Molti numeri di Info-Tec hanno discusso degli elementi utilizzati nei sistemi a vapore come valvole, regolatori, trappole, controlli, ecc. Questo Info-Tec tratterà del vapore stesso. Capire il vapore, perché e come funziona, aiuterà a capire i dispositivi usati per controllare il vapore.

Cos’è il vapore?

Il vapore è acqua allo stato gassoso. Si deve aggiungere abbastanza calore all’acqua per portare la temperatura dell’acqua liquida al suo punto di ebollizione, e poi si aggiunge altro calore per causare un cambiamento di stato in vapore senza un aumento di temperatura.

La quantità di calore necessaria per portare l’acqua alla temperatura di ebollizione è chiamata calore sensibile. La quantità di calore richiesta per cambiare l’acqua in vapore è chiamata calore latente di vaporizzazione. Il calore latente di vaporizzazione è esattamente lo stesso del “calore latente di condensazione”. Questo è il principio che i sistemi a vapore utilizzano. Come vedremo, questo calore latente è la ragione principale per cui il vapore è usato come mezzo di trasferimento di energia termica.

Per illustrare il calore sensibile e latente, dobbiamo ricordare la definizione di un BTU (British Thermal Unit), una misura di una quantità di calore. Un BTU è definito come la quantità di calore necessaria per alzare una libbra d’acqua di un grado Fahrenheit.

Il calore sensibile è il calore che può essere facilmente percepito. Può essere sentito, persino “visto” usando un termometro. Il calore latente è il calore che è “lì” ma non facilmente percepibile.

Un semplice esperimento dimostra il calore sensibile e latente.

La figura 1 mostra un bicchiere di vetro contenente una libbra di acqua. Un termometro può essere messo nell’acqua. Il termometro mostra che l’acqua è ad una temperatura ambiente di 70°F. Il bicchiere d’acqua è posto sopra un bruciatore e il bruciatore è acceso. Il bruciatore alza la temperatura della libbra d’acqua a 212°F. Questo richiede 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Ricordate la definizione di BTU.)

Figura 1.

Queste 142 BTU sono calore sensibile. Possiamo “vedere” il calore aggiunto all’acqua dal bruciatore come evidenziato dal termometro. Potremmo mettere la mano nell’acqua e “sentire” il calore che è stato aggiunto; “sentirlo”. (Non è consigliabile.)

La continua aggiunta di calore farà bollire l’acqua, ma il termometro non andrà più in alto! A pressione atmosferica, resterà a 212°F! Come può essere? Il bruciatore è ancora acceso. Possiamo vedere che il calore viene ancora aggiunto all’acqua. Dove sta andando tutto questo calore aggiuntivo?

Sta andando a causare un cambiamento di stato. L’acqua viene trasformata in vapore. Questo cambiamento di stato richiede una grande quantità di calore, molto più calore di quello necessario per aumentare la temperatura dell’acqua da 70°F a 212°F. Per cambiare una libbra d’acqua in una libbra di vapore a pressione atmosferica sono necessarie altre 970 BTU!

Non possiamo “vedere” questo calore. Non possiamo “sentire” questo calore, ma è lì. È il calore “latente”, il calore nascosto. Il termine esatto è “calore latente di vaporizzazione”.

Il calore latente di vaporizzazione è esattamente lo stesso del calore latente di condensazione. Cioè, se condensiamo la libbra di vapore a 212°F in una libbra di acqua a 212°F, dobbiamo estrarre 970 BTU dal vapore. Questo è il motivo per cui il vapore è così ampiamente utilizzato. La libbra di vapore che contiene una grande quantità di energia termica può essere trasportata rapidamente e facilmente da un sistema di distribuzione a luoghi remoti dove l’energia può essere recuperata e messa al lavoro utile.

La temperatura di ebollizione dell’acqua non è costante. Variando la pressione dell’acqua si può cambiare il suo punto di ebollizione. Questo richiede un sistema chiuso in modo che la pressione possa essere controllata. L’acqua può quindi essere bollita a 50°F, per esempio, a 500°F tanto facilmente quanto a 212°F. L’unica cosa necessaria è cambiare la pressione sopra l’acqua in una corrispondente al punto di ebollizione desiderato.

A titolo di esempio, se la pressione in una caldaia viene portata a 52 psig. (67 psia.), l’acqua bollirà a 300°F. Al contrario, se la pressione fosse abbassata a un vuoto di 29,6 pollici di mercurio, l’acqua bollirebbe a 40°F.

Cambiare il punto di ebollizione dell’acqua variando la pressione comporta altri cambiamenti nelle proprietà fisiche. Sotto la pressione atmosferica, il calore latente di vaporizzazione era 970 BTU per libbra, ma a 100 psig, è 889 BTU per libbra.

