I många nummer av Info-Tec har vi diskuterat produkter som används i ångsystem, t.ex. ventiler, regulatorer, avskiljare, kontroller osv. Denna Info-Tec kommer att behandla själva ångan. Genom att förstå ångan, varför och hur den fungerar, kan man förstå de anordningar som används för att styra ångan.

Vad är egentligen ånga?

Dampa är vatten i gasformigt tillstånd. Det måste tillföras tillräckligt med värme till vattnet för att höja det flytande vattnets temperatur till kokpunkten, och sedan tillförs mer värme för att orsaka en förändring av tillståndet till ånga utan att temperaturen ökar.

Den värmemängd som krävs för att höja vattnet till kokpunkt kallas för känslig värme. Den värmemängd som krävs för att ändra vattnet till ånga kallas latent förångningsvärme. Den latenta förångningsvärmen är exakt samma sak som den ”latenta kondensationsvärmen”. Detta är den princip som ångsystem utnyttjar. Som vi kommer att se är denna latenta värme den främsta anledningen till att ånga används som ett medium för överföring av värmeenergi.

För att illustrera känslig och latent värme måste vi erinra oss definitionen av en BTU (British Thermal Unit), ett mått på en mängd värme. En BTU definieras som den mängd värme som behövs för att höja ett pund vatten med en grad Fahrenheit.

Sensibel värme är värme som lätt kan kännas. Den kan kännas och till och med ”ses” med hjälp av en termometer. Latent värme är värme som är ”där” men som inte är lätt att uppfatta.

Ett enkelt experiment visar känslig och latent värme.

Figur 1 visar en glasbägare som innehåller ett pund vatten. En termometer kan sättas i vattnet. Termometern visar att vattnet har en rumstemperatur på 70°F. Bägaren med vatten placeras över en brännare och brännaren sätts på. Brännaren höjer temperaturen på det lilla pundet vatten till 212°F. Detta krävde 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Kom ihåg definitionen av en BTU.)

Figur 1.

Dessa 142 BTU är känslig värme. Vi kan ”se” den värme som brännaren tillför vattnet, vilket framgår av termometern. Vi kan sätta vår hand i vattnet och ”känna” den värme som har tillförts; ”känna” den. (Det är inte tillrådligt.)

Den fortsatta tillförseln av värme kommer att få vattnet att koka, men termometern kommer inte att stiga högre! Vid atmosfäriskt tryck kommer den att stanna på 212°F! Hur kan detta vara möjligt? Brännaren är fortfarande på. Vi kan se att det fortfarande tillförs värme till vattnet. Vart tar all denna extra värme vägen?

Den går till att orsaka en tillståndsförändring. Vattnet omvandlas till ånga. Denna tillståndsförändring kräver en stor mängd värme, mycket mer värme än den som behövs för att höja vattnets temperatur från 70°F till 212°F. Det krävs ytterligare 970 BTU för att omvandla ett pund vatten till ett pund ånga vid atmosfäriskt tryck!

Vi kan inte ”se” denna värme. Vi kan inte ”känna” denna värme, men den finns där. Det är ”latent” värme, dold värme. Den exakta termen är ”latent förångningsvärme”.

Latent förångningsvärme är exakt samma sak som latent kondensationsvärme. Det vill säga; om vi kondenserar ett pund ånga vid 212°F tillbaka till ett pund vatten vid 212°F måste vi utvinna 970 BTU från ångan. Detta är anledningen till att ånga används i så stor utsträckning. Det pund ånga som innehåller en stor mängd värmeenergi kan snabbt och enkelt transporteras med hjälp av ett distributionssystem till avlägsna platser där energin kan återvinnas och användas på ett användbart sätt.

Vattens kokpunktstemperatur är inte konstant. Genom att variera vattnets tryck kan vattnets kokpunkt ändras. Detta kräver ett slutet system så att trycket kan kontrolleras. Vatten kan då kokas vid 50°F, till säg 500°F lika lätt som vid 212°F. Det enda som krävs är att ändra trycket över vattnet till ett tryck som motsvarar den önskade kokpunkten.

Som exempel kan nämnas att om trycket i en panna höjs till 52 psig. (67 psia.), kommer vattnet att koka vid 300°F. Omvänt, om trycket sänktes till ett vakuum på 29,6 tum kvicksilver, skulle vattnet koka vid 40°F.

Förändring av vattnets kokpunkt genom att variera trycket resulterar i andra fysiska egenskapsförändringar. Vid atmosfäriskt tryck var den latenta förångningsvärmen 970 BTU per pund, men vid 100 psig är den 889 BTU per pund.

