latente varme vises som 952,1 BTU pr. pund, kolonne 6.

Enthalpy

Ingen diskussion om damp er komplet uden at nævne entalpi. Enthalpy er den samlede varme. Enthalpy er en egenskab ved stoffer, som er et mål for deres varmeindhold. Den er praktisk til at finde den varmemængde, der er nødvendig for visse processer. Af tabel 1 fremgår det, at dampens samlede varme ved atmosfærisk tryk (0 psig. eller 14,696 psia) er 1150,4 BTU pr. lb. Denne samlede mængde består af to dele, den følsomme og den latente varme. Den følsomme varme hæver vandets temperatur fra 32°F til 212°F, 180,07 BTU pr. lb. (kolonne 6). Vandets latente fordampningsvarme er ved 212°F, 970,3 BTU pr. lb. (kolonne 7). Summen er 1150,4 BTU pr. lb. (kolonne 8). Disse oplysninger kan bruges til at bestemme, hvor meget varme der er nødvendig for at omdanne vand til damp ved en hvilken som helst temperatur og tryk. Hvilken varmemængde er f.eks. nødvendig for at omdanne vand ved 70°F til damp ved 250°F? Af tabel 1, linje 250°F, kolonne 8, fremgår det, at dampens enthalpi er 1164 BTU pr. lb. I kolonne 6, linje 70°F, er vandets enthalpi 38,04 BTU pr. lb. 1164 er dampens samlede varmeindhold, og 38,04 er vandets varmeindhold ved 70°F. Forskellen, 1164 – 38,04 eller 1125,96 BTU pr. Lb. er den varmemængde, der skal tilføres vandet ved 70°F for at ændre det til damp ved 250°F.

Overhedet damp

Der bør nævnes noget om overhedet damp.

Det er umuligt at overhedet damp i tilstedeværelse af vand, fordi al den tilførte varme kun vil fordampe vandet. Som vi så i figur 1, vil vandets temperatur forblive konstant, indtil alt vandet er kogt af. Damp, der har samme temperatur som det kogende vand, er “mættet” damp. Overophedet damp er damp ved en højere temperatur end kogende vand under samme tryk. Overhedet damp anvendes hovedsagelig til elproduktion. Turbiner er mere effektive, kræver mindre vedligeholdelse og holder længere, når de kører på overophedet damp. Normalt vil vi i kommerciel industriel opvarmning og procesarbejde have at gøre med mættet damp.

(En interessant sidebemærkning vedrørende klimaanlæg er det faktum, at al fugt i atmosfærisk luft findes som overophedet damp ved meget lavt tryk. Den latente varmebelastning fra afkøling af denne damp kan udgøre over 50 % af en klimaanlæggets belastning. Ved nedkøling af en blanding af luft og overophedet damp afvikles dampens overophedning, indtil den når et punkt, hvor den kondenserer til vand. Dette punkt kaldes “dugpunktet”. I virkeligheden er det kondenseringstemperaturen for lavtryksdamp.)

Damp er meget udbredt. Næsten alle anlæg vil have en eller flere dampenheder i drift. Figur 2 illustrerer nogle af anvendelsesmulighederne i et typisk anlæg.

Figur 2.

Dampen, der produceres i en kedel, kan overføres til fjerntliggende steder via rørsystemer for at udføre mange nyttige opgaver. Det højere tryk i kedlen skubber dampen derhen, hvor der er brug for den, og selv om der forekommer nogle tab i ethvert distributionssystem, vil et omhyggeligt konstrueret og isoleret system minimere dette spild og levere dampen derhen, hvor den skal opvarme. Her bliver den samme latente fordampningsvarme nu til den latente kondensationsvarme, der bruges til opvarmning af luft, vand, madlavningskar osv.