Podgrzewanie produktów jest elementem niezbędnym dla wielu procesów przemysłowych i zastosowań. Bardzo często wymagana jest do tego wysoka temperatura między 100 °C i 250 °C. Para nasycona, czy para nieznacznie przegrzana, jest optymalnym nośnikiem ciepła charakteryzującym się wieloma zaletami:
Rozróżnia się następujące rodzaje pary:
Rodzaj pary
Cechy szczególne
Zastosowanie
Resztkowa wilgotność
Para mokra
Może powodować erozję w przewodach pary
–
> 3 %
Para nasycona/ wysokociśnieniowa
Najczęściej używany rodzaj pary
Ciepło technologiczne < ~230 °C
Teoretycznie: 0 Standard techn.: do 3 %
Para przegrzana
Mniejsze straty ciepła w przewodach pary
Turbiny parowe
0 % (temperatura pary > temperatura nasycenia)
Para niskociśnieniowa
Nie podlega dyrektywie ciśnieniowej, stąd mniej wymagań dotyczących montażu/eksploatacji źródeł pary niskociśnieniowej
Ciepło technologiczne < 110 °C, pralnie
0 ... 3 %
Para kulinarna
Używanie nielotnych środków chemicznych
Przemysł spożywczy
0 ... 1 %
Para czysta
Wytwarzana przez specjalne wytwornice pary czystej wykonane ze stali nierdzewnej w oparciu o parę nasyconą
Przemysł farmaceutyczny, szpitale
Para z rozprężenia
przy zmniejszeniu ciśnienia poniżej temperatury wrzenia gorącej wody
Akumulatory pary (celowo) / po rozprężeniu odmulin i odsolin (przymusowo)
0 ... 5 % (w akumulatorze pary)
Różnice między poszczególnymi rodzajami pary
Para na granicy między parą mokrą i przegrzaną jest nazywana parą nasyconą lub dla odróżnienia od pary mokrej, także „parą suchą nasyconą” lub „parą suchą”. Wartości podane w tablicach pary odnoszą się właśnie do tego stanu pary.
Informacje o Tablice wody i pary
W praktyce w obliczeniach dotyczących wymienników ciepła czy zapotrzebowania na parę do procesów termicznych prawie zawsze przyjmuje się parametry fizyczne pary nasyconej.
W rzeczywistości para nasycona występuje jednak tylko dokładnie na granicy pomiędzy stanem pary mokrej i przegrzanej. Przy minimalnym nawet oziębieniu przy tym samym ciśnieniu para przechodzi w stan pary mokrej, a przy minimalnym ogrzaniu w stan pary przegrzanej. Gdy jednak para znajduje się w stanie bliskim tej granicy, można przyjąć do obliczeń projektowych systemu parowego parametry fizyczne pary nasyconej.
Wykres stanu wody i pary w układzie entalpia-temperatura (wykres T-h) z opisami powierzchni w rozumieniu technicznym
Para mokra jest mieszanką wody w stanie ciekłym i gazowym. Para o bardzo małym udziale frakcji wodnej do ok. 3 % nadal uważana jest w technice za parę nasyconą. Para w takim stanie jest najczęściej używana w instalacjach przemysłowych do procesów technologicznych i produkcyjnych.
Już w momencie opuszczania kotła strumień pary porywa mikroskopijne kropelki wody kotłowej. Jest to tzw. wilgotność resztkowa pary, czyli frakcja ciekła (1 do 3 % całkowitej masy). Zawartość wilgotności resztkowej można ograniczyć do ok. 0,1 % instalując np. osuszacze pary na wylocie pary z kotła.
W technice parę o wilgotności resztkowej ≤ 3 % nadal uważa się za parę nasyconą, a nie za parę mokrą.
Wilgotność resztkowa określa udział masowy frakcji wodnej w całkowitej masie mieszanki wody i pary. Oprócz wilgotności resztkowej istnieje jeszcze pojęcie udziału frakcji parowej x, który odpowiada zawartości pary w mieszance wody i pary.
Wyraża się to wzorem: udział frakcji parowej = 100 % – wilgotność resztkowa
Przykład granicy wyznaczającej parę nasyconą w rozumieniu technicznym: 100 % – 3 % wilgotności resztkowej = 97 % udział frakcji parowej
Zdjęcie powyżej
Z powodu strat ciepła do otoczenia zachodzących we wszystkich przewodach parowych część pary ulega kondensacji, a więc rurociągiem zawsze płynie para wilgotniejsza, zawierająca niewielką frakcję wodną. Tę wodę trzeba usuwać instalując odwadniacze w regularnych odstępach na rurociągu, przed armaturami regulacyjnymi oraz pionowymi odcinkami przewodów.
Para mokra o bardzo małej zawartości frakcji parowej występuje np. przy wtórnym odparowaniu za odwadniaczem pływakowym. Należy przede wszystkim zauważyć, że przy wtórnym odparowaniu kondensat bardzo zwiększa swoją objętość, co trzeba uwzględnić w wymiarowaniu przewodów kondensatu.
