W wielu wydaniach Info-Tec omawiane były elementy używane w systemach parowych, takie jak zawory, regulatory, odwadniacze, sterowniki itp. Ten Info-Tec będzie dotyczył samej pary. Zrozumienie pary, dlaczego i jak ona działa, pomoże zrozumieć urządzenia używane do sterowania parą.

Czym właściwie jest para?

Para to woda w stanie gazowym. Do wody należy dodać wystarczająco dużo ciepła, aby podnieść temperaturę wody ciekłej do temperatury wrzenia, a następnie dodać więcej ciepła, aby spowodować zmianę stanu skupienia na parę bez wzrostu temperatury.

Ciepło potrzebne do podniesienia wody do temperatury wrzenia nazywane jest ciepłem jawnym. Ilość ciepła wymagana do zmiany wody w parę nazywana jest utajonym ciepłem parowania. Utajone ciepło parowania jest dokładnie takie samo jak „utajone ciepło kondensacji”. Jest to zasada, którą wykorzystują systemy parowe. Jak zobaczymy, to ciepło utajone jest głównym powodem, dla którego para jest używana jako nośnik energii cieplnej.

Aby zilustrować ciepło jawne i utajone, musimy przypomnieć sobie definicję BTU (British Thermal Unit), czyli miary ilości ciepła. BTU definiuje się jako ilość ciepła potrzebną do podniesienia jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita.

Ciepło jawne to ciepło, które można łatwo wyczuć. Można je poczuć, a nawet „zobaczyć” za pomocą termometru. Ciepło utajone to ciepło, które jest „tam”, ale nie jest łatwo wyczuwalne.

Prosty eksperyment demonstruje ciepło jawne i utajone.

Rysunek 1 przedstawia szklaną zlewkę zawierającą jeden funt wody. Do wody można włożyć termometr. Termometr pokazuje, że woda ma temperaturę pokojową 70°F. Zlewkę z wodą umieszcza się nad palnikiem i włącza się palnik. Palnik podnosi temperaturę funta wody do 212°F. Wymagało to 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Zapamiętaj definicję BTU.)

Rysunek 1.

Te 142 BTU to ciepło jawne. Możemy „zobaczyć” ciepło dodane do wody przez palnik, o czym świadczy termometr. Możemy włożyć rękę do wody i „poczuć” ciepło, które zostało dodane; „wyczuć” je. (Nie wskazane.)

Ciągłe dodawanie ciepła spowoduje, że woda będzie wrzeć, ale termometr nie pójdzie wyżej! Przy ciśnieniu atmosferycznym, pozostanie na poziomie 212°F! Jak to możliwe? Palnik jest nadal włączony. Widzimy, że ciepło jest nadal dodawane do wody. Dokąd zmierza całe to dodatkowe ciepło?

Zmierza ono do wywołania zmiany stanu skupienia. Woda zamienia się w parę. Ta zmiana stanu wymaga dużej ilości ciepła, o wiele większej niż ta potrzebna do podniesienia temperatury wody z 70°F do 212°F. Dodatkowe 970 BTU jest potrzebne do zmiany funta wody w funt pary przy ciśnieniu atmosferycznym!

Nie możemy „zobaczyć” tego ciepła. Nie możemy „poczuć” tego ciepła, ale ono tam jest. Jest to ciepło „utajone”, ciepło ukryte. Dokładny termin to „ciepło utajone parowania”.

Ciepło utajone parowania jest dokładnie takie samo jak ciepło utajone kondensacji. To znaczy; jeśli skondensujemy funt pary o temperaturze 212°F z powrotem do funta wody o temperaturze 212°F, musimy wydobyć 970 BTU z pary. Dlatego właśnie para wodna jest tak szeroko stosowana. Funt pary zawierający dużą ilość energii cieplnej może być szybko i łatwo przetransportowany przez system dystrybucji do odległych miejsc, gdzie energia ta może być odzyskana i wykorzystana do użytecznej pracy.

Temperatura wrzenia wody nie jest stała. Zmieniając ciśnienie wody można zmienić jej temperaturę wrzenia. Wymaga to zamkniętego systemu tak, że ciśnienie może być kontrolowane. Woda może być gotowana w 50°F, powiedzmy, 500°F tak łatwo, jak w 212°F. Jedyną rzeczą niezbędną jest zmiana ciśnienia nad wodą do jednego odpowiadającego żądanej temperaturze wrzenia.

Jako przykład, jeśli ciśnienie w kotle jest podnoszone do 52 psig. (67 psia.), woda będzie gotować się w temperaturze 300°F. I odwrotnie, jeśli ciśnienie zostało obniżone do próżni 29,6 cali rtęci, woda będzie wrzeć w temperaturze 40°F.

Zmiana temperatury wrzenia wody poprzez zmianę ciśnienia powoduje inne zmiany właściwości fizycznych. Pod ciśnieniem atmosferycznym utajone ciepło parowania wynosi 970 BTU na funt, ale przy ciśnieniu 100 psig wynosi 889 BTU na funt.

