Υπέρθερμος ατμός: παραγωγή, ιδιότητες και εφαρμογές

Ο υπέρθερμος ατμός είναι ατμός του οποίου η θερμοκρασία έχει αυξηθεί πάνω από τη θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεσή του. Η διαφορά μεταξύ της πραγματικής θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας κορεσμού ονομάζεται βαθμός υπερθέρμανσης.

Η κατάσταση αυτή έχει ιδιαίτερη σημασία σε εφαρμογές παραγωγής μηχανικού έργου, όπως οι ατμοστρόβιλοι. Δεν πρέπει όμως να θεωρείται ότι η υπερθέρμανση βελτιώνει αυτόματα κάθε εφαρμογή ατμού. Στις διεργασίες μετάδοσης θερμότητας, ο κορεσμένος και ο υπέρθερμος ατμός συμπεριφέρονται διαφορετικά.

Πώς παράγεται ο υπέρθερμος ατμός

Όταν ο κορεσμένος ατμός βρίσκεται ακόμη σε επαφή με υγρό νερό, η πρόσθετη θερμότητα χρησιμοποιείται για να εξατμίσει περισσότερο νερό. Για να αυξηθεί η θερμοκρασία του ατμού πάνω από τη θερμοκρασία κορεσμού, πρέπει πρώτα να έχει ολοκληρωθεί η εξάτμιση και ο ατμός να οδηγηθεί σε πρόσθετο στάδιο θέρμανσης.

Η υπερθέρμανση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε εναλλάκτη που λειτουργεί ως υπερθερμαντήρας. Ο υπερθερμαντήρας μπορεί να αποτελεί δεύτερο θερμαντικό στάδιο του λέβητα ή ξεχωριστή μονάδα. Η θερμότητα μπορεί να προέρχεται από τα θερμά καυσαέρια του λέβητα ή από ανεξάρτητη πηγή θέρμανσης.

Για παράδειγμα, αν η θερμοκρασία κορεσμού είναι 170°C και ο ατμός θερμανθεί στους 220°C, ο βαθμός υπερθέρμανσης είναι:

220 - 170 = 50°C

Στον υπέρθερμο ατμό δεν υπάρχει η μονοσήμαντη σχέση πίεσης-θερμοκρασίας του κορεσμένου ατμού. Στην ίδια πίεση είναι δυνατόν να υπάρχουν πολλές διαφορετικές θερμοκρασίες υπέρθερμου ατμού.

Γιατί χρησιμοποιείται υπέρθερμος ατμός στις τουρμπίνες

Στον ατμοστρόβιλο ο ατμός εκτονώνεται μέσω ακροφυσίων και μεταφέρει ενέργεια στα πτερύγια του δρομέα. Καθώς παράγεται μηχανικό έργο, η ενεργειακή κατάσταση του ατμού μειώνεται.

Αν ο ατμός εισερχόταν στην τουρμπίνα ακριβώς ως κορεσμένος, η απώλεια ενέργειας κατά την εκτόνωση θα οδηγούσε σχετικά γρήγορα σε μερική συμπύκνωση. Η παρουσία σταγονιδίων νερού μέσα σε μία ταχέως κινούμενη τουρμπίνα μπορεί να συνδεθεί με υδραυλικά πλήγματα και σοβαρή διάβρωση λόγω πρόσκρουσης στα πτερύγια.

Η είσοδος υπέρθερμου ατμού παρέχει ένα ενεργειακό περιθώριο πριν η κατάσταση του ατμού φτάσει στη γραμμή κορεσμού.

Θερμοδυναμική απόδοση και υπερθέρμανση

Δύο θεωρητικές προσεγγίσεις για την αξιολόγηση θερμικών μηχανών είναι ο κύκλος Carnot και ο κύκλος Rankine.

ηC = (Ti - Te) / Ti

Για τουρμπίνα με πίεση εισόδου 90 bar(a), θερμοκρασία εισόδου 450°C, πίεση εξόδου 0,06 bar(a) και κατάσταση εξόδου 10% υγρή, η θερμοκρασία κορεσμού εξόδου είναι 36,2°C.

