Monissa Info-Tecin numeroissa on käsitelty höyryjärjestelmissä käytettäviä kohteita, kuten venttiileitä, säätöventtiileitä, sulkimia, säätimiä jne. Tässä Info-Tecissä käsitellään itse höyryä. Höyryn ymmärtäminen, miksi ja miten se toimii, auttaa ymmärtämään höyryn säätöön käytettäviä laitteita.

Mitä höyry on?

Höyry on vettä kaasumaisessa tilassaan. Veteen on lisättävä riittävästi lämpöä, jotta nestemäisen veden lämpötila nousee kiehumispisteeseen, ja sitten lisätään lisää lämpöä, jotta olomuoto muuttuu höyryksi ilman lämpötilan nousua.

Veden kiehumislämpötilan nostamiseen tarvittavaa lämpömäärää kutsutaan tuntuvaksi lämmöksi. Lämpömäärää, joka tarvitaan veden muuttamiseksi höyryksi, kutsutaan latentiksi höyrystymislämmöksi. Latentti höyrystymislämpö on täsmälleen sama kuin ”latentti tiivistymislämpö”. Tätä periaatetta höyryjärjestelmät hyödyntävät. Kuten tulemme näkemään, tämä latentti lämpö on ensisijainen syy siihen, että höyryä käytetään lämpöenergian siirtovälineenä.

Jotta voimme havainnollistaa tuntuvaa ja latenttia lämpöä, meidän on palautettava mieleen BTU:n (brittiläinen lämpöyksikkö) määritelmä, joka on lämpömäärän mitta. BTU määritellään lämpömääräksi, joka tarvitaan nostamaan yksi punta vettä yhden Fahrenheit-asteen.

Sensiivinen lämpö on lämpöä, joka voidaan helposti aistia. Se voidaan tuntea, jopa ”nähdä” lämpömittarin avulla. Latentti lämpö on lämpöä, joka on ”olemassa”, mutta ei helposti havaittavissa.

Yksinkertainen koe havainnollistaa tuntuvaa ja piilevää lämpöä.

Kuvassa 1 on lasinen dekantterilasi, joka sisältää kilon vettä. Veteen voidaan laittaa lämpömittari. Lämpömittarin mukaan vesi on huoneenlämmössä 70°F. Vettä sisältävä dekantterilasi asetetaan polttimen päälle ja poltin sytytetään. Poltin nostaa kilon veden lämpötilan 212°F:iin. Tähän tarvittiin 142 BTU:ta. 212 – 70 = 142. (Muista BTU:n määritelmä.)

Kuvio 1.

Tämä 142 BTU:ta on tuntuvaa lämpöä. Voimme ”nähdä” polttimen veteen lisäämän lämmön, kuten lämpömittari osoittaa. Voimme laittaa käden veteen ja ”tuntea” lisätyn lämmön; ”aistia” sen. (Ei suositeltavaa.)

Jatkuva lämmön lisääminen saa veden kiehumaan, mutta lämpömittari ei nouse korkeammalle! Ilmakehän paineessa se pysyy 212°F:ssa! Miten tämä voi olla mahdollista? Poltin on edelleen päällä. Näemme, että veteen lisätään edelleen lämpöä. Minne kaikki tämä lisälämpö menee?

Se menee aiheuttamaan olomuodon muutoksen. Vesi muuttuu höyryksi. Tämä olomuodon muutos vaatii suuren määrän lämpöä, paljon enemmän lämpöä kuin mitä tarvitaan veden lämpötilan nostamiseen 70 asteesta 212 asteeseen. Tarvitaan 970 BTU:ta lisää, jotta kilo vettä muuttuu kiloksi höyryä ilmakehän paineessa!

Me emme voi ”nähdä” tätä lämpöä. Emme voi ”tuntea” tätä lämpöä, mutta se on olemassa. Se on ”piilevää” lämpöä, piilolämpöä. Tarkka termi on ”latentti höyrystymislämpö”.

Höyrystymislämpö on täsmälleen sama kuin kondensaation latentti lämpö. Toisin sanoen; jos lauhdutamme paunan höyryä 212°F:n lämpötilassa takaisin paunaan vettä 212°F:n lämpötilassa, meidän on otettava höyrystä 970 BTU:ta. Tämän vuoksi höyryä käytetään niin laajalti. Suuri määrä lämpöenergiaa sisältävä höyrypuntti voidaan nopeasti ja helposti kuljettaa jakelujärjestelmän avulla syrjäisiin paikkoihin, joissa energia voidaan ottaa talteen ja käyttää hyödyksi.

Veden kiehumislämpötila ei ole vakio. Veden paineen muuttaminen voi muuttaa sen kiehumispistettä. Tämä edellyttää suljettua järjestelmää, jotta painetta voidaan hallita. Vesi voidaan tällöin keittää 50°F:n lämpötilassa vaikkapa 500°F:iin yhtä helposti kuin 212°F:n lämpötilassa. Tarvitaan vain muuttaa veden yläpuolella oleva paine haluttua kiehumispistettä vastaavaksi.

Esimerkiksi, jos kattilan paine nostetaan 52 psig:iin. (67 psia.), vesi kiehuu 300°F:n lämpötilassa. Sitä vastoin, jos paine lasketaan 29,6 tuuman elohopeatyhjiöön, vesi kiehuu 40°F:n lämpötilassa.

