1. Podstawowe informacje na temat technologii wykorzystujących parę wodną

    

   1. Atrybuty pary

2.  

   1. Wykres fazowy wody

       

      Rysunek 1.1 przedstawia wykres fazowy wody przy ciśnieniu atmosferycznym. Stanowi on ilustrację treści omówionych w punkcie “Fazy wody”. Oś pozioma przedstawia entalpię właściwą, a oś pionowa temperaturę. Schemat stanów skupienia przedstawia zmianę temperatury i stanu skupienia w zależności od entalpii właściwej cząsteczek wody.

       

      

      Rysunek 1.1 Wykres fazowy dla wody przy ciśnieniu atmosferycznym.

      Powyższy rysunek przedstawia następujące pozycje: ciepło jawne (entalpia temperatury nasycenia, hrsquo;) zanim woda ogrzeje się do 100˚C z 0˚C, całą ilość ciepła, gdy cała woda nasycona zamieni się w parę (entalpia h”rdquo; pary nasyconej), oraz niezbędne ciepło utajone dla parowania (entalpia parowania r = h” – h’). Parę w stanie, w którym woda nasycona paruje, nazywamy parą nasyconą mokrą, a po wyparowaniu całej wody – parą nasyconą suchą. W miarę ogrzewania suchej nasyconej pary wodnej temperatura rośnie. Para o temperaturze znacznie wyższej niż temperatura nasycenia nazywana jest parą przegrzaną, a różnica temperatur pomiędzy parą przegrzaną a nasyconą nazywana jest przegrzaniem.

      Dalej entalpia wody określana jest jako 'ciepło jawne', entalpia parowania jako "ciepło utajone" ciepło zmagazynowane przez parę wodną jako ' ciepło utajone', natomiast ciepło pary wodnej to 'ciepło całkowite'

   2. Energia pary

       

      Jak już wspomnieliśmy, po wykorzystaniu do ogrzewania para wodna ulega kondensacji i traci swoje ciepło utajone. W tym punkcie temperatura jest taka sama jak pary wodnej. Ciepło utajone o tej właściwości to niezwykle użyteczna energia w procesach wymagających stabilnej obróbki cieplnej w stałej temperaturze, sterylizacji itp. Powodem, dla którego para wodna jest doskonałym nośnikiem energii, jest fakt, że jest to powszechnie występująca substancja, która może zmagazynować bardzo dużą ilość ciepła utajonego.

        W tabeli parametrów pary nasyconej można potwierdzić ilość zgromadzonego ciepła utajonego. Tabela 1.2 przedstawia wyciąg z danych z tabeli parametrów pary nasyconej. Na przykład w przypadku ciśnienia atmosferycznego (ciśnienie manometryczne 0,0 MPa) zawartość jest następująca (zaokrąglona do jednego miejsca po przecinku).

       

       

      Ciepło jawne wody nasyconej: ｈ’=419 kJ/kg
      Ciepło całkowite pary: ｈ”=2676 kJ/kg
      Ciepło utajone: r=ｈ”－ｈ’=2257 kJ/kg

       

      Zatem:

       

      udział w cieple całkowitym pary wodnej) =2,257/2,676=0,8434≒84%

      (ilość ciepła utajonego zatrzymanego przez parę wodną w odniesieniu do ciepła jawnego) =2,257/419=5,3866≒5,39

      Dlatego też w przypadku pary wodnej pod ciśnieniem atmosferycznym 84% ciepła całkowitego to ciepło utajone, innymi słowy, jej ciepło utajone jest 5,39 razy większe od ciepła jawnego.

      W tabeli 1.1 przedstawiono porównanie właściwości termodynamicznych wody, amoniaku, metanolu i etanolu. Widać, że udział ciepła utajonego w przypadku wody jest stosunkowo duży.

       

      Tabela 1.1 Właściwości termodynamiczne powszechnie występujących substancji pod ciśnieniem atmosferycznym

      Substancja	Punkt topnienia (℃)	Punkt wrzenia (℃)	Ciepło topnienia (kJ/kg)	Ciepło utajone (kJ/kg)
      Woda	0	100	333.5	2,257
      Amoniak	-77.8	-33.4	338	1,371
      Metanol	-97.7	64.7	99.2	1,190
      Etanol	-114.1	78.6	109	855

       

      Gdy ciśnienie rośnie, do osiągnięcia nasycenia potrzebna jest większa moc cieplna, a temperatura również wzrasta bez przemiany fazowej. Innymi słowy, wzrasta zarówno ciepło jawne, jak i temperatura nasycenia. Na rysunku 1.2 przedstawiono tę zależność w postaci krzywej ciśnienia pary nasyconej. Na tej krzywej zarówno woda, jak i para mogą współistnieć w tej samej temperaturze nasycenia. Poniżej krzywej znajduje się woda, która nie osiągnęła jeszcze temperatury nasycenia, a powyżej – para przegrzana.

       

      

      Rysunek 1.2 Krzywa ciśnienia pary nasyconej

      Jak zmienia się pojemność cieplna pary nasyconej i wody nasyconej wraz ze wzrostem ciśnienia? Na rysunku 1.3 zamieszczono diagram przedstawiający tę zależność. Na tym diagramie uwidoczniono następujące fakty.