• Ti = 723,0 K
• Te = 309,2 K

ηC = (723,0 - 309,2) / 723,0 = 57,2%

Για το ίδιο παράδειγμα, με ειδική ενθαλπία εισόδου 3.256 kJ/kg, ειδική ενθαλπία εξόδου 2.188,7 kJ/kg και ενθαλπία συμπυκνώματος 152 kJ/kg, η υπολογιζόμενη θερμοδυναμική απόδοση Rankine είναι περίπου 34,4%.

Οι τιμές αυτές αφορούν θερμοδυναμική και όχι μηχανική απόδοση.

Ιδιότητες υπέρθερμου ατμού και πίνακες ατμού

Οι πίνακες υπέρθερμου ατμού δίνουν ειδικό όγκο, εσωτερική ενέργεια, ειδική ενθαλπία και ειδική εντροπία για συγκεκριμένους συνδυασμούς πίεσης και θερμοκρασίας. Για τον υπέρθερμο ατμό πρέπει να είναι γνωστές τόσο η πίεση όσο και η θερμοκρασία.

Οι τιμές του πίνακα αφορούν πίεση 1,013 bar(a).

Πόση επιπλέον ενέργεια περιέχει η υπερθέρμανση

Στα 1,013 bar(a), ο ξηρός κορεσμένος ατμός στους 100°C έχει ειδική ενθαλπία περίπου 2.676 kJ/kg. Στην ίδια πίεση, υπέρθερμος ατμός στους 400°C έχει ειδική ενθαλπία 3.278 kJ/kg.

Πρόσθετη ενθαλπία = 3.278 - 2.676 = 602 kJ/kg

Η μέση ειδική θερμοχωρητικότητα στο συγκεκριμένο εύρος είναι:

602 / (400 - 100) ≈ 2,0 kJ/(kg·°C)

Η ειδική θερμοχωρητικότητα του υπέρθερμου ατμού δεν είναι σταθερή. Μεταβάλλεται με πίεση και θερμοκρασία. Ενδεικτικά αναφέρονται περίπου 2,0 kJ/(kg·°C) στους 125°C και 1,013 bar(a), και 3,5 kJ/(kg·°C) στους 400°C και 120 bar(a).

Γιατί ο υπέρθερμος ατμός δεν είναι πάντα κατάλληλος για θέρμανση

Ο υπέρθερμος ατμός πρέπει πρώτα να ψυχθεί μέχρι τη θερμοκρασία κορεσμού πριν αρχίσει η συμπύκνωση. Η ενέργεια που αποδίδεται κατά την ψύξη από την υπέρθερμη κατάσταση μέχρι τον κορεσμό είναι σχετικά μικρή σε σύγκριση με την ενθαλπία εξάτμισης.

Με μεγάλο βαθμό υπερθέρμανσης:

• ο ατμός αποδίδει σχετικά μικρή ποσότητα θερμότητας μέχρι να φτάσει στον κορεσμό,
• δημιουργούνται θερμοκρασιακές διαβαθμίσεις στην επιφάνεια μετάδοσης θερμότητας,
• ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας στην υπέρθερμη περιοχή είναι χαμηλότερος,
• μπορεί να απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας.

Όταν ο ατμός αποτελεί μέρος της ίδιας της διεργασίας

Σε ορισμένες διεργασίες η συμπύκνωση του ατμού προσθέτει και υγρασία στο προϊόν. Στην προετοιμασία ζωοτροφής πριν από pelletising, η υγρασία αυτή αποτελεί λειτουργικό μέρος της διεργασίας. Ατμός με σημαντική υπερθέρμανση μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολική ξήρανση του υλικού.

Μπορεί η μείωση πίεσης να δημιουργήσει υπέρθερμο ατμό;

Κατά τον στραγγαλισμό μέσα από έναν μειωτή πίεσης ατμού, η συνολική ειδική ενθαλπία θεωρείται ότι παραμένει ουσιαστικά σταθερή ενώ η πίεση μειώνεται.

