Az Info-Tec számos száma foglalkozott a gőzrendszerekben használt elemekkel, például szelepekkel, szabályozókkal, csapdákkal, vezérlőkkel stb. Ez az Info-Tec magával a gőzzel foglalkozik. A gőz megértése, miért és hogyan működik, segít megérteni a gőz szabályozására használt eszközöket.

Mi is az a gőz?

A gőz gáz halmazállapotú víz. Elegendő hőt kell hozzáadni a vízhez ahhoz, hogy a folyékony víz hőmérsékletét a forráspontjára emeljük, majd még több hőt kell hozzáadni ahhoz, hogy a hőmérséklet emelkedése nélkül gőzzé váljon.

A víz forráspontra emeléséhez szükséges hőmennyiséget érzékelhető hőnek nevezzük. Azt a hőmennyiséget, amely ahhoz szükséges, hogy a víz gőzzé alakuljon, látens gőzhőnek nevezzük. A gőzölés látens hője pontosan megegyezik a “kondenzáció látens hőjével”. Ezt az elvet használják ki a gőzrendszerek. Mint látni fogjuk, ez a látens hő az elsődleges oka annak, hogy a gőzt hőenergia-átadó közegként használják.

Az érzékelhető és a látens hő szemléltetéséhez fel kell idéznünk a BTU (British Thermal Unit) definícióját, amely egy hőmennyiség mértékegysége. A BTU-t úgy határozzák meg, mint azt a hőmennyiséget, amely ahhoz szükséges, hogy egy font víz egy Fahrenheit-fokot emelkedjen.

Az érzékelhető hő az a hő, amely könnyen érzékelhető. Érezhető, sőt “látható” egy hőmérő segítségével. A látens hő az a hő, amely “ott van”, de nem könnyen érzékelhető.

Egy egyszerű kísérlet mutatja be az érzékelhető és a látens hőt.

Az 1. ábrán egy üvegpohár látható, amelyben egy kiló víz van. A vízbe egy hőmérőt helyezhetünk. A hőmérő azt mutatja, hogy a víz szobahőmérséklete 70 °F. A vízzel teli főzőpoharat egy égő fölé helyezzük, és az égőt bekapcsoljuk. Az égő a font víz hőmérsékletét 212°F-ra emeli. Ehhez 142 BTU-ra volt szükség. 212 – 70 = 142. (Emlékezzünk a BTU definíciójára.)

1. ábra.

Ez a 142 BTU az érzékelhető hő. Az égő által a vízhez hozzáadott hőt “látjuk”, amit a hőmérő bizonyít. Beletehetjük a kezünket a vízbe, és “érezzük” a hozzáadott hőt; “érezzük”. (Nem tanácsos.)

A folyamatos hő hozzáadás hatására a víz felforr, de a hőmérő nem megy feljebb! Légköri nyomáson 212°F-on marad! Hogy lehet ez? Az égő még mindig be van kapcsolva. Láthatjuk, hogy a víz még mindig hőt kap. Hová megy ez a sok plusz hő?

Az állapotváltozás előidézésére megy. A víz gőzzé alakul. Ehhez az állapotváltozáshoz nagy mennyiségű hőre van szükség, sokkal több hőre, mint amennyire a víz hőmérsékletének 70°F-ről 212°F-ra való emeléséhez van szükség. További 970 BTU-ra van szükség ahhoz, hogy egy font víz atmoszférikus nyomáson egy font gőzzé alakuljon át!

Ezt a hőt nem “látjuk”. Nem “érezzük” ezt a hőt, de ott van. Ez “látens” hő, rejtett hő. A pontos kifejezés a “párolgás látens hője”.

A párolgás látens hője pontosan ugyanaz, mint a kondenzáció látens hője. Vagyis; ha egy font 212°F-os gőzt visszasűrítünk egy font 212°F-os vízbe, akkor 970 BTU-t kell kivonnunk a gőzből. Ezért használják a gőzt olyan széles körben. A nagy mennyiségű hőenergiát tartalmazó font gőz gyorsan és könnyen elszállítható egy elosztórendszerrel távoli helyekre, ahol az energia visszanyerhető és hasznos munkára fordítható.

A víz forráshőmérséklete nem állandó. A víz nyomásának változtatása megváltoztathatja a forráspontját. Ehhez zárt rendszerre van szükség, hogy a nyomás szabályozható legyen. A vizet így 50°F-on, mondjuk 500°F-ra ugyanolyan könnyen fel lehet forralni, mint 212°F-on. Ehhez csak a víz feletti nyomást kell megváltoztatni a kívánt forráspontnak megfelelőre.

Egy példa: ha egy kazánban a nyomást 52 psig-ra emeljük. (67 psia.), a víz 300°F-on fog forrni. Ezzel szemben, ha a nyomást 29,6 inch higanyszögű vákuumra csökkentjük, a víz 40°F-on fog forrni.

A víz forráspontjának a nyomás változtatásával történő megváltoztatása más fizikai tulajdonságok változását eredményezi. Atmoszférikus nyomáson a látens gőzölési hő 970 BTU fontonként, de 100 psig nyomáson 889 BTU fontonként.