Sono allegate delle tabelle che mostrano le proprietà del vapore. La tabella 1 e la tabella 2 sono essenzialmente le stesse, la differenza è che la tabella 1 è una tabella di temperatura nella colonna 1, la tabella 2 è una tabella di pressione nella colonna 1. Funzionano bene insieme, poiché le voci orizzontali sulla tabella 1 riempiono le lacune dell’altra tabella.

Tabella 1.

Tabella 2.

Se il calore latente di vaporizzazione del vapore a 240°F dovesse essere noto, facendo riferimento alla tabella 1, non mostra alcuna linea a 240°F. Le voci sono 212°F o 250°F. Usando la tabella 2, colonna 2, appare la voce 240.07°F. (Questo mostra che l’acqua a 25 psia. bolle a 240.07°F.) Il calore latente appare come 952.1 BTU per libbra, Colonna 6.

Enthalpy

Nessuna discussione sul vapore è completa senza menzionare l’entalpia. L’entalpia è il calore totale. L’entalpia è una proprietà delle sostanze che è una misura del loro contenuto di calore. È conveniente per trovare la quantità di calore necessaria per certi processi. Dalla tabella 1, il calore totale del vapore a pressione atmosferica (0 psig. o 14.696 psia) è dato come 1150.4 BTU per Lb. Questo totale è composto da due parti, calore sensibile e latente. Il calore sensibile aumenta la temperatura dell’acqua da 32°F a 212°F, 180,07 BTU per Lb. (Colonna 6). Il calore latente di vaporizzazione dell’acqua è a 212°F, 970,3 BTU per Lb. (Colonna 7). La somma è 1150,4 BTU per libbra. (Colonna 8). Queste informazioni possono essere usate per determinare quanto calore sarebbe necessario per cambiare l’acqua in vapore a qualsiasi temperatura e pressione. Per esempio, quale quantità di calore è necessaria per cambiare l’acqua a 70°F in vapore a 250°F? Dalla Tabella 1, linea 250°F, Colonna 8, l’entalpia del vapore è 1164 BTU per libbra. Dalla colonna 6, riga 70°F, l’entalpia dell’acqua è 38,04 BTU per libbra. 1164 rappresenta il contenuto termico totale del vapore, e 38.04 il contenuto termico dell’acqua a 70°F. La differenza, 1164 – 38.04, o 1125.96 BTU per Lb. è la quantità di calore che deve essere aggiunta all’acqua a 70°F per cambiarla in vapore a 250°F.

Vapore surriscaldato

Si dovrebbe fare qualche menzione sul vapore surriscaldato.

È impossibile surriscaldare il vapore in presenza di acqua perché tutto il calore fornito farà solo evaporare l’acqua. Come abbiamo visto nella figura 1, la temperatura dell’acqua rimarrà costante fino a quando tutta l’acqua non sarà evaporata. Il vapore alla stessa temperatura dell’acqua in ebollizione è vapore “saturo”. Il vapore surriscaldato è vapore a una temperatura più alta dell’acqua in ebollizione alla stessa pressione. Il vapore surriscaldato è usato principalmente nella generazione di energia. Le turbine sono più efficienti, richiedono meno manutenzione e durano più a lungo con il vapore surriscaldato. Di solito, nel riscaldamento industriale commerciale e nel lavoro di processo, avremo a che fare con il vapore saturo.

(Un interessante inciso riguardante l’aria condizionata è il fatto che tutta l’umidità nell’aria atmosferica esiste come vapore surriscaldato a pressione molto bassa. Il carico di calore latente del de-surriscaldamento di questo vapore può comprendere più del 50% del carico di un condizionatore. Nel raffreddare una miscela di aria e vapore surriscaldato, il vapore viene desurriscaldato fino a raggiungere un punto in cui si condensa in acqua. Questo punto è chiamato “punto di rugiada”. In realtà, è la temperatura di condensazione del vapore a bassa pressione.)

Il vapore è ampiamente utilizzato. Quasi ogni impianto avrà una o più unità di vapore in funzione. La figura 2 illustra alcuni degli usi in un tipico impianto.

Figura 2.

Il vapore generato in una caldaia può essere trasferito in luoghi remoti attraverso sistemi di tubazioni per svolgere molti compiti utili. La pressione più alta nella caldaia spinge il vapore dove è necessario, e mentre alcune perdite si verificano in qualsiasi sistema di distribuzione, un sistema attentamente progettato e isolato ridurrà al minimo questo spreco e consegnerà il vapore dove è destinato a riscaldare. Qui lo stesso calore latente di vaporizzazione diventa ora il calore latente di condensazione usato per riscaldare l’aria, l’acqua, i recipienti per la cottura dei cibi, ecc.

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