Załączono tabele pary wodnej pokazujące jej właściwości. Tabela 1 i Tabela 2 są w zasadzie takie same, z tą różnicą, że Tabela 1 jest tabelą temperatury w kolumnie 1, a Tabela 2 jest tabelą ciśnienia w kolumnie 1. Dobrze współpracują ze sobą, ponieważ poziome wpisy w tabeli 1 wypełniają luki w drugiej tabeli.

Tabela 1.

Tabela 2.

Jeśli utajone ciepło parowania dla pary wodnej w temperaturze 240°F musi być znane, odnosząc się do Tabeli 1, nie pokazuje linii 240°F. Wpisy to 212°F lub 250°F. Używając Tabeli 2, Kolumna 2, pojawia się wpis 240.07°F. (To pokazuje, że woda przy 25 psia. wrze w 240.07°F.) Ciepło utajone pojawia się jako 952.1 BTU na funt, Kolumna 6.

Enthalpy

Żadna dyskusja o parze nie jest kompletna bez wspomnienia entalpii. Entalpia to ciepło całkowite. Entalpia jest właściwością substancji, która jest miarą zawartości w nich ciepła. Jest ona przydatna do określania ilości ciepła potrzebnego do określonych procesów. Z tabeli 1 wynika, że całkowite ciepło pary wodnej przy ciśnieniu atmosferycznym (0 psig. lub 14,696 psia) wynosi 1150,4 BTU na funt. Ciepło to składa się z dwóch części: ciepła jawnego i utajonego. Ciepło jawne podnosi temperaturę wody z 32°F do 212°F, 180,07 BTU na funt. (Kolumna 6). Ciepło utajone parowania wody w temperaturze 212°F wynosi 970,3 BTU na funt. (Kolumna 7). Suma wynosi 1150,4 BTU na funt. (Kolumna 8). Informacje te można wykorzystać do określenia, ile ciepła potrzeba do zamiany wody w parę w dowolnej temperaturze i pod dowolnym ciśnieniem. Na przykład, jaka ilość ciepła jest potrzebna do zamiany wody o temperaturze 70°F w parę o temperaturze 250°F? Z tabeli 1, wiersz 250°F, kolumna 8, entalpia pary wynosi 1164 BTU na funt. Z kolumny 6, wiersz 70°F, entalpia wody wynosi 38,04 BTU na funt. 1164 to całkowita zawartość ciepła w parze, a 38,04 to zawartość ciepła w wodzie o temperaturze 70°F. Różnica, 1164 – 38,04, czyli 1125,96 BTU na funt, to ilość ciepła, którą należy dodać do wody o temperaturze 70°F, aby zamienić ją w parę o temperaturze 250°F.

Para przegrzana

Należy wspomnieć o parze przegrzanej.

Nie jest możliwe przegrzanie pary w obecności wody, ponieważ całe dostarczone ciepło spowoduje jedynie odparowanie wody. Jak widzieliśmy na rysunku 1, temperatura wody pozostanie stała, dopóki cała woda się nie wygotuje. Para o tej samej temperaturze co wrząca woda jest parą „nasyconą”. Para przegrzana to para o temperaturze wyższej niż temperatura wrzącej wody pod tym samym ciśnieniem. Para przegrzana jest używana głównie do wytwarzania energii elektrycznej. Turbiny są bardziej wydajne, wymagają mniej konserwacji i mają dłuższą żywotność pracując na parze przegrzanej. Zazwyczaj, w komercyjnym ogrzewaniu przemysłowym i pracach procesowych, będziemy mieli do czynienia z parą nasyconą.

(Ciekawostką dotyczącą klimatyzacji jest fakt, że cała wilgoć w powietrzu atmosferycznym istnieje jako para przegrzana przy bardzo niskim ciśnieniu. Ładunek ciepła utajonego związany z odgazowaniem tej pary może stanowić ponad 50% obciążenia klimatyzatora. Podczas chłodzenia mieszaniny powietrza i pary przegrzanej, para jest odparowywana do momentu osiągnięcia punktu, w którym skrapla się na wodę. Punkt ten nazywany jest „punktem rosy”. W rzeczywistości jest to temperatura skraplania pary niskociśnieniowej.)

Para jest szeroko stosowana. Prawie w każdym zakładzie pracuje jedna lub więcej jednostek parowych. Rysunek 2 ilustruje niektóre z zastosowań w typowym zakładzie.

Rysunek 2.

Para wytwarzana w kotle może być przesyłana do odległych miejsc poprzez systemy rurociągów w celu realizacji wielu użytecznych zadań. Wyższe ciśnienie w kotle popycha parę tam, gdzie jest ona potrzebna, i chociaż w każdym systemie dystrybucji występują pewne straty, starannie zaprojektowany i zaizolowany system zminimalizuje te straty i dostarczy parę tam, gdzie jest ona przeznaczona do ogrzewania. W tym przypadku to samo utajone ciepło parowania staje się utajonym ciepłem kondensacji wykorzystywanym do ogrzewania powietrza, wody, naczyń do gotowania żywności, itp.

.