      1. Ciepło jawne wody nasyconej rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia wody.

      2. Ciepło utajone pary maleje wraz ze wzrostem ciśnienia.

      Ciepło całkowite pary (suma “1. ciepła jawnego” i “2. ciepła utajonego”) jest prawie stałe w porównaniu z jego składowymi, choć nieznacznie wzrasta w zakresie niskich ciśnień. (Jednak od około 3,2 MPa przeciwnie, maleje, a ciepło utajone osiąga wartość zero po osiągnięciu punktu krytycznego).

       

      

       

       

       

      Rysunek 1.3 Zależność między ilością ciepła a ciśnieniem dla pary i wody nasyconej

       

      Należy podkreślić, że ciepło utajone potrzebne do parowania maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Oznacza to, że im wyższe ciśnienie pary, tym mniejsza ilość ciepła utajonego jest dostępna. Na przykład jak przedstawiono w tabeli parametrów pary nasyconej (tabeli 1.2), ciepło utajone dla ciśnień 0,5 MPa i 1,0 MPa, r wynosi odpowiednio 2085 kJ/kg i 1998 kJ/kg. Tak więc ciepło utajone przy 1,0 MPa jest niższe niż przy 0,5 MPa i oba są niższe od ciepła utajonego dla ciśnienia atmosferycznego (0,0 MPa), czyli 2257 kJ/kg.

      Na rysunku 1.4 przedstawiono zależności pomiędzy objętością właściwą pary a ciśnieniem pary. Jak widać na rysunku, objętość właściwa spada wraz ze wzrostem ciśnienia, szybciej w zakresie niskich ciśnień i wolniej wraz ze wzrostem ciśnienia. Im wyższe ciśnienie, tym mniejsze ciepło utajone na jednostkę masy (1 kg), a także tym mniejsza objętość, co powoduje wzrost ciepła utajonego na jednostkę objętości (1 m3). Dlatego też dzięki zwiększeniu ciśnienia pary możliwe jest przenoszenie większej ilości energii w parowym przewodzie głównym o stosunkowo niewielkich rozmiarach. Jest to jedno z ważnych zagadnień, jakie należy uwzględnić przy projektowaniu systemów rurociągów parowych.

       

      

      Rysunek 1.4 Zależność między ciśnieniem pary a objętością właściwą

       

      Tabela 1.2 Tabela parametrów pary nasyconej (na bazie ciśnienia manometrycznego)

      Ciśnienie manometryczne (MPa)	Temperatura nasycenia (℃)	Objętość właściwa (m3/kg)		Gęstość (kg/m3)	Ciepło utajone (kJ/kg)
      		Woda nasycona	Para nasycona		Ciepło jawne	Łącznie	Ciepło utajone
      		v’	v”		h’	h”	ｒ=h”-h’
      0.0	100.00	0.0010437	1.67300	0.5977	419.06	2676.0	2256.9
      0.1	120.44	0.0010610	0.87999	1.1364	505.58	2706.6	2201.0
      0.5	158.93	0.0011096	0.31482	3.1764	670.79	2755.6	2084.7
      1.0	184.12	0.0011331	0.17718	5.6440	781.36	2779.7	1998.3

   3. Stopień suchości

       

      Para jest wytwarzana w kotle przemysłowym, a następnie transportowana do dowolnego miejsca, w którym jest wykorzystywana. Wytworzenie w kotle przemysłowym pary suchej w 100% jest prawie niemożliwe, dlatego para przemysłowa zawsze zawiera kilka kropelek wody. Para zawierająca wodę w stanie ciekłym to para wilgotna. Jednak w większości zastosowań związanych z parą konieczna jest para w 100% sucha. Ułamek pary wilgotnej, która w rzeczywistości jest parą, a nie wodą, nazywany jest ‘stopniem suchości’ lub po prostu ‘ suchością’. Im większy stopień suchości, tym lepsza jakość pary.

       

      Stopień suchości (χ) to stosunek masy pary suchej do całej masy pary wilgotnej. Na przykład stopień suchości wynosi 0,95, gdy para zawiera 5% wody. Ponadto (1-χ) nazywamy frakcją mokrą. Stopień suchości pary na wylocie z typowego kotła to zwykle od 0,95 do 0,98. Ilość ciepła (entalpię właściwą, h), jaką zawiera mokra para nasycona, można opisać za pomocą następującego wzoru z symbolami przedstawionymi na rysunku 1.1.

      h＝（1－χ）h’＋χh”＝h’＋χr

   4. Para rozprężna

       

      Określenie “para rozprężna” jest zwykle stosowane na parę wodną wydobywającą się z odpowietrzników odbiorników kondensatu i otwartych przewodów odprowadzających kondensat po odwadniaczach. Dlaczego para wodna powstaje bez dodawania ciepła? Para rozprężna powstaje, gdy obniżamy ciśnienie wody o stosunkowo wysokiej temperaturze do tego stopnia, że temperatura nasycenia dla nowego ciśnienia wody jest niższa od temperatury pierwotnej wody.

