Mai multe numere din Info-Tec au discutat despre elementele utilizate în sistemele de abur, cum ar fi supape, regulatoare, sifoane, comenzi etc. Acest Info-Tec se va ocupa de aburul propriu-zis. Înțelegerea aburului, a motivelor și a modului în care funcționează, va ajuta la înțelegerea dispozitivelor utilizate pentru controlul aburului.

Ce este aburul?

Vaporul este apa în stare gazoasă. Trebuie să se adauge suficientă căldură la apă pentru a ridica temperatura apei lichide la punctul de fierbere, iar apoi se adaugă mai multă căldură pentru a provoca o schimbare de stare în abur fără o creștere a temperaturii.

Cantitatea de căldură necesară pentru a ridica apa la temperatura de fierbere se numește căldură sensibilă. Cantitatea de căldură necesară pentru a schimba apa în abur se numește căldură latentă de vaporizare. Căldura latentă de vaporizare este exact aceeași cu „căldura latentă de condensare”. Acesta este principiul pe care îl utilizează sistemele cu abur. După cum vom vedea, această căldură latentă este principalul motiv pentru care aburul este utilizat ca mijloc de transfer de energie termică.

Pentru a ilustra căldura sensibilă și latentă, trebuie să ne amintim definiția unui BTU (British Thermal Unit), o măsură a unei cantități de căldură. Un BTU este definit ca fiind cantitatea de căldură necesară pentru a ridica o livră de apă cu un grad Fahrenheit.

Căldura sensibilă este căldura care poate fi ușor sesizată. Ea poate fi simțită, chiar „văzută” prin utilizarea unui termometru. Căldura latentă este căldura care este „acolo”, dar care nu este ușor perceptibilă.

Un experiment simplu demonstrează căldura sensibilă și latentă.

Figura 1 prezintă un pahar de sticlă care conține o livră de apă. Un termometru poate fi introdus în apă. Termometrul arată că apa este la o temperatură ambiantă de 70°F. Paharul cu apă este așezat deasupra unui arzător, iar arzătorul este pornit. Arzătorul mărește temperatura la 212°F. Acest lucru a necesitat 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Amintiți-vă definiția unui BTU.)

Figura 1.

Acești 142 BTU sunt căldură sensibilă. Putem „vedea” căldura adăugată la apă de către arzător, așa cum reiese din termometru. Am putea pune mâna în apă și să „simțim” căldura care a fost adăugată; să o „simțim”. (Nu este recomandabil.)

Continuarea adăugării de căldură va face ca apa să fiarbă, dar termometrul nu va merge mai sus! La presiunea atmosferică, acesta va rămâne la 212°F! Cum se poate întâmpla acest lucru? Arzătorul este încă pornit. Putem vedea că încă se adaugă căldură la apă. Unde se duce toată această căldură suplimentară?

Se duce pentru a provoca o schimbare de stare. Apa este transformată în abur. Această schimbare de stare necesită o cantitate mare de căldură, mult mai multă căldură decât cea necesară pentru a crește temperatura apei de la 70°F la 212°F. Sunt necesari 970 BTU în plus pentru a transforma un kilogram de apă în jumătate de kilogram de abur la presiunea atmosferică!

Nu putem „vedea” această căldură. Nu putem „simți” această căldură, dar ea este acolo. Este căldură „latentă”, căldură ascunsă. Termenul exact este „căldura latentă de vaporizare”.

Căldura latentă de vaporizare este exact același lucru cu căldura latentă de condensare. Adică; dacă condensăm livra de abur la 212°F înapoi într-o livră de apă la 212°F, trebuie să extragem 970 BTU din abur. Acesta este motivul pentru care aburul este utilizat pe scară atât de largă. Lira de abur care conține o cantitate mare de energie termică poate fi transportată rapid și ușor printr-un sistem de distribuție către locații îndepărtate, unde energia poate fi recuperată și pusă la lucru.

Temperatura de fierbere a apei nu este constantă. Variația presiunii apei poate modifica punctul de fierbere al acesteia. Acest lucru necesită un sistem închis, astfel încât presiunea să poată fi controlată. Astfel, apa poate fi fi fiartă la 50°F, să zicem, 500°F la fel de ușor ca la 212°F. Singurul lucru necesar este să se schimbe presiunea de deasupra apei la una corespunzătoare punctului de fierbere dorit.

Ca exemplu, dacă presiunea dintr-un cazan este ridicată la 52 psig. (67 psia.), apa va fierbe la 300°F. Invers, dacă presiunea ar fi coborâtă la un vid de 29,6 inci de mercur, apa va fierbe la 40°F.

Modificarea punctului de fierbere a apei prin variația presiunii are ca rezultat alte modificări ale proprietăților fizice. La presiune atmosferică, căldura latentă de vaporizare era de 970 BTU pe kilogram, dar la 100 psig, este de 889 BTU pe kilogram.