Αν η ενθαλπία μετά τη μείωση είναι χαμηλότερη από την ενθαλπία ξηρού κορεσμένου ατμού στη νέα πίεση, ο ατμός παραμένει υγρός. Αν είναι μεγαλύτερη, η επιπλέον ενέργεια εμφανίζεται ως υπερθέρμανση.

Παράδειγμα: μείωση από 6 bar(g) σε 1 bar(g)

Για ατμό με βαθμό ξηρότητας x = 0,95 στα 6 bar(g):

• h_f = 697,5 kJ/kg
• h_fg = 2.066,0 kJ/kg

h = 697,5 + (2.066,0 × 0,95) = 2.660,2 kJ/kg

Στα 1 bar(g), η ενθαλπία ξηρού κορεσμένου ατμού είναι 2.706,7 kJ/kg. Η διαθέσιμη ενθαλπία είναι μικρότερη, οπότε ο ατμός παραμένει υγρός με νέο βαθμό ξηρότητας περίπου:

x = 0,979 ή 97,9%

Παράδειγμα: μείωση από 10 bar(g) σε 1 bar(g)

Για ατμό με βαθμό ξηρότητας x = 0,98 στα 10 bar(g):

• h_f = 781,6 kJ/kg
• h_fg = 2.000,1 kJ/kg

h = 781,6 + (2.000,1 × 0,98) = 2.741,7 kJ/kg

Στα 1 bar(g), η ενθαλπία ξηρού κορεσμένου ατμού είναι 2.706,7 kJ/kg. Το πλεόνασμα είναι:

35 kJ/kg

Η τελική θερμοκρασία είναι περίπου 136°C, έναντι θερμοκρασίας κορεσμού 120°C. Ο βαθμός υπερθέρμανσης είναι επομένως:

16°C

Το διάγραμμα Mollier

Το διάγραμμα Mollier είναι διάγραμμα ειδικής ενθαλπίας ως προς ειδική εντροπία, δηλαδή διάγραμμα h-s. Περιλαμβάνει γραμμές σταθερής ενθαλπίας, εντροπίας, πίεσης, θερμοκρασίας και βαθμού ξηρότητας, καθώς και τη γραμμή κορεσμού.

Πάνω από τη γραμμή κορεσμού βρίσκεται η περιοχή του υπέρθερμου ατμού. Κάτω από αυτή βρίσκεται η περιοχή υγρού ατμού.

Εκτόνωση και στραγγαλισμός στο διάγραμμα Mollier

Ιδανική εκτόνωση

Η ιδανική εκτόνωση σε ατμοστρόβιλο προσεγγίζεται ως διεργασία σταθερής εντροπίας και απεικονίζεται ως κατακόρυφη μετακίνηση στο διάγραμμα h-s.

Ιδανικός στραγγαλισμός

Ο στραγγαλισμός σε μειωτή πίεσης προσεγγίζεται ως διεργασία σταθερής ενθαλπίας και απεικονίζεται ως οριζόντια μετακίνηση.

Παράδειγμα ισεντροπικής εκτόνωσης σε τουρμπίνα

Για αρχική κατάσταση 50 bar(a) και 300°C και τελική πίεση 0,04 bar(a), η εντροπία παραμένει σταθερή.

Η γραφική ανάγνωση του διαγράμματος δίνει περίπου:

• ειδική ενθαλπία: 1.890 kJ/kg,
• βαθμό ξηρότητας: 0,72.

Ο αριθμητικός υπολογισμός δίνει επίσης βαθμό ξηρότητας 0,72 και ειδική ενθαλπία περίπου 1.873 kJ/kg. Η μικρή διαφορά είναι αναμενόμενη λόγω της περιορισμένης ακρίβειας γραφικής ανάγνωσης.

Πρακτικές παράμετροι για τον μηχανικό

• έλεγχος αν η πίεση είναι απόλυτη ή μανομετρική,
• προσδιορισμός θερμοκρασίας και βαθμού υπερθέρμανσης,
• έλεγχος ειδικής ενθαλπίας και εντροπίας,
• προσδιορισμός της τελικής κατάστασης μετά από εκτόνωση ή στραγγαλισμό,
• έλεγχος βαθμού ξηρότητας όταν η κατάσταση εισέρχεται στην περιοχή δύο φάσεων,
• συσχέτιση της κατάστασης του ατμού με τις πραγματικές ανάγκες της διεργασίας.