A gőz tulajdonságait bemutató gőztáblázatokat mellékeljük. Az 1. és a 2. táblázat lényegében megegyezik, a különbség az, hogy az 1. táblázat egy hőmérséklet-táblázat az 1. oszlopban, a 2. táblázat egy nyomás-táblázat az 1. oszlopban. Jól működnek együtt, mivel az egyik táblázat vízszintes bejegyzései kitöltik a másik táblázat hiányosságait.

1. táblázat.

2. táblázat.

Ha a gőz 240°F-os latens gőzhőjét kellene ismerni, az 1. táblázatra hivatkozva nem mutat 240°F-os sort. A bejegyzések 212°F vagy 250°F értékűek. A 2. táblázat 2. oszlopának használatával a 240,07°F bejegyzés jelenik meg. (Ez azt mutatja, hogy a 25 psia. nyomáson lévő víz 240,07°F-on forr.) A látens hő 952,1 BTU fontonként, 6. oszlop.

Enthalpia

A gőzről szóló tárgyalás nem teljes az entalpia említése nélkül. Az entalpia a teljes hőmennyiséget jelenti. Az entalpia az anyagok olyan tulajdonsága, amely a hőtartalmuk mértékegysége. Kényelmes az egyes folyamatokhoz szükséges hőmennyiség megállapításához. Az 1. táblázatból a gőz teljes hője légköri nyomáson (0 psig. vagy 14,696 psia) 1150,4 BTU/lb. Ez a teljes hőmennyiség két részből, az érzékelhető és a látens hőből áll. Az érzékelhető hő a víz hőmérsékletét 32 °F-ról 212 °F-ra emeli, 180,07 BTU/lb. (6. oszlop). A víz látens párolgási hője 212°F-on 970,3 BTU/lb. (7. oszlop). Az összeg 1150,4 BTU/lb. (8. oszlop). Ez az információ felhasználható annak meghatározására, hogy mennyi hőre lenne szükség ahhoz, hogy a víz bármilyen hőmérsékleten és nyomáson gőzzé alakuljon. Például mennyi hőre van szükség ahhoz, hogy a 70°F hőmérsékletű víz 250°F hőmérsékletű gőzzé alakuljon? Az 1. táblázat 250°F sorának 8. oszlopából a gőz entalpiája 1164 BTU/lb. A 6. oszlop 70°F sorából a víz entalpiája 38,04 BTU/lb. Az 1164 a gőz teljes hőtartalmát, a 38,04 pedig a víz 70°F-os hőtartalmát jelenti. A különbség, 1164 – 38,04, azaz 1125,96 BTU per Lb. az a hőmennyiség, amelyet a 70°F-os vízhez hozzá kell adni ahhoz, hogy az 250°F-os gőzzé alakuljon át.

Túlhevített gőz

Meg kell még említeni a túlhevített gőzt.

A gőz túlhevítése víz jelenlétében nem lehetséges, mert az összes hozzáadott hő csak a vizet párologtatja el. Amint azt az 1. ábrán láttuk, a víz hőmérséklete mindaddig állandó marad, amíg az összes víz el nem forr. A forrásban lévő vízzel azonos hőmérsékletű gőz “telített” gőz. A túlhevített gőz a forrásban lévő víznél magasabb hőmérsékletű gőz ugyanolyan nyomás mellett. A túlhevített gőzt elsősorban az energiatermelésben használják. A turbinák hatékonyabbak, kevesebb karbantartást igényelnek és hosszabb ideig működnek túlhevített gőzzel. Általában a kereskedelmi ipari fűtési és technológiai munkák során telített gőzzel foglalkozunk.

(A légkondicionálással kapcsolatban érdekes mellékszál, hogy a légköri levegőben lévő összes nedvesség túlhevített gőz formájában létezik nagyon alacsony nyomáson. E gőz túlhevítésének látens hőterhelése a légkondicionáló berendezés terhelésének több mint 50%-át is kiteheti. A levegő és a túlhevített gőz keverékének hűtése során a gőz túlhevítése addig a pontig tart, amíg el nem éri azt a pontot, ahol vízzé kondenzálódik. Ezt a pontot “harmatpontnak” nevezik. Valójában ez az alacsony nyomású gőz kondenzációs hőmérséklete.)

A gőzt széles körben használják. Szinte minden üzemben működik egy vagy több gőzegység. A 2. ábra néhány felhasználási módot mutat be egy tipikus üzemben.

2. ábra.

A kazánban keletkező gőz csőrendszereken keresztül távoli helyekre is továbbítható, számos hasznos feladat elvégzésére. A kazánban uralkodó nagyobb nyomás oda nyomja a gőzt, ahol szükség van rá, és bár minden elosztórendszerben előfordulnak bizonyos veszteségek, egy gondosan megtervezett és szigetelt rendszer minimalizálja ezt a veszteséget, és oda szállítja a gőzt, ahol az a fűtésre szolgál. Itt ugyanaz a gőzpárolgás látens hője most a kondenzáció látens hőjévé válik, amelyet a levegő, a víz, az ételfőző edények stb. fűtésére használnak.