Má pára budoucnost? (I)

O vodní páře všeobecně

Vodní pára. Fenomén, dokonce synonymum, 19. století, zavrženec konce století 20. Co jí čeká ve století 21.? Na tuto otázku lze asi odpovědět jen ztěží. Lze však uvézt výčet jejích výhod, výčet omylů a polopravd, které se jí týkají a připomenout případy, kdy jí lze nahradit jen velice obtížně, nebo kde je téměř nenahraditelná. Snad to bude malá pomoc k návratu této teplonosné látky tam, kam patří a kde je její místo.

V prvním dílu této čtyřdílné série bych chtěl všeobecně popsat vodní páru, v druhém dílu rozvody vodní páry (parovody), ve třetím parní spotřebiče a konečně ve čtvrtém kondenzát z vodní páry a hospodaření s ním.

Vodní pára (dále jen pára) vzniká v parním kotli přeměnou vody ze skupenství kapalného na plynné. Tato přeměna je endotermická, to znamená, že je nutno pro její uskutečnění dodat značné množství tepelné energie. Dodaná energie, neboli tepelný obsah, jinak také entalpie páry je opětovně vydána při exotermické, tedy energii uvolňující, přeměně páry zpět ve vodu. Entalpii páry lze určit odečtením z diagramu h-s (h - entalpie [kj . kg^-1], s - entropie - [kj . kg^-1 . K^-1], klesá se vzrůstající teplotou a klesajícím tlakem) páry, z parních tabulek, nebo výpočtem ze změřené teploty a tlaku páry. Výpočtem z teploty a tlaku však lze entalpii určit pouze u páry suché, to znamená syté, nebo přehřáté (viz dále).

Každá přeměna skupenství je velice energeticky náročný proces a množství tepelné energie, nutné pro uskutečnění změny skupenství určité látky, známé pod pojmem skupenské teplo, je řádově vyšší než množství tepelné energie, potřebné pro prosté ohřátí této látky. To je snad největší výhoda páry - její tepelný obsah, který je dán přeměnou skupenství a nemůže s horkou vodou o stejné teplotě naprosto konkurovat.

Pára má tři základní stavy, které souvisí s obsahem vody, neboli suchostí páry, tlakem a teplotou. Hovoříme o páře syté, nebo také na mezi sytosti, mokré a přehřáté.

Pára sytá má při daném tlaku přesně definovanou teplotu a je to vlastně stabilní stav páry o určitém tlaku. To je jedna z velkých výhod páry. Pokud se podaří udržet stálý tlak a dokonale odvodnit páru na vstupu do spotřebiče, což při dnešním stavu techniky a při dnešní výrobkové základně není zase tak velký problém, lze s určitostí říci, že budeme mít přesně definovanou teplotu ve spotřebiči. Přesně definovaná teplota je pro některé procesy (např. v chemickém, potravinářském průmyslu apod.) nesmírně důležitá. Pro tlaky páry do 20 bar (2 MPa) je teplota syté páry dána empirickým vztahem:

t_s = 100 . (10,2 . p_s)^0,25

kde:

Pára mokrá má určitý podíl vody ve svém objemu, buď ve formě parou nesených kapiček, nebo ve formě souvislé vodní vrstvy na dně parního potrubí. Mokrá pára je vlastně většinou skutečný stav páry, která je parovody přiváděna ke spotřebičům. Pro spotřebiče i pro rozvody páry znamená mokrá pára nebezpečí, protože kapičky vody, unášené parou, při rychlostech, které jsou pro páru obvyklé, mají značně abrazivní (obrušující) účinky, násobené ještě částečkami materiálu, které byly abrazí "odděleny" z potrubí a armatur dříve. Tuto abrazivní činnost mokré páry lze pozorovat na demontovaném parním potrubí, kde rovné kusy na svém vnitřním povrchu mají patrné stopy koroze ocelového materiálu, kdežto kolena a ohyby potrubí mají vnitřní povrch na straně proti směru toku páry jako nový, při delším provozu potrubí je jasně viditelný úbytek materiálu. Vyloučená voda v objemu páry má nižší tepelný obsah (při měření spotřeby páry objemovou metodou to znamená finanční ztráty), znamená problémy při redukci tlaku páry, při regulaci výkonu parních spotřebičů a v neposlední řadě i při odvodu kondenzátu z parních spotřebičů.

Pára přehřátá je bez podílu vody v objemu a má teplotu nad mezí sytosti. Vzniká dalším zahříváním páry nad mez sytosti. To, že neobsahuje vodu, je její výhodou, protože odpadají výše popsané potíže při jejím přenosu i spotřebě. Přehřátí však rychle odeznívá při styku páry s vodou (kondenzátem). Kondenzát může pára "potkat" například ve spotřebiči, při předávání svého tepelného obsahu, může jí být dodán pro její ochlazení. Také při nedostatečné, případně porušené, tepelné izolaci potrubí parního rozvodu se přehřátá pára ochlazuje a ztrácí své přehřátí. Za jistých okolností může docházet i k jevu opačnému, to znamená k přehřívání páry při jejím rozvodu, což bude vysvětleno v další části této série.

Dalším možným rozdělením páry je rozdělení podle jejího tlaku, nebo také přetlaku. Pod pojmem tlak páry je ve většině případů míněn její přetlak, tedy absolutní tlak snížený o 0,1 MPa 1 bar (1 bar). Při zadávání hodnot dané páry je nutno tyto dvě veličiny důsledně rozlišovat, aby nedošlo k jejich záměně a tím k chybám ve výpočtech.

Podle tlaku páru dělíme na nízkotlakou, středotlakou a vysokotlakou.

Nízkotlaká pára je pára do přetlaku 0,07 MPa (0,7 bar), čemuž odpovídá teplota 115,2 °C na mezi sytosti. Je používána například ve starších soustavách k přímému vytápění parou, k vlhčení vzduchu a v některých aplikacích v potravinářském průmyslu. Je rovněž často používána v západní Evropě.

Pára středotlaká je v našich podmínkách používána nejčastěji. Je to pára o přetlaku v rozmezí 0,07 až 1,6 MPa (0,7 až 16 bar), čemuž odpovídá rozmezí teplot 115,2 až 204,3 °C na mezi sytosti. Je používána ve všech městských i ve velké většině průmyslových parovodů.

Pára vysokotlaká je pára o tlaku nad 1,6 MPa (16 bar). Její použití je hlavně ve výrobě elektřiny, nebo v některých průmyslových aplikacích, kde to je nutné z technologických důvodů.

V podmínkách našeho oboru, tedy tepelné techniky, se nejčastěji setkáme s parou středotlakou, mokrou (v některých parovodech je více kondenzátu než páry), řidčeji s parou nízkotlakou, ale rovněž převážně mokrou. Se špatnou suchostí páry je nutno počítat při návrzích spotřebičů, například předávacích stanic pára - voda, a důsledně navrhovat odvodnění páry před jejím měřením, redukcí, regulací, případně před vstupem do spotřebičů.