Tabele de vapori care arată proprietățile aburului sunt atașate. Tabelul 1 și tabelul 2 sunt în esență aceleași, diferența fiind că tabelul 1 este un tabel de temperatură în coloana 1, iar tabelul 2 este un tabel de presiune în coloana 1. Ele funcționează bine împreună, deoarece intrările orizontale din tabelul unu completează golurile din celălalt tabel.

Tabelul 1.

Tabelul 2.

Dacă ar fi necesar să se cunoască căldura latentă de vaporizare a aburului la 240°F, referindu-se la tabelul 1, nu arată o linie de 240°F. Intrările sunt 212°F sau 250°F. Utilizând tabelul 2, coloana 2, apare intrarea 240,07°F. (Aceasta arată că apa la 25 psia. fierbe la 240,07°F.) Căldura latentă apare ca 952,1 BTU pe livră, coloana 6.

Entalpie

Nicio discuție despre abur nu este completă fără a menționa entalpia. Entalpia este căldura totală. Entalpia este o proprietate a substanțelor care reprezintă o măsură a conținutului lor de căldură. Ea este convenabilă pentru a afla cantitatea de căldură necesară pentru anumite procese. Din tabelul 1, căldura totală a aburului la presiune atmosferică (0 psig. sau 14,696 psia) este de 1150,4 BTU per Lb. Acest total este alcătuit din două părți, căldura sensibilă și căldura latentă. Căldura sensibilă ridică temperatura apei de la 32°F la 212°F, 180,07 BTU per Lb. (Coloana 6). Căldura latentă de vaporizare a apei este la 212°F, 970,3 BTU per Lb. (Coloana 7). Suma este de 1150,4 BTU per Lb. (Coloana 8). Aceste informații pot fi folosite pentru a determina câtă căldură ar fi necesară pentru a transforma apa în abur la orice temperatură și presiune. De exemplu, ce cantitate de căldură este necesară pentru a transforma apa la 70°F în abur la 250°F? Din tabelul 1, linia 250°F, coloana 8, entalpia aburului este de 1164 BTU per Lb. Din coloana 6, linia 70°F, entalpia apei este de 38,04 BTU per Lb. 1164 reprezintă conținutul total de căldură al aburului, iar 38,04 reprezintă conținutul de căldură al apei la 70°F. Diferența, 1164 – 38,04, sau 1125,96 BTU per Lb. reprezintă cantitatea de căldură care trebuie adăugată la apa la 70°F pentru a o transforma în abur la 250°F.

Vapoare supraîncălzit

Ar trebui făcută o mențiune despre aburul supraîncălzit.

Este imposibil să supraîncălziți aburul în prezența apei, deoarece toată căldura furnizată nu va face decât să evapore apa. Așa cum am văzut în figura 1, temperatura apei va rămâne constantă până când toată apa se va fi evaporat. Aburul la aceeași temperatură ca și apa care fierbe este abur „saturat”. Aburul supraîncălzit este aburul la o temperatură mai mare decât cea a apei care fierbe la aceeași presiune. Aburul supraîncălzit este utilizat în principal la producerea de energie. Turbinele sunt mai eficiente, necesită mai puțină întreținere și durează mai mult timp când funcționează cu abur supraîncălzit. De obicei, în încălzirea industrială comercială și în lucrările de procesare, vom avea de-a face cu abur saturat.

(O paranteză interesantă în ceea ce privește aerul condiționat este faptul că toată umiditatea din aerul atmosferic există sub formă de abur supraîncălzit la presiune foarte scăzută. Sarcina de căldură latentă de desupraîncălzire a acestui abur poate cuprinde peste 50% din sarcina unui aparat de aer condiționat. La răcirea unui amestec de aer și abur supraîncălzit, aburul este de-supraîncălzit până când ajunge la un punct în care se condensează în apă. Acest punct se numește „punct de rouă”. De fapt, este temperatura de condensare a aburului de joasă presiune.)

Vaporul este utilizat pe scară largă. Aproape fiecare uzină va avea în funcțiune una sau mai multe unități de abur. Figura 2 ilustrează unele dintre utilizările într-o uzină tipică.

Figura 2.

Vaporul generat într-un cazan poate fi transferat în locații îndepărtate prin sisteme de conducte pentru a îndeplini multe sarcini utile. Presiunea mai mare din cazan împinge aburul acolo unde este necesar și, deși apar unele pierderi în orice sistem de distribuție, un sistem proiectat și izolat cu atenție va minimiza aceste pierderi și va livra aburul acolo unde este destinat să se încălzească. Aici, aceeași căldură latentă de vaporizare devine acum căldura latentă de condensare folosită pentru a încălzi aerul, apa, vasele de gătit alimente, etc.

.