Τι είναι ο ατμός: κορεσμός, ενθαλπία, ξηρότητα και ατμός εκτόνωσης

Ο ατμός είναι η αέρια φάση του νερού και η συμπεριφορά του συνδέεται άμεσα με την πίεση, τη θερμοκρασία και την ενεργειακή κατάσταση του νερού από το οποίο παράγεται. Για τον μηχανικό ενός βιομηχανικού συστήματος δεν αρκεί να γνωρίζει ότι το νερό «βράζει και γίνεται ατμός». Χρειάζεται να είναι σαφές πότε το νερό βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμού, πόση ενέργεια απαιτείται για την εξάτμιση, πώς μεταβάλλεται ο ειδικός όγκος με την πίεση, τι σημαίνει βαθμός ξηρότητας και γιατί εμφανίζεται ατμός εκτόνωσης όταν θερμό συμπύκνωμα μεταβαίνει σε χαμηλότερη πίεση.

Οι έννοιες αυτές αποτελούν τη βάση για την κατανόηση της παραγωγής, της διανομής και της χρήσης του ατμού, αλλά και για τον σωστό χειρισμό των συμπυκνωμάτων.

Από το μόριο του νερού στις τρεις φάσεις του

Το νερό αποτελείται από μόρια H₂O, δηλαδή από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Ανάλογα με την ενεργειακή κατάσταση των μορίων, το ίδιο υλικό μπορεί να εμφανίζεται ως στερεό, υγρό ή αέριο.

• πάγος,
• νερό,
• ατμός.

Στη στερεά φάση τα μόρια βρίσκονται σε οργανωμένη δομή και η κίνησή τους περιορίζεται κυρίως σε ταλαντώσεις γύρω από σταθερές θέσεις. Με την προσθήκη θερμότητας η μοριακή διέγερση αυξάνεται και, όταν δοθεί η απαιτούμενη ενέργεια για την αλλαγή φάσης, ο πάγος μετατρέπεται σε νερό.

Στην υγρή φάση τα μόρια έχουν μεγαλύτερη ελευθερία κίνησης, παραμένουν όμως πολύ κοντά μεταξύ τους. Η περαιτέρω παροχή θερμότητας αυξάνει τη θερμοκρασία μέχρι να επιτευχθεί η θερμοκρασία βρασμού που αντιστοιχεί στην επικρατούσα πίεση.

Στην αέρια φάση τα μόρια βρίσκονται πολύ πιο απομακρυσμένα μεταξύ τους. Γι' αυτό ο ατμός έχει πολύ μικρότερη πυκνότητα από το υγρό νερό.

Τριπλό σημείο του νερού

Υπάρχει μία συγκεκριμένη κατάσταση στην οποία πάγος, υγρό νερό και ατμός μπορούν να συνυπάρχουν σε θερμοδυναμική ισορροπία. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται τριπλό σημείο.

• 273,16 K
• 0,006112 bar(a)

Αν στην ίδια θερμοκρασία η πίεση μειωθεί ακόμη περισσότερο, ο πάγος μπορεί να περάσει απευθείας στην αέρια φάση χωρίς να προηγηθεί τήξη. Η διαδικασία αυτή είναι η εξάχνωση.

Ενθαλπία νερού και αισθητή θέρμανση

Καθώς το νερό θερμαίνεται χωρίς να αλλάζει φάση, η προστιθέμενη ενέργεια αυξάνει τη θερμοκρασία του. Η ενέργεια αυτή εκφράζεται ως ειδική ενθαλπία του νερού, h_f.

Ως πρακτικό σημείο αναφοράς, η ειδική ενθαλπία του νερού στους 0°C λαμβάνεται ίση με μηδέν.

Σε ατμοσφαιρική πίεση, περίπου 0 bar(g):

• το νερό βράζει στους 100°C,
• απαιτούνται περίπου 419 kJ/kg για θέρμανση από 0°C έως 100°C.