Veden kiehumispisteen muuttaminen painetta muuttamalla johtaa muihin fysikaalisten ominaisuuksien muutoksiin. Ilmakehän paineessa latentti höyrystymislämpö oli 970 BTU:ta kiloa kohti, mutta 100 psig:n paineessa se on 889 BTU:ta kiloa kohti.

Höyryn ominaisuuksia osoittavat höyrytaulukot ovat liitteenä. Taulukot 1 ja 2 ovat olennaisesti samat, sillä erona on, että taulukko 1 on lämpötilataulukko sarakkeessa 1 ja taulukko 2 on painetaulukko sarakkeessa 1. Merkinnät ovat 212°F tai 250°F. Taulukon 2 sarakkeen 2 avulla saadaan merkintä 240.07°F. (Tämä osoittaa, että 25 psia:n paineessa oleva vesi kiehuu 240,07°F:n lämpötilassa.) Latentti lämpö on 952,1 BTU:ta paunaa kohti, sarake 6.

Entalpia

Mikään höyryä koskeva keskustelu ei ole täydellinen ilman entalpian mainitsemista. Entalpia on kokonaislämpö. Entalpia on aineiden ominaisuus, joka on niiden lämpösisällön mitta. Se on kätevä, kun halutaan löytää tiettyihin prosesseihin tarvittava lämpömäärä. Taulukon 1 mukaan höyryn kokonaislämpö ilmakehän paineessa (0 psig tai 14,696 psia) on 1150,4 BTU/lb. Tämä kokonaismäärä koostuu kahdesta osasta, tuntuvasta ja latentista lämmöstä. Aistittava lämpö nostaa veden lämpötilan 32°F:stä 212°F:iin, 180,07 BTU/lb. (sarake 6). Veden latentti höyrystymislämpö on 212°F:n lämpötilassa 970,3 BTU/lb. (sarake 7). Summa on 1150,4 BTU/lb. (sarake 8). Näiden tietojen avulla voidaan määrittää, kuinka paljon lämpöä tarvitaan veden muuttamiseksi höyryksi missä tahansa lämpötilassa ja paineessa. Esimerkiksi, kuinka paljon lämpöä tarvitaan muuttamaan 70°F:n vesi höyryksi 250°F:n lämpötilassa? Taulukon 1 rivin 250°F sarakkeessa 8 höyryn entalpia on 1164 BTU/lb. Sarakkeen 6 rivin 70°F mukaan veden entalpia on 38,04 BTU/lb. 1164 on höyryn kokonaislämpösisältö ja 38,04 on veden lämpösisältö 70°F:n lämpötilassa. Erotus 1164 – 38,04 eli 1125,96 BTU per Lb on lämpömäärä, joka on lisättävä 70°F:n lämpötilassa olevaan veteen, jotta se muuttuisi 250°F:n lämpötilassa olevaksi höyryksi.

Ylikuumennettu höyry

On syytä mainita myös ylikuumennetusta höyrystä.

Höyryn ylikuumentaminen veden läsnä ollessa ei ole mahdollista, koska kaikki syötetty lämpö vain höyrystää vettä. Kuten kuvassa 1 nähtiin, veden lämpötila pysyy vakiona, kunnes kaikki vesi on kiehunut pois. Höyry, jonka lämpötila on sama kuin kiehuvan veden, on ”kylläistä” höyryä. Ylikuumentunut höyry on höyryä, jonka lämpötila on korkeampi kuin kiehuvan veden lämpötila samassa paineessa. Ylikuumennettua höyryä käytetään pääasiassa sähköntuotannossa. Turbiinit ovat tehokkaampia, vaativat vähemmän huoltoa ja kestävät pidempään, kun niitä käytetään ylikuumennetulla höyryllä. Yleensä kaupallisessa teollisuuslämmityksessä ja prosessityössä käytetään kyllästettyä höyryä.

(Mielenkiintoinen sivuseikka ilmastointiin liittyen on se, että kaikki ilmakehän ilman kosteus on olemassa ylikuumennettuna höyrynä hyvin alhaisessa paineessa. Tämän höyryn ylikuumenemisen poistamisesta aiheutuva latentti lämpökuorma voi olla yli 50 % ilmastointilaitteen kuormituksesta. Jäähdytettäessä ilman ja ylikuumennetun höyryn seosta höyryä kuumennetaan, kunnes se saavuttaa pisteen, jossa se tiivistyy vedeksi. Tätä pistettä kutsutaan kastepisteeksi. Itse asiassa se on matalapaineisen höyryn lauhtumislämpötila.)

Höyryä käytetään laajalti. Lähes jokaisessa laitoksessa on käytössä yksi tai useampi höyryyksikkö. Kuva 2 havainnollistaa joitakin käyttötapoja tyypillisessä laitoksessa.

Kuva 2.

Kattilassa tuotettua höyryä voidaan siirtää putkistoja pitkin etäällä sijaitseviin paikkoihin monien käyttökelpoisten tehtävien suorittamiseksi. Kattilan korkeampi paine työntää höyryn sinne, missä sitä tarvitaan, ja vaikka missä tahansa jakelujärjestelmässä esiintyy jonkin verran häviöitä, huolellisesti suunniteltu ja eristetty järjestelmä minimoi tämän hävikin ja toimittaa höyryn sinne, missä sen on tarkoitus lämmittää. Tässä sama latentti höyrystymislämpö muuttuu nyt latentiksi lauhtumislämmöksi, jota käytetään ilman, veden, ruoanvalmistusastioiden jne. lämmittämiseen.