Damptabeller som visar ångans egenskaper bifogas. Tabell 1 och tabell 2 är i princip identiska, skillnaden är att tabell 1 är en temperaturtabell i kolumn 1, tabell 2 är en trycktabell i kolumn 1. De fungerar bra tillsammans, eftersom horisontella poster i den ena tabellen fyller luckorna i den andra tabellen.

Tabell 1.

Tabell 2.

Om den latenta förångningsvärmen för ånga vid 240°F behövde vara känd, med hänvisning till tabell 1, visar ingen 240°F linje. Posterna är 212°F eller 250°F. Med hjälp av tabell 2, kolumn 2, visas posten 240,07°F. (Detta visar att vatten vid 25 psia kokar vid 240,07°F.) Den latenta värmen visas som 952,1 BTU per pund, kolumn 6.

Enthalpi

Ingen diskussion om ånga är fullständig utan att nämna entalpi. Entalpi är den totala värmen. Entalpi är en egenskap hos ämnen som är ett mått på deras värmeinnehåll. Det är praktiskt för att hitta den mängd värme som behövs för vissa processer. I tabell 1 anges ångans totala värme vid atmosfäriskt tryck (0 psig. eller 14,696 psia) till 1150,4 BTU per Lb. Denna totala mängd består av två delar, känslig och latent värme. Den känsliga värmen höjer vattnets temperatur från 32°F till 212°F, 180,07 BTU per liter. (kolumn 6). Den latenta värmen för vattnets förångning är vid 212°F, 970,3 BTU per Lb. (kolumn 7). Summan är 1150,4 BTU per liter. (kolumn 8). Denna information kan användas för att bestämma hur mycket värme som krävs för att omvandla vatten till ånga vid vilken temperatur och vilket tryck som helst. Vilken mängd värme krävs t.ex. för att omvandla vatten vid 70°F till ånga vid 250°F? I tabell 1, rad 250°F, kolumn 8, är ångans entalpi 1164 BTU per Lb. Från kolumn 6, rad 70°F, är vattnets entalpi 38,04 BTU per liter. 1164 är ångans totala värmeinnehåll och 38,04 är vattnets värmeinnehåll vid 70°F. Skillnaden, 1164 – 38,04, eller 1125,96 BTU per Lb. är den värmemängd som måste tillföras vattnet vid 70°F för att omvandla det till ånga vid 250°F.

Överhettad ånga

Det bör nämnas en del om överhettad ånga.

Det är omöjligt att överhetta ånga i närvaro av vatten, eftersom all tillförd värme bara kommer att förånga vattnet. Som vi såg i figur 1 kommer vattnets temperatur att vara konstant tills allt vatten har kokat bort. Ånga med samma temperatur som det kokande vattnet är ”mättad” ånga. Överhettad ånga är ånga med högre temperatur än kokande vatten under samma tryck. Överhettad ånga används främst vid elproduktion. Turbiner är effektivare, kräver mindre underhåll och håller längre om de drivs med överhettad ånga. Vid kommersiell industriell uppvärmning och processarbete har vi vanligtvis att göra med mättad ånga.

(Ett intressant sidospår när det gäller luftkonditionering är det faktum att all fukt i atmosfärisk luft existerar som överhettad ånga vid mycket lågt tryck. Den latenta värmebelastningen från avsuperhettning av denna ånga kan utgöra mer än 50 % av en luftkonditioneringsanläggnings belastning. Vid kylning av en blandning av luft och överhettad ånga avsuperhettas ångan tills den når en punkt där den kondenserar till vatten. Denna punkt kallas ”daggpunkt”. Egentligen är det kondenseringstemperaturen för lågtrycksånga.)

Dammet används i stor utsträckning. Nästan varje anläggning kommer att ha en eller flera ånganläggningar i drift. Figur 2 illustrerar några av användningsområdena i en typisk anläggning.

Figur 2.

Den ånga som genereras i en panna kan överföras till avlägsna platser genom rörsystem för att utföra många användbara uppgifter. Det högre trycket i pannan pressar ångan dit den behövs, och även om vissa förluster uppstår i alla distributionssystem, kommer ett noggrant utformat och isolerat system att minimera detta slöseri och leverera ångan dit den är avsedd att värma. Här blir samma latenta förångningsvärme nu den latenta kondensationsvärme som används för att värma luft, vatten, matlagningskärl osv.