Каждый раз, когда вы кипятите чайник, вы получаете пар.
Однако пар это не просто побочный продукт кипячения воды. Это мощный, универсальный и эффективный источник тепловой энергии. Именно поэтому пар так широко применяется в промышленности.
В этой статье мы разберем, где используется пар, как управлять энергией, содержащейся в паре, и почему он настолько эффективен для передачи тепла в промышленные процессы.
Какие отрасли используют пар как источник тепловой энергии?
Многие отрасли опираются на пар как на источник тепла или тепловой энергии. Компании и организации используют эту энергию для достижения высоких температур в критически важных процессах.
В пищевой промышленности и производстве напитков пар используется на разных стадиях производства, включая пастеризацию, приготовление, очистку и сушку. Например, тепло пара используется для приготовления фасоли прямо в консервных банках.
В здравоохранении же больницы используют пар высокого давления для стерилизации хирургических инструментов в автоклаве. Пар уничтожает микроорганизмы и споры, обеспечивая безопасность медицинских инструментов без применения химических веществ.
Эти и многие другие отрасли используют пар именно благодаря его уникальным свойствам как эффективного источника тепловой энергии.
Где пар вырабатывается и где используется?
Пар вырабатывается в котельной (A) и по трубопроводам распределяется к процессам, которым требуется тепловая энергия. В каждом процессе теплообменник (B) передает часть тепловой энергии пара в сам процесс. Пар отдает эту энергию, конденсируясь на более холодной поверхности, и превращается в жидкий конденсат; затем жидкость возвращается в котельную, где снова подается в котел для дальнейшей выработки пара. Весь этот процесс называется пароконденсатным циклом.
Сколько тепловой энергии содержится в паре?
Количество тепловой энергии в паре можно рассчитать с помощью паровых таблиц1. Они показывают связь между давлением, температурой, объемом и, главное, тем, сколько энергии содержит пар. Имея эти данные, можно подстраивать энергию пара под разные процессы.
Паровые таблицы
При атмосферном давлении, 0 бар изб., вода кипит при 100℃, как в чайнике. Первая строка паровых таблиц показывает, что для нагрева воды до температуры кипения требуется 419 кДж/кг энергии; эта величина называется энтальпией воды.
Чтобы превратить эту воду в пар, необходимо добавить еще 2 257 кДж/кг энергии. Эта часть называется энтальпией испарения или полезной энергией. Хотя общее количество энергии в паре теперь составляет 2 676 кДж/кг, в теплообменнике при конденсации в процесс передается именно полезная энергия.
Паровые таблицы предполагают, что вырабатывается сухой насыщенный пар. Однако возможна также выработка влажного и перегретого пара, что видно на фазовой диаграмме пара.
Фазовая диаграмма пара
Точка A показывает ту же информацию, что и первая строка паровых таблиц: при 0 бар изб. требуется 419 кДж/кг энтальпии, чтобы вода достигла точки кипения 100℃ и начала испаряться.
Линия между точками A и B показывает путь кипящей воды при добавлении еще 2 257 кДж/кг тепловой энергии. В точке B вода полностью испаряется и превращается в сухой насыщенный пар. Красная линия на диаграмме это линия сухого насыщенного пара. Пар, находящийся между A и B, является влажным, так как все еще содержит влагу. Пар справа от линии сухого насыщенного пара является перегретым.
Какой тип пара наиболее эффективен для теплопередачи?
Сухой насыщенный пар
Сухой насыщенный пар это идеальный тип пара для теплопередачи, поскольку он наиболее эффективен для процесса и создает меньше инженерных проблем. Пар является сухим, потому что не содержит влаги, и насыщенным, потому что полностью наполнен энергией. При данных температуре и давлении он уже не может содержать больше энергии.
Влажный пар
Влажный пар менее эффективен, чем сухой насыщенный, потому что содержит меньше энергии. При влажном паре процесс получает меньше энергии и меньшую массу пара, что обычно увеличивает длительность процесса, мешает достижению требуемой температуры или приводит к порче продукта.
Перегретый пар
Перегретый пар2 имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар при том же давлении. Хотя на некоторых паросиловых установках перегретый пар вырабатывается для целей энергогенерации, для теплопередачи его использовать не рекомендуется, поскольку он имеет более низкий коэффициент теплопередачи. Кроме того, перегретому пару требуется большая площадь теплообмена, чем сухому насыщенному пару.
Почему пар эффективнее низкотемпературной горячей воды (LTHW) для теплопередачи?
Сухой насыщенный пар эффективнее для теплопередачи3, чем такие альтернативы, как низкотемпературная горячая вода (LTHW), благодаря своим уникальным свойствам.
Давление управляет тепловой энергией в паре
Изменяя давление, можно управлять паром в соответствии с потребностями процесса, в том числе количеством содержащейся в нем тепловой энергии.
При нагреве воды под давлением температура кипения повышается, а значит требуется больше тепловой энергии. По паровым таблицам при 5 бар изб. вода кипит при 159℃ и требует 671 кДж/кг энергии, чтобы достичь точки кипения. Однако на превращение этой кипящей воды в пар требуется меньше дополнительной энергии, чем при более низких давлениях. При 5 бар изб. нужно 2 086 кДж/кг, по сравнению с 2 257 кДж/кг при 0 бар изб.
Понимая влияние давления, можно вырабатывать пар под более высоким давлением в котельной, а затем распределять его к процессу. Когда пар достигает теплообменника, снижение давления увеличивает количество полезной энергии, передаваемой в процесс.
Пар обладает более высоким теплосодержанием, чем LTHW
Пар вырабатывается при значительно более высоких температурах и давлениях, чем LTHW, поэтому его теплосодержание гораздо выше, и он может передавать в процесс больше тепловой энергии. Иными словами, для достижения того же теплового эффекта требуется меньше пара, чем горячей воды.
Например, сравним пароводяной теплообменник с водоводяным теплообменником, рассчитанным на передачу в процесс 11℃. В одном килограмме пара полезной тепловой энергии в 50 раз больше, чем в одном килограмме LTHW. Это означает, что для того же теплового эффекта требуется в 50 раз меньше пара, поскольку удельная теплоемкость воды составляет 4.19 кДж/кг °C, тогда как полезная тепловая энергия пара составляет около 2 200 кДж/кг.
Пар передает тепло в три раза быстрее, чем LTHW
Пар передает тепло быстрее, чем LTHW, потому что отдает его при конденсации. Коэффициент теплопередачи, то есть показатель скорости переноса тепла, в пароводяном теплообменнике примерно в три раза выше, чем в водоводяном.
Поскольку пар обеспечивает более высокий темп теплопередачи, для передачи того же количества тепла в теплообменнике требуется и меньшая площадь поверхности. В результате пароводяной теплообменник занимает меньше места, чем эквивалентный водоводяной.
Пар равномерно передает тепло по поверхности теплообмена
Пар является газом, поэтому он распространяется и заполняет доступное пространство. Внутри пароводяного теплообменника это дает более равномерное распределение тепла по поверхности теплообмена по сравнению с водоводяным теплообменником.
Использование пара для теплопередачи уменьшает количество холодных зон в теплообменнике и обеспечивает более стабильную передачу тепла.
Пар: эффективный выбор для теплопередачи
Пар является привлекательным источником тепловой энергии для многих отраслей благодаря своей эффективности. Изменяя давление, можно регулировать количество полезной энергии в паре. Теплосодержание и скорость передачи тепла у пара значительно выше, чем у LTHW. Кроме того, пару требуется меньшая площадь теплообмена, чем другим источникам энергии.