       

      Gdy tylko temperatura nasycenia wody spadnie poniżej jej temperatury rzeczywistej, część wody zaczyna parować. Poniżej przedstawiono przykład kondensatu przechodzącego przez odwadniacz. Temperatura po stronie pierwotnej jest prawie zawsze wystarczająco wysoka, aby mogła pojawić się para rozprężna.

       

      

       

      Rysunek 1.5　Wytwarzanie pary rozprężnej

       

      Na rysunku 1.5 ciśnienie po stronie pierwotnej odwadniacza wynosi 0,5 MPa (co oznacza temperaturę nasycenia około 159°C – założona w przykładzie temperatura wody), a kondensat (dla wygody przyjęto w poniższych obliczeniach wartość 1 kg) odprowadzany jest do otwartego do atmosfery przewodu kondensatu.

       

      Jak pokazano w tabeli 1.2, ciepło jawne dla 1 kg kondensatu w temperaturze nasycenia 0,5 MPa wynosi 671 kJ. Z pierwszego prawa termodynamiki wynika, że całkowita pojemność cieplna cieczy jest równa po stronie wysokiego i niskiego ciśnienia odwadniacza, co zasadniczo jest zgodne z prawem zachowania energii (straty ciepła wynikające z rozpraszania ciepła i oporów przepływu w odwadniaczu są pomijane). Dlatego 1 kg wody przepływającej na stronę niskiego ciśnienia będzie miał pojemność cieplną 671 kJ. Jednak wartość ciepła jawnego dla wody o ciśnieniu 0 MPa i temperaturze nasycenia (100°C) to tylko 419 kJ, co oznacza, że istnieje nierównowaga 671-419=252 kJ. Z perspektywy wody jest to nadwyżka ciepła, ale ta nadwyżka ciepła staje się ciepłem utajonym i powoduje zagotowanie części kondensatu, zamieniając go w parę. Para ta nazywana jest parą rozprężną, a sam proces – rozprężaniem.

      Dlatego 1 kg kondensatu, który istnieje jako ciecz po stronie wysokiego ciśnienia w odwadniaczu, będzie istnieć jako ciecz i częściowo jako para po stronie niskiego ciśnienia.

       

      Ilość wytworzonej pary rozprężnej można obliczyć według następującego wzoru.

       

      

       

      Zatem ilość pary rozprężnej powstałej na 1 kg kondensatu wynosi 0,11 kg.

      Frakcja pary rozprężnej powstająca przy obniżaniu ciśnienia to stosunek nadwyżki ciepła do ciepła utajonego przy ciśnieniu końcowym.

       

      Należy podkreślić, że para rozprężna to nie tylko zjawisko, które występuje naturalnie w układzie pary, ale również efekt, który jest celowo wykorzystywany i obliczany w celu zmaksymalizowania efektywności wykorzystania pary. Typowym urządzeniem do stosowania pary rozprężnej jest zbiornik rozprężny.

   5. Inne właściwości

       

      Jak opisano powyżej, powodem, dla którego para wodna jest szeroko stosowana jako nośnik energii, jest fakt, że jej względna ilość ciepła utajonego jest duża, a wody jest na Ziemi pod dostatkiem i jest ona ekonomiczna. Warto również wziąć pod uwagę poniższe kwestie.

       
      • Jest nieszkodliwa dla ludzi z punktu widzenia wpływu na środowisko.
      • Nie ma właściwości żrących, jest niepalna i jest stabilna pod względem chemicznym.
      • W porównaniu z innymi nośnikami ciepła charakteryzuje się równomiernym ogrzewaniem.
      • Temperaturę nasycenia można regulować poprzez zmianę ciśnienia roboczego. Wymaganą temperaturę ogrzewania można więc zapewnić poprzez regulację ciśnienia.
      • Ponieważ różnica objętości właściwej między parą a kondensatem jest znaczna, nowa para jest dostarczana natychmiast po skropleniu się pary.
       

      W poniższych punktach przedstawiono problemy związane z używaniem pary.

      • O ile system parowy nie został zaprojektowany i utrzymywany z myślą o tym, aby nie zawierał powietrza (co wymaga wiele wysiłku), mieszanie się powietrza i (jeśli dotyczy) innych gazów z parą jest nieuniknione. Mieszanie takie znacznie obniża sprawność przekazywania ciepła.
      • Woda używana do wytwarzania pary nigdy nie jest czysta. Zawsze zawiera ona różne zanieczyszczenia, które mogą być przyczyną różnych problemów z wytwarzaniem pary lub jej jakością. Ponieważ woda nieprzetworzona używana do wytwarzania pary nie jest czysta, rozpuszczone są w niej zanieczyszczenia powodujące utlenianie i korozję, których nie można całkowicie usunąć w procesie wytwarzania pary.

 

W zależności od lokalizacji odwadniacza konieczne może być zastosowanie środków zapobiegających zamarzaniu, ponieważ temperatura zamarzania wody wynosi 0°C.