Podstawowe informacje na temat pary: para nasycona (sucha) i nienasycona (mokra)
Czym różni się para nasycona (sucha) od nienasyconej (mokrej)? Jakie korzyści zapewnia każdy z tych rodzajów pary i do jakich zastosowań jest przeznaczony?
Istnieją różne rodzaje pary, m.in. nasycona, nienasycona, sucha, mokra, impulsowa, nadkrytyczna i przegrzana. Ale czy o wyborze tego właściwego decyduje zastosowanie?
Właściwości pary zależą od jej objętości, ciśnienia i temperatury. Oznacza to, że w celu określenia wymaganego rodzaju pary trzeba znać specyfikę zastosowania.
Przyjrzyjmy się poszczególnym rodzajom pary oraz ich zaletom i wadom.
Para nasycona (sucha)
Parę nasyconą (suchą) uzyskuje się, gdy wszystkie cząsteczki wody pozostają w stanie gazowym. Przyjrzyjmy się czajnikowi z gwizdkiem. Para nie wydostaje się z niego swobodnie, ponieważ odpowiednio kontrolowane jest ciśnienie. Mgiełka, która wydobywa się z czajnika, to właśnie para sucha.
Para sucha traci część energii po uwolnieniu do chłodniejszej atmosfery. Przenosi ona tę energię do powietrza w otoczeniu, co skutkuje jej kondensacją, objawiającą się w postaci mgiełki. Innymi słowy, parę suchą wytwarza się, podgrzewając wodę w zamkniętej komorze.
Ciśnienie ma wtedy wartość, przy której temperatura pary jest bliska temperaturze wrzenia.
Para nienasycona (mokra)
Para nienasycona (mokra) powstaje, gdy po podgrzaniu wody jej drobne krople trafiają do pary. Wskutek podgrzania wody przez kocioł parowy na jej powierzchni pojawiają się pęcherzyki. Dlatego powstająca para zawiera ciecz. W związku z obecnością tej cieczy para jest częściowo mokra, czemu można zaradzić jedynie poprzez użycie przegrzewacza. Nawet najlepsze kotły parowe wytwarzają parę o wilgotności 3–5%.
Wpływ ciśnienia i temperatury na wodę i parę
Zasadniczo istnieje ścisła zależność między parą a ciśnieniem i temperaturą.
- Im wyższe ciśnienie w kotle, tym więcej energii potrzeba do wytworzenia pary.
- Gdy rośnie ciśnienie, para powstaje w wyższych temperaturach. Taka para o wyższej temperaturze zawiera więcej energii w przeliczeniu na kilogram.
- Wyjątek od tej reguły stanowi para przegrzana.
Tutaj widać, jaki stan skupienia (ciekły czy gazowy) będzie miała woda przy określonej wartości temperatury i ciśnienia. Przy ciśnieniu 1 bara (normalne ciśnienie atmosferyczne) woda zamarza w temperaturze 0°C (32°F) i wrze w temperaturze 100°C (212°F). Gdy ciśnienie ma wartość 2 barów, temperatura zamarzania wody jest niższa, a temperatura wrzenia — wyższa.
Tabela zawierająca orientacyjne dane dotyczące pary przegrzanej
Każdy, kto ma styczność z parą, potrzebuje odpowiedniej tabeli danych. Tabela ta jest równie niezbędna jak rozkład jazdy pociągów czy nawigacja GPS. Pozwala określić temperaturę przy danej wartości ciśnienia lub ciśnienie przy danej wartości temperatury.
To cenne źródło informacji zawiera także dane dotyczące entalpii i objętości. Entalpia to ilość energii zawartej w 1 kg pary. Oblicza się ją, przyjmując sumę entalpii dla obu stanów skupienia — ciekłego i gazowego.
W tej tabeli przedstawiono zależność między ciśnieniem a temperaturą, przydatną przy określaniu warunków pozwalających uzyskać z wody parę przegrzaną
Stopień suchości pary
Jak wspomniano powyżej, uzyskanie pary w 100% suchej za pomocą kotła parowego jest praktycznie niemożliwe. Suchość wytwarzanej pary określa się, obliczając tzw. stopień suchości.
