В наших статьях мы рассмотрели множество явлений и процессов, в которых, так или иначе, пар принимает участие.
Но что же такое пар, и почему во многих процессах именно он является рабочей средой, мы подробно не говорили - пришло время это исправить!
Пар - бесцветный газ, который образован путем передачи воде энергии (тепла) в котлоагрегате.
Пар - высокоэффективный теплоноситель, который широко распространен практически во всех сферах промышленности: пищевая, легкая промышленность, фармацевтическая, большая энергетика и т.д., благодаря своим физическим свойствам.
Как образуется пар?
Рассмотрим процесс образования пара с помощью графика ниже на примере с кастрюлей
Всем известно, что вода превращается в лед при атмосферном давлении при 0°C - начало нашего отсчета (точка №1 на графике), а кипит при 100°C (точка №2 на графике).
Соответственно, для того, чтобы нагреть воду от 0 до 100°C необходимо...включить плиту и передать воде некоторое количество тепла.
Теплота, которая передается воде на отрезке 1-2, называется теплотой кипящей жидкости, и в нашем примере ее величина составит 419 кДж/кг
Что же происходит при дальнейшей передаче тепла воде в кастрюле?
Как видно из графика, при дальнейшем подводе тепла (участок 2-3) температура не изменяется. На что расходуется, потупающая энергия?
На фазовый переход из жидкого состояния в газообразное!
Полный переход в газообразное состояние произойдет в точке №3, а теплота, подведенная на участке 2-3, называется скрытой теплотой парообразования**.
Величина подведенной теплоты составит около 2257 кДж/кг.
Двигаясь из точки №3 в точку №4, видно, что температура значительно возрастает даже при незначительном подводе теплоты.
Подводимая на этом участке теплота называется теплотой перегрева.
Таким образом, на графике изображены следующие области:
- теплота кипящей жидкости (зеленая область)
- скрытая теплота парообразования (розовая область)
- теплота перегрева (коричневая область)
В нашем примере вода закипает при температуре 100 °C.
*Но всегда ли вода кипит при 100 °C?
Температура кипения воды (образования пара) зависит от давления воды. 
При 100 °C вода закипает только "в кастрюле", т.е. при атмосферном давлении 0 бар(и). При избыточном давлении, т.е. выше 0 бар(и), вода кипит при температуре выше 100 °C. При вакууме, т.е. при давлении ниже 0 бар(и), вода кипит при температуре ниже 100 °C.
Далее раскроем:
- что такое насыщенный и перегретый пар,
- почему в промышленной энергетике чаще используется именно насыщенный пар?
- преимущества насыщенного пара в сравнении с водой
Насыщенный пар – это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью того же состава.
Упрощенно: пар, имеющий температуру кипящей воды при заданном давлении.
На графике – это область между точками «2» и «3».
На этой линии при подводе теплоты происходит постепенный фазовый переход из жидкого состояния, когда в кастрюле находится 100% воды (точка 2), в газообразное, когда вся вода превратилась в пар (точка 3).
При этом степень сухости насыщенного пара в точке 2 равна 0%, а в точке 3 составит 100%.
Обычно под "насыщенным паром" упрощенно понимают насыщенный пар со степенью сухости 100%. Иначе явно указывают степень сухости пара в процентах или долях.
Например насыщенный пар со степенью сухости 80% означает, что это смесь пара и воды, в которой 80% по массе составляет пар и 20% воды.
Перегретый пар – это пар, имеющий температуру, превышающую температуру насыщения (кипения) при данном давлении.
Т.е. это пар в любой точке на графике, правее точки «3». В нашем случае с чайником – это пар с температурой больше 100 градусов Цельсия.
Почему же на большинстве промышленных предприятий применяется именно насыщенный пар?
Все дело в энергетическом эффекте и скрытой теплоте парообразования.
Из графика видно, что на линии 2-3 мы можем передать воде более 2000 единиц энергии. Это количество энергии называется "Скрытая теплота парообразования".
А "скрытая" она потому, что при увеличении количества подведенной теплоты, температура не изменяется ни на один градус.
Вся подводимая энергия расходуется на фазовый переход из жидкого состояния (вода) в газообразное (пар).
В тоже время, чтобы получить дополнительную тысячу единиц энергии на перегретом паре (а это в 2 раза меньше, чем в примере с насыщенном паре), температура повысится до 600°C.
Таким образом, применение перегретого пара является не целесообразным:
- при незначительном росте теплоэнергетического эффекта происходит значительное увеличение роста температур
- а высокие температуры, в свою очередь, требуют применения специальных дорогих материалов при изготовлении трубопроводов и арматуры
Когда же применяется перегретый пар?
Перегретый пар, как правило, применяется в случаях:
- когда необходимо нагреть продукт до очень высокой температуры, которой невозможно достичь насыщенным паром
- а так же, на промышленных предприятиях, где поставщиком пара служит стороннее предприятие большой энергетики, использующие пар для производства электроэнергии.
- в турбинах электрических станций
Насыщенный пар в большинстве отраслей промышленности используется для нагрева продукта, его сушки или увлажнения.
Какие преимущества насыщенного пара обуславливают его применение?
1. Как мы уже говорили, основное преимущество – более высокое теплосодержание в 1 кг, чем у воды. Это значит, что для выполнения одной и той же теплотехнической задачи, нам необходимо меньшее количество пара чем воды.
2. Лучшая теплопередача. Это значит, что мы можем прогревать продукт быстрее и при этом потребуется меньшая площадь теплообмена.
3. Легкое регулирование температуры. Как известно, у насыщенного пара есть зависимость температуры от давления, таким образом, изменяя давление – мы можем изменять температуру пара. Тем самым, осуществлять косвенное регулирование.
4. Пар легко транспортируется, имеет меньшую плотность нежели вода. При этом можно не учитывать гидростатическое давление
Вывод.
Пар, как теплоноситель, широко распространен во всех отраслях промышленности, а его распространение обусловлено его преимуществами: высокое теплосодержание, лучшая теплопередачи, простота в регулировании температуры и транспортировке.
Также стоит помнить, что тип пара (насыщенный или перегретый) влияет на выбор материалов и подбор оборудования.
Если у Вас остались вопросы, Вы можете обратиться к инженерам Wise Engineering за консультацией