Pára – trocha teorie
Pára je jedním z nejpoužívanějších médií v řadě průmyslových odvětví.
Výroba, distribuce i spotřeba páry se stává stále významnější položkou v nákladech, a proto je nutné dbát na to, aby všechny části pracovaly efektivně. Je potřeba porozumět tomu, co se děje v potrubí, proč se rozlišují různé typy páry a jaké to má dopady na efektivitu provozu.
Žádný výrobce páry nechce mít v potrubí nebezpečné médium a žádný odběratel páry nechce platit za nekvalitní produkt.
Benefits
Endress+Hauser nabízí celý měřicí řetězec
-
Testovací zařízení ALICE pro inovace měřicích přístrojů
-
Moderní přístroje z nejširší diagnostikou na trhu
Máme vlastní testovací zařízení ALICE
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.
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.
Pára je prostě pára – opravdu?
Poznámka výše jasně ukazuje, že pára neexistuje pouze ve své syté podobě, resp. že „pára není prostě pára“, ale vždy záleží na konkrétních podmínkách.
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:
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.
Výrobce nebo odběratel – kde je pravda?
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“?
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.
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).
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.
Co tedy v potrubí proudí?
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.
Objevujte s námi tajemství páry v miniseriálu
V následujících článcích představíme naše řešení a postupně sestavíme celý měřící řetězec k dosažení optimálních výsledků měření:
Obr. 1: Testovací zařízení ALICE, Windisch, Švýcarsko
Obr. 2: Molliérův T/h diagram
Obr. 3: Představíme-li si konvičku s vodou na kávu jako parní kotel.
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
Obr. 5: Vznik vodního kladiva díky kondenzaci páry uvnitř potrubí.
Obr. 6: Měření mokré páry – pohled do potrubí
