Pára – trocha teorie

Společnost Endress+Hauser vyrobila ve spolupráci se švýcarskou univerzitou University of Applied Sciences and Arts, Windisch testovací zařízení ALICE, které nám pomohlo pochopit, co přesně se děje v potrubí s párou, jaké vlivy zde působí a jaké následky to může způsobit.

©Endress+Hauser

Je obecně známo, že voda existuje v těchto skupenstvích:

• Led

• Voda

• Voda/pára – dvoufázový stav nebo mokrá pára*

• Pára na mezi sytosti neboli pára se 100% suchostí

• Přehřátá pára – při konstantním tlaku dochází k dalšímu zahřívání syté páry bez přítomnosti kapaliny

* Poznámka: Mokrá pára s 1% suchostí a mokrá pára se 100% suchostí má stejný tlak a teplotu, to znamená, že znalost teploty a tlaku nám neříká absolutně nic o suchosti páry a tedy ani o množství energie v ní obsažené. Například pára s tlakem 10bar_absolutní a teplotou 179,9°C má při 1% suchosti pouze 20,153 kJ/kg a při 100% suchosti 2015,31 kJ/kg.

Poznámka výše jasně ukazuje, že pára neexistuje pouze ve své syté podobě, resp. že „pára není prostě pára“, ale vždy záleží na konkrétních podmínkách.

©Endress+Hauser

Výše uvedený diagram ukazuje průběh změny stavu vody/páry při zahřívání. Začneme-li zahřívat vodu (A), dosáhneme bodu varu (B), tj. nasycené vody, kdy lze hovořit o suchosti 0%. Přidáváním dalšího, tzv. latentního tepla (hfg) dochází k odpařování vody, jinými slovy další voda se přeměňuje na páru. Po odpaření veškeré vody (C) je suchost páry 100%. Dodáním dalšího tepla při zachování konstantního tlaku získáme přehřátou páru (D).

V ideálním světe je tedy situace jednoduchá. V běžném provozu ale vlastnosti páry ovlivňuje řada nedokonalostí, porušených izolací, ochlazování na ventilech, proudění apod.

Pro lepší představu lze použít jednoduchý příklad z běžného života, na kterém lze ilustrovat, že pára velmi rychle své vlastnosti mění. Představíme-li si konvičku s vodou na kávu jako parní kotel, může situace vypadat takto:

©Endress+Hauser

Na výstupu z kotle provozovaného v optimálních podmínkách lze získat 100% suchou, sytou páru. Jedná se ovšem o mezní stav, který lze přirovnat k chůzi na tenkém laně. V praxi tento stav netrvá příliš dlouho a vlastnosti páry se rychle mění.

Jistě namítnete, že se stále jedná o páru, ve které je velké množství tepla. Ano, to je samozřejmě pravda, ale budete s tímto tvrzením spokojeni také jako zákazníci, kteří platí za množství předaného tepla?
Opět si můžeme představit situaci, kterou dobře známe. Poměrně často se hovoří o „ředěném“ benzínu. Ano, stále se jedná o benzín, se kterým vůz spolehlivě pojede. Ale bude mít vyšší spotřebu a nedojede tedy stejně daleko. A takový produkt také nebudete chtít zaplatit, jako by se jednalo o kvalitní palivo.

Jako příklad můžeme použít sytou páru se 100% suchostí při tlaku 11bar_absolutní, která obsahuje 2000,3 kJ/kg latentního tepla. O co přicházíme „ředěním“?

©Endress+Hauser

• Suchost 97% = pouze 1940,3 kJ/kg tepla = -3% energie

• Suchost 93% = pouze 1860,3 kJ/kg tepla = -7% energie

• Suchost 90% = pouze 1800,3 kJ/kg tepla = -10% energie

A co výrobce páry? Zdá se, že situace je pro něj ekonomicky výhodnější. Ano, i s tímto tvrzením lze částečně souhlasit, ovšem je také nebezpečná. Mokrá pára obsahuje určité množství vody, které může vést např. ke vzniku vodního kladiva.

©Endress+Hauser

Následující obrázek ukazuje reálnou situaci v testovacím potrubí zařízení ALICE, kam je pro názornost uměle přidávána voda (kondenzát). Jak je vidět, suchá pára je „neviditelná“ (1). Přidaná voda (kondenzát) se v malém množství drží na dně potrubí (2) a s rostoucím množství stoupá po obvodu stěn (3).

©Endress+Hauser

Vodní kladivo dokáže poškodit infrastrukturu natolik, že může dojít až k nutnosti odstavení celého provozu. V extrémních případech může dojít až ke vzniku rozsáhlých škod na majetku a životech. Náklady jsou v těchto případech velmi vysoké a lze tedy konstatovat, že situace není výhodná ani pro výrobce páry. I pro výrobce je důležité vědět, že pára obsahuje kondenzát, aby mohl reagovat změnou v technologii, pokud je to možné a zamezit možným škodám.

Jak jsme si v předchozích odstavcích ukázali, kvalita páry je zásadní jak pro výrobce, tak také odběratele. Vývojáři společnosti Endress+Hauser se díky novému zkušebnímu zařízení ALICE zaměřili nejen na zlepšení přesnosti měření množství páry, ale především na měření kvality páry, resp. její suchosti.
Sytá pára se 100% suchostí se v systému prakticky nevyskytuje. V potrubí se velmi rychle mění její vlastnosti. Obvyklou chybou je domněnka, že se všude v potrubí vyskytuje sytá pára. Pravdou je, že se měří mokrá pára a je velmi důležité vědět, jak mokrá je.

V následujících článcích představíme naše řešení a postupně sestavíme celý měřící řetězec k dosažení optimálních výsledků měření:

1. Pára – trocha teorie

2. Měření průtoku jako základní veličiny pro zjištění množství energie

3. Tlak a teplota – zásadní veličiny pro přesné měření

4. Přepočítávací jednotky; aby měření mělo smysl

5. Závazkové vztahy aneb stanovené měření páry pro fakturační účely
   

6. Suchost páry – umíme ji změřit!

7. SWAS – kvalita páry se počítá