Para zawierająca 5% wody jest w 95% sucha i ma stopień suchości 0,95.
Stopień suchości pary wpływa bezpośrednio na całkowitą ilość przekazywanej energii, od której z kolei zależy jakość i efektywność wytwarzania ciepła.
Pamiętasz, jaka jest różnica między ciepłem utajonym a ciepłem jawnym? Para w 100% sucha zawiera również 100% dostępnego ciepła utajonego (przy określonym ciśnieniu). Woda nasycona o suchości 0% zawiera jedynie ciepło jawne.
Jeśli chcesz przypomnieć sobie informacje o cieple utajonym i jawnym, przeczytaj ten artykuł.
Czy wiesz, że parę można podgrzać do temperatury powyżej punktu wrzenia i uzyskać w ten sposób parę przegrzaną?
W przypadku pary przegrzanej, w przeciwieństwie do pary nasyconej, nie istnieje bezpośrednia zależność między temperaturą a ciśnieniem. Oznacza to, że para taka może występować w szerokim zakresie temperatur. Do zastosowań grzewczych lepiej nadaje się para nasycona, a do wytwarzania energii lub użytku w turbinach — para przegrzana.
Mało kto wie, że suchość pary może mieć wartość powyżej 100%. Parę taką nazywa się parą przegrzaną. Nadaje się ona idealnie do wytwarzania energii lub użytku w turbinach. Z kolei w zastosowaniach grzewczych lepiej sprawdza się para nasycona (sucha).
Dlaczego para nasycona (sucha) jest doskonałym źródłem ciepła?
- Szybkie i równomierne nagrzewanie wpływa pozytywnie na jakość produktów i ogólną wydajność.
- Temperatura zależy od ciśnienia, co pozwala szybko osiągnąć precyzyjnie określoną temperaturę.
- Wysoki współczynnik przenikania ciepła oznacza, że wymagana jest mniejsza powierzchnia grzewcza, czego wynikiem są zmniejszone początkowe wydatki na sprzęt.
- Para powstaje z wody, w związku z czym jest bezpieczna, czysta i niedroga.
Jak jednak wiadomo, para nie jest w 100% sucha. Wypromieniowywanie energii cieplnej powoduje kondensację części pary, wskutek czego jeszcze bardziej rośnie wilgotność pary mokrej, a dodatkowo skrapla się woda. Niezbędna jest zatem właściwa kontrola i konserwacja, z użyciem odpowiedniego sprzętu (i określonych akcesoriów). W przeciwnym razie mogą wystąpić problemy:
- Spadnie efektywność przenikania ciepła.
- Dojdzie do korozji orurowania i wyposażenia o krytycznym znaczeniu.
Co to jest współczynnik przenikania ciepła?
Współczynnik przenikania ciepła pozwala obliczyć skuteczność przenikania ciepła. Jak napisaliśmy wcześniej, wysoki współczynnik przenikania ciepła wymaga niewielkiej powierzchni grzewczej, czego wynikiem są zmniejszone początkowe wydatki na sprzęt. Ponieważ przy powstawaniu pary nasyconej odparowuje więcej wody, para ta pochłania więcej ciepła utajonego. W rezultacie w tej samej masie zawiera się więcej ciepła, co oznacza, że para może wykonać większą pracę.
Jaka jest różnica między parą nasyconą (suchą) a nienasyconą (mokrą)?
Para sucha (nasycona) nie zawiera drobnych kropli wody i powstaje na skutek podgrzewania wody w zamkniętej komorze. Para mokra (nienasycona) zawiera takie krople. Pierwsza doskonale nadaje się do zastosowań grzewczych, a drugą trzeba odpowiednio kontrolować, aby nie doszło do korozji lub spadku efektywności przenikania ciepła.
Co to jest stopień suchości?
To parametr określający rzeczywistą suchość pary. Ma on wpływ na zdolność grzewczą pary.