Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Seriál o měření páry: trocha teorie

Na webu časopisu Automa zahajujeme seriál článků společnosti Endress+Hauser o průmyslovém využití a měření páry, který je určen odborníkům, kteří v energetických a teplárenských provozech projektují nebo zajišťují provoz kotlů, nádrží a potrubních systémů, v nichž proudí pára. Každý měsíc vyjde jeden článek.

Pára je jedním z nejpoužívanějších médií v mnoha 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.

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 způsobit.

 

Obr. 1. Testovací zařízení ALICE, Windisch, Švýcarsko

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 stoprocentní suchostí,
  • přehřátá pára – při konstantním tlaku dochází k dalšímu zahřívání syté páry bez přítomnosti kapaliny.

 * Poznámka: Mokrá pára se suchostí 1 % a mokrá pára se suchostí 100 % mají 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. Např. pára s tlakem 1 MPa_abs. a teplotou 179,9 °C má při suchosti 1 % pouze 20,153 kJ/kg tepla 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.

 

Obr. 2. Molliérův T/h diagram

 

Diagram na obr. 1 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 mnoho nedokonalostí, porušených izolací, ochlazování ve ventilech, proudění apod. Pro lepší představu lze použít jednoduchý příklad z běžného života, na kterém lze ilustrovat, že pára mění své vlastnosti velmi rychle. Představíme-li si konvičku s vodou na kávu jako parní kotel, může situace vypadat takto:

 

Obr. 3. Konvička na kávu

Na výstupu z kotle provozovaného v optimálních podmínkách lze získat stoprocentně 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 lze namítnout, že se stále jedná o páru, ve které je velké množství tepla. Ano, to je samozřejmě pravda, ale budou s tímto tvrzením spokojeni 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 suchostí 100 % při tlaku 11 MPaabs, která obsahuje 2000,3 kJ/kg latentního tepla. O co přicházíme „ředěním“, neboli snížením suchosti?


A co výrobce páry? Zdá se, že pro něj je mokrá pára 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.


 

Obr. 5.  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).

 

Obr. 5. Měření mokré páry – pohled do potrubí

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 proněj 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 ukázali v předchozích odstavcích, 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 suchostí 100 % 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 bude představeno řešení společnosti Endress+Hauser a postupně bude sestaven celý měřicí řetězec k dosažení optimálních výsledků měření.

Objevujte s námi tajemství páry v miniseriálu:

Pára – trocha teorie

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)