Για πολλές πρακτικές εφαρμογές μεταξύ 0°C και 100°C χρησιμοποιείται ειδική θερμοχωρητικότητα νερού περίπου:

c_p = 4,19 kJ/(kg·°C)

Πώς δημιουργείται ο κορεσμένος ατμός

Όσο το νερό πλησιάζει το σημείο βρασμού, όλο και περισσότερα μόρια αποκτούν αρκετή ενέργεια ώστε να εγκαταλείψουν προσωρινά την επιφάνεια του υγρού. Στο σημείο βρασμού σχηματίζονται φυσαλίδες ατμού μέσα στη μάζα του νερού.

Όταν το νερό έχει φτάσει στη θερμοκρασία κορεσμού και η πίεση παραμένει σταθερή, η περαιτέρω παροχή θερμότητας δεν αυξάνει τη θερμοκρασία. Η πρόσθετη ενέργεια χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του υγρού σε ατμό.

Η σχέση πίεσης και θερμοκρασίας κορεσμού

Η θερμοκρασία βρασμού του νερού αυξάνεται καθώς αυξάνεται η πίεση.

Στην ατμοσφαιρική πίεση η θερμοκρασία κορεσμού είναι 100°C. Στα 7 bar(g), η θερμοκρασία κορεσμού είναι περίπου 170°C.

Σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στη συγκεκριμένη πίεση, ο ατμός είναι υπέρθερμος. Η διαφορά μεταξύ της πραγματικής θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας κορεσμού ονομάζεται βαθμός υπερθέρμανσης.

Ενθαλπία εξάτμισης και λανθάνουσα θερμότητα

Η ενέργεια που απαιτείται για να μετατραπεί νερό στη θερμοκρασία βρασμού σε κορεσμένο ατμό, χωρίς μεταβολή θερμοκρασίας, ονομάζεται ενθαλπία εξάτμισης, h_fg.

Όταν κορεσμένος ατμός συμπυκνώνεται σε επιφάνεια χαμηλότερης θερμοκρασίας, αποδίδει την αντίστοιχη ενθαλπία εξάτμισης.

Συνολική ενθαλπία ατμού

h_g = h_f + h_fg

Στην ατμοσφαιρική πίεση:

• h_f = 419 kJ/kg
• h_fg = 2.257 kJ/kg
• h_g = 2.676 kJ/kg

Τι αλλάζει όταν αυξάνεται η πίεση του ατμού

• αυξάνεται η θερμοκρασία κορεσμού,
• αυξάνεται η ενθαλπία του κορεσμένου νερού,
• μειώνεται η ενθαλπία εξάτμισης,
• αυξάνεται η πυκνότητα του ατμού,
• μειώνεται ο ειδικός όγκος του ατμού.

Για τον λόγο αυτό η παραγωγή και διανομή ατμού γίνεται συνήθως σε αυξημένη πίεση. Τιμές της τάξης των 7 bar(g) ή υψηλότερες επιτρέπουν σημαντικά μικρότερο ειδικό όγκο σε σχέση με τον ατμό ατμοσφαιρικής πίεσης.

[INTERNAL LINK: Μειωτές Πίεσης Ατμού]

Χαρακτηριστικά κορεσμένου ατμού σε διαφορετικές πιέσεις

Με την αύξηση της πίεσης η ενθαλπία εξάτμισης ανά kg μειώνεται, αλλά ο ειδικός όγκος μειώνεται πολύ πιο έντονα.

Γιατί ο ειδικός όγκος έχει σημασία στη διανομή

Στα 0 bar(g), 1 kg ξηρού κορεσμένου ατμού καταλαμβάνει περίπου 1,673 m³. Στα 7 bar(g), ο ίδιος 1 kg καταλαμβάνει περίπου 0,240 m³.

Η διαφορά αυτή εξηγεί γιατί η αυξημένη πίεση επιτρέπει τη μεταφορά της ίδιας μαζικής παροχής μέσα από σωληνώσεις μικρότερης απαιτούμενης διατομής.

