Pára – trocha teorie

Zahajujeme seriál článků společnosti Endress+Hauser o průmyslovém využití páry, jenž je určen odborníkům, kteří v energetických a teplárenských provozech projektují nebo zajišťují provoz kotlů, nádrží a potrubních systémů, v nichž proudí pára. Seriál bude uveřejňován současně také na www.automa.cz.

Pára je jedním z nejpoužívanějších médií v mnoha průmyslových odvětvích. Výroba, distribuce i spotřeba páry se stávají stále významnějšími položkami v nákladech, a proto je nutné dbát na to, aby všechny části pracovaly efektivně. Je třeba 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.

Testovací zařízení ALICE

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

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.

Pára je prostě pára – opravdu?

Předcházející poznámka ozřejmuje, že pára neexistuje pouze v syté podobě, resp. že „pára není prostě pára“, ale vždy záleží na konkrétních podmínkách.

Diagram na obr. 2 ukazuje průběh změny stavu vody/páry při zahřívání. Začne-li se voda zahřívat (A), dosáhne se bodu varu (B), tj. nasycené vody, kdy lze hovořit o suchosti 0 %. Přidáváním dalšího, tzv. latentního tepla (h_fg) 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 se získá přehřátá pára (D).

V ideálním světě je tedy situace jednoduchá. V běžném provozu ale vlastnosti páry ovlivňuje mnoho nedokonalostí, porušených izolací, ochlazování ve ventilech, proudění apod.

Pro lepší představu lze použít jednoduchý příklad z běžného života, na kterém je možné ilustrovat, že pára mění své vlastnosti velmi rychle. Při představě konvičky s vodou na kávu jako parního kotle může situace vypadat tak, jak ukazuje obr. 3.

Na výstupu z kotle provozovaného v optimálních podmínkách lze získat 100% suchou, sytou páru. Jde 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 lze namítnout, že stále jde o páru, ve které je velké množství tepla. Ano, to je pravda, ale budou s tímto tvrzením spokojeni zákazníci, kteří platí za množství předaného tepla?

Opět je možné si představit dobře známou situaci: poměrně často se hovoří o „ředěném“ benzinu. Stále jde o benzin, se kterým vůz spolehlivě pojede. Ale bude mít vyšší spotřebu, a nedojede proto stejně daleko. A takový produkt také nebude zákazník chtít zaplatit, jako by šlo o kvalitní palivo.

Na obr. 4 je patrné, o kolik tepla se přichází snižováním suchosti páry. Sytá pára se suchostí 100 % při absolutním tlaku 11 MPa obsahuje 2 000,3 kJ/kg latentního tepla.

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

Na obr. 6 je reálná situace v testovacím potrubí zařízení ALICE, kam je pro názornost uměle přidávána voda (kondenzát). 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 být nutné odstavit celý provoz. V extrémních případech mohou vzniknout rozsáhlé škody na majetku a životech. Náklady na opravy jsou v těchto případech velmi vysoké. Mokrá pára tedy není výhodná ani pro výrobce páry. I pro něj je důležité vědět, že pára obsahuje kondenzát, aby mohl reagovat změnou v technologii, jestliže je to možné, a zamezit potenciálním škodám.

Co tedy v potrubí proudí?

V předchozích odstavcích bylo uvedeno, že kvalita páry je rozhodující jak pro výrobce, tak také pro 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 suchostí 100 % se v systému v podstatě nevyskytuje. V potrubí se velmi rychle mění její vlastnosti. Obvyklou chybou je domněnka, že se všude v potrubí vyskytuje sytá pára. Pravda je, že se měří mokrá pára, a je velmi důležité vědět, jak mokrá je.

V následujících článcích bude představeno řešení společnosti Endress+Hauser a postupně bude sestaven celý měřicí řetězec k dosažení optimálních výsledků měření.

S tajemstvím páry a se způsoby měření jejích vlastností se mohou čtenáři postupně seznamovat v dalších kapitolách seriálu:

• Měření průtoku jako základní veličiny pro zjištění množství energie v páře
• Tlak a teplota – zásadní veličiny pro přesné měření páry
• Přepočítávací jednotky; aby měření páry mělo smysl
• Kouzlo (s) fakturací předaného tepla v páře; dělat věci právně a správně
• Suchost páry; úplně jiná otázka

(Endress+Hauser)

Obr. 1. Testovací zařízení ALICE, Windisch, Švýcarsko

Obr. 2. Mollierův T/h diagram

Obr. 3. Konvička na kávu ilustruje rychlé změny vlastností páry

Obr. 4. Ztráta tepla při snižování suchosti páry

Obr. 5. Vznik vodního kladiva z důvodu kondenzace páry uvnitř potrubí

Obr. 6. Měření mokré páry – pohled do potrubí

^*)Poznámka: Mokrá pára se suchostí 1 % a mokrá pára se suchostí 100 % mají stejný tlak a teplotu, tzn. že znalost teploty a tlaku neříká absolutně nic o suchosti páry, a tedy ani o množství energie v ní obsažené. Například pára s absolutním tlakem 1 MPa. a teplotou 179,9 °C má při suchosti 1 % pouze 20,153 kJ/kg tepla a při 100% suchosti 2 015,31 kJ/kg.