Informacje o Przewody kondensatu
Gdy para nasycona jest dalej ogrzewana, to temperatura pary wzrasta przy stałym ciśnieniu. Mówi się wówczas o parze przegrzanej. Para przegrzana może być wytwarzana w kotłach płomienicowo-płomieniówkowych z dodatkowym modułem przegrzewacza. Para przegrzana może osiągać temperaturę ≤ 100 K powyżej temperatury pary nasyconej.
Para przegrzana może służyć jako energia napędowa dla turbiny gazowej lub być przesyłana do rozdzielaczy pary na duże odległości, ponieważ pomimo strat ciepła na rurociągu nie ulega jeszcze skropleniu.
Należy jednak zaznaczyć, że przenoszenie ciepła przez parę przegrzaną zanim ulegnie skropleniu jest mniejsze. Dlatego też para przegrzana nieco gorzej nadaje się do ogrzewania wymienników ciepła niż para nasycona.
Para o ciśnieniu p ≤ 0,5 bar (1,5 bara, 110 °C) jest nazywana parą niskociśnieniową. Para o ciśnieniu p > 0,5 bar jest nazywana parą wysokociśnieniową. Różnica wynika wyłącznie z przepisów dotyczących montażu i eksploatacji kotłowni parowych. Instalacje do wytwarzania pary wysokociśnieniowej podlegają szczególnym wymaganiom co do eksploatacji, montażu i nadzoru. Para niskociśnieniowa ma bardzo małą gęstość, dlatego rurociągi, armatury i przyrządy do pary niskoprężnej muszą mieć bardzo duże rozmiary. Stąd para niskociśnieniowa jest zazwyczaj używana w instalacjach o mniejszym zapotrzebowaniu na parę (do ok. 3 t/h) i wymagających przesyłu na małe odległości.
Informacje o Przewody wydmuchowe zaworów bezpieczeństwa
Para kulinarna odpowiada technologicznie parze nasyconej z tym dodatkowym wymogiem, że nie stosuje się lotnych środków chemicznych do alkalizacji i wiązania tlenu resztkowego.
Zastosowanie, jak sama jej nazwa wskazuje, znajduje w procesach przetwórstwa spożywczego na potrzeby ludzi i zwierząt. Może wchodzić w bezpośrednią styczność z artykułami spożywczymi (np. przy obieraniu ziemniaków).
Para czysta, a także para sterylna, jest wytwarzana w specjalnie do tego przeznaczonych wytwornicach wykonanych ze stali nierdzewnej, na bazie zwykłej pary nasyconej.
Para tego rodzaju jest używana tam, gdzie istnieją bardzo wysokie wymagania co do czystości pary, np. w szpitalach do sterylizacji narzędzi operacyjnych albo w przemyśle farmaceutycznym.
Para z rozprężenia powstaje w wielu miejscach kotłowni parowej i musi zostać odpowiednio uwzględniona.
Sytuacja taka występuje na przykład w przypadku rozprężacza odmulin czy otwartych zbiorników kondensatu, gdzie para wtórna oznacza stratę ciepła. Ciepło tracone z parą wtórną można w pewnym stopniu odzyskać stosując odpowiednie urządzenia do odzysku ciepła.
W przypadku akumulatorów pary proces wtórnego odparowania wrzącej wody jest wykorzystywany zupełnie świadomie dla krótkotrwałego wytworzenia bardzo dużej ilości pary.
Informacje o Odsalanie i odmulanie
Informacje o Moduł akumulacji pary
Para z rozprężenia/parowanie wtórne:
Gdy następuje zmniejszenie ciśnienia gorącej wody (w stanie ciekłym) poniżej ciśnienia wrzenia, część wody odparowuje i rozdziela się na fazę ciekłą i gazową. Temperatura wody i pary zmniejsza się przy tym do temperatury wrzenia odpowiadającej zastosowanemu ciśnieniu.
To zjawisko fizyczne nazywa się często parowaniem wtórnym.
Przykład:
Woda o temperaturze T = 195 °C zostaje rozprężona do ciśnienia p = 4 bar. Entalpia (energia) układu pozostaje przy rozprężeniu stała. Jednocześnie masa układu pozostaje również stała, bilans energii przyjmuje więc postać bilansu entalpii.
Energia w układzie przed rozprężeniem = energia w układzie po rozprężeniu
Równanie bilansowe przy rozprężeniu
h = (1 − x) ∙ h' + x ∙ h''
Obliczenie udziału masowego pary z rozprężenia
x
Udział masowy pary z rozprężenia [%]
h
Entalpia [kJ/kg]
h'
Entalpia wody wrzącej [kJ/kg]
h''
Entalpia pary nasyconej [kJ/kg]
r
Entalpia parowania [kJ/kg]