Ξηρός και υγρός ατμός

Ο θεωρητικός ξηρός κορεσμένος ατμός δεν περιέχει υγρό νερό. Σε πραγματικό βιομηχανικό λέβητα κορεσμένου ατμού, όμως, είναι δύσκολο να παραχθεί ατμός χωρίς καθόλου παρασυρόμενες σταγόνες.

Σε λέβητα κελύφους μπορεί να εμφανιστεί ως τυπική περίπτωση περιεκτικότητα περίπου 5% νερού κατά μάζα. Στην περίπτωση αυτή ο βαθμός ξηρότητας είναι:

x = 0,95

Πώς επηρεάζει η ξηρότητα την ενθαλπία

h_fg,wet = x · h_fg

h_wet = h_f + x · h_fg

v_wet ≈ x · v_g

Παράδειγμα στα 6 bar(g)

• βαθμός ξηρότητας x = 0,94,
• h_f ≈ 697,5 kJ/kg,
• h_fg ≈ 2.066,0 kJ/kg,
• v_g ≈ 0,272 m³/kg.

h = 697,5 + (2.066,0 × 0,94) ≈ 2.639,5 kJ/kg

v ≈ 0,272 × 0,94 = 0,256 m³/kg

Διάγραμμα φάσεων θερμοκρασίας-ενθαλπίας

Κατά τη θέρμανση νερού μέχρι το σημείο κορεσμού αυξάνονται τόσο η θερμοκρασία όσο και η ενθαλπία του υγρού.

Στη θερμοκρασία κορεσμού, η περαιτέρω παροχή ενέργειας προκαλεί εξάτμιση. Στην περιοχή αυτή συνυπάρχουν νερό και ατμός και η κατάσταση μετακινείται από κορεσμένο υγρό προς ξηρό κορεσμένο ατμό.

Στο μέσο της περιοχής δύο φάσεων ο βαθμός ξηρότητας είναι 0,5. Στη γραμμή ξηρού κορεσμένου ατμού ο βαθμός ξηρότητας φτάνει το 1.

Μετά την πλήρη εξάτμιση, η περαιτέρω προσθήκη θερμότητας αυξάνει τη θερμοκρασία του ατμού και δημιουργεί υπερθέρμανση.

Το κρίσιμο σημείο

Για το νερό το κρίσιμο σημείο βρίσκεται περίπου στα:

• 374,15°C
• 221,2 bar(a)

Καθώς η κατάσταση πλησιάζει το κρίσιμο σημείο, η ενθαλπία εξάτμισης μειώνεται μέχρι να γίνει μηδενική. Πέρα από το κρίσιμο σημείο δεν υπάρχει πλέον σαφώς διαχωρισμένη μετάβαση από υγρό σε ατμό με το συνηθισμένο σημείο βρασμού.

Ατμός εκτόνωσης - flash steam

Αν κορεσμένο νερό βρίσκεται σε υψηλή πίεση και η πίεσή του μειωθεί, η ενθαλπία του υγρού μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την ενθαλπία κορεσμένου νερού στη νέα χαμηλότερη πίεση. Το πλεόνασμα ενέργειας εξατμίζει μέρος του νερού και δημιουργεί ατμό εκτόνωσης.

Κλάσμα flash steam = [h_f(P₁) - h_f(P₂)] / h_fg(P₂)

Παράδειγμα από 5 bar(g) σε 0 bar(g)

• h_f στα 5 bar(g): 670,9 kJ/kg,
• h_f στα 0 bar(g): 419,0 kJ/kg,
• διαφορά: 251,9 kJ/kg,
• h_fg στα 0 bar(g): 2.257 kJ/kg.

Flash steam = 251,9 / 2.257 ≈ 0,11 kg ατμού/kg νερού

Περίπου το 11% της αρχικής μάζας μετατρέπεται σε ατμό εκτόνωσης.

[INTERNAL LINK: Ατμοπαγίδες & Εξοπλισμός Διαχείρισης Συμπυκνωμάτων]

Τι σημαίνουν όλα αυτά για ένα βιομηχανικό σύστημα ατμού

• η πίεση καθορίζει τη θερμοκρασία κορεσμού,
• η αύξηση της πίεσης μειώνει σημαντικά τον ειδικό όγκο,
• η ενθαλπία εξάτμισης αποτελεί βασικό τμήμα της ενέργειας του κορεσμένου ατμού,
• ο υγρός ατμός περιέχει λιγότερη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια ανά kg,
• η πτώση πίεσης κορεσμένου συμπυκνώματος μπορεί να δημιουργήσει flash steam,
• πίεση, θερμοκρασία και κατάσταση του ρευστού πρέπει να εξετάζονται μαζί.

[INTERNAL LINK: Εξοπλισμός Λεβητοστασίου]

Συμπέρασμα

Ο ατμός είναι ένα ρευστό του οποίου η κατάσταση εξαρτάται στενά από πίεση, θερμοκρασία, ενθαλπία και βαθμό ξηρότητας.

Κατά τη θέρμανση του νερού προστίθεται αρχικά αισθητή θερμότητα. Στη θερμοκρασία κορεσμού η περαιτέρω ενέργεια χρησιμοποιείται για την αλλαγή φάσης και αποθηκεύεται ως ενθαλπία εξάτμισης. Η ίδια ενέργεια αποδίδεται ξανά όταν ο ατμός συμπυκνώνεται.

Η σωστή κατανόηση αυτών των σχέσεων είναι απαραίτητη πριν από οποιονδήποτε υπολογισμό παραγωγής, διανομής, χρήσης ή επιστροφής συμπυκνωμάτων.

Συχνές Ερωτήσεις

Τι είναι κορεσμένος ατμός;

Κορεσμένος ατμός είναι ο ατμός που βρίσκεται στη θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεσή του και μπορεί να συνυπάρχει σε ισορροπία με νερό.

Γιατί αυξάνεται η θερμοκρασία κορεσμού όταν αυξάνεται η πίεση;

Η θερμοκρασία βρασμού του νερού εξαρτάται από την πίεση. Όσο υψηλότερη είναι η πίεση, τόσο υψηλότερη θερμοκρασία απαιτείται για να επιτευχθεί κορεσμός.

Τι είναι η ενθαλπία εξάτμισης;

Είναι η ενέργεια που απαιτείται για τη μετατροπή κορεσμένου νερού σε κορεσμένο ατμό στην ίδια πίεση και θερμοκρασία.

Τι σημαίνει βαθμός ξηρότητας 0,95;

Σημαίνει ότι το 95% της μάζας του μίγματος βρίσκεται σε μορφή ατμού και το 5% σε μορφή υγρού νερού.

Γιατί ο ειδικός όγκος του ατμού μειώνεται όταν αυξάνεται η πίεση;

Η αύξηση της πίεσης αυξάνει την πυκνότητα του ατμού. Εφόσον ο ειδικός όγκος είναι αντίστροφος της πυκνότητας, μειώνεται.

Τι είναι ο υπέρθερμος ατμός;

Είναι ατμός με θερμοκρασία υψηλότερη από τη θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεσή του.

Τι είναι το flash steam;

Είναι ατμός που δημιουργείται όταν κορεσμένο νερό ή θερμό συμπύκνωμα μεταβεί σε χαμηλότερη πίεση και μέρος της πλεονάζουσας ενθαλπίας προκαλέσει επαναεξάτμιση.

Ποιο είναι το κρίσιμο σημείο του νερού;

Βρίσκεται περίπου στους 374,15°C και 221,2 bar(a). Πέρα από αυτό δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης με το συνηθισμένο σημείο βρασμού.