Σε σταθμούς μείωσης πίεσης, η τελική κατάσταση του ατμού δεν πρέπει να εκτιμάται μόνο από τις πιέσεις εισόδου και εξόδου. Η αρχική ξηρότητα και η ενθαλπία μπορούν να καθορίσουν αν η κατάντη κατάσταση θα είναι υγρή, ξηρή κορεσμένη ή υπέρθερμη.

Η επιλογή των μειωτών πίεσης, των ρυθμιστικών βαλβίδων και του εξοπλισμού ατμοπαγίδευσης και διαχείρισης συμπυκνωμάτων πρέπει να λαμβάνει υπόψη την πραγματική κατάσταση του ατμού.

Συμπέρασμα

Ο υπέρθερμος ατμός είναι ατμός θερμασμένος πάνω από τη θερμοκρασία κορεσμού της πίεσής του. Η πρόσθετη ενθαλπία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε εφαρμογές παραγωγής έργου, επειδή επιτρέπει στον ατμό να εκτονώνεται χωρίς να εισέρχεται άμεσα στην υγρή περιοχή.

Στις εφαρμογές θέρμανσης, όμως, ο υπέρθερμος ατμός πρέπει πρώτα να ψυχθεί μέχρι τον κορεσμό πριν αρχίσει να αποδίδει την ενθαλπία εξάτμισης. Μεγάλος βαθμός υπερθέρμανσης μπορεί έτσι να μειώσει τον ρυθμό μετάδοσης θερμότητας και να δημιουργήσει θερμοκρασιακές διαβαθμίσεις.

Παράλληλα, μία μεγάλη μείωση πίεσης μπορεί υπό συγκεκριμένες αρχικές συνθήκες να δημιουργήσει υπέρθερμο ατμό ακόμη και χωρίς εξωτερικό υπερθερμαντήρα. Το διάγραμμα Mollier και οι πίνακες υπέρθερμου ατμού αποτελούν βασικά εργαλεία για την αξιολόγηση αυτών των μεταβολών.

Συχνές Ερωτήσεις

Τι είναι υπέρθερμος ατμός;

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

Τι είναι ο βαθμός υπερθέρμανσης;

Είναι η διαφορά μεταξύ της πραγματικής θερμοκρασίας του υπέρθερμου ατμού και της θερμοκρασίας κορεσμού στην ίδια πίεση.

Γιατί χρησιμοποιείται υπέρθερμος ατμός στις τουρμπίνες;

Παρέχει ενεργειακό περιθώριο κατά την εκτόνωση και καθυστερεί την είσοδο του ατμού στην υγρή περιοχή, περιορίζοντας την παρουσία σταγονιδίων μέσα στα στάδια της τουρμπίνας.

Είναι ο υπέρθερμος ατμός προτιμότερος για εναλλάκτες θερμότητας;

Όχι απαραίτητα. Πρέπει πρώτα να ψυχθεί μέχρι τη θερμοκρασία κορεσμού, ενώ στην υπέρθερμη φάση ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας είναι χαμηλότερος και μπορεί να εμφανίζονται θερμοκρασιακές διαβαθμίσεις.

Μπορεί ένας μειωτής πίεσης να δημιουργήσει υπέρθερμο ατμό;

Ναι, αν μετά τη μείωση πίεσης η διατηρούμενη ενθαλπία είναι μεγαλύτερη από την ενθαλπία ξηρού κορεσμένου ατμού στη νέα πίεση.

Τι δείχνει το διάγραμμα Mollier;

Απεικονίζει την ειδική ενθαλπία ως προς την ειδική εντροπία και επιτρέπει την εκτίμηση πίεσης, θερμοκρασίας, βαθμού ξηρότητας και θερμοδυναμικών μεταβολών του ατμού.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ εκτόνωσης σε τουρμπίνα και στραγγαλισμού σε μειωτή πίεσης;

Η ιδανική εκτόνωση σε τουρμπίνα προσεγγίζεται ως διεργασία σταθερής εντροπίας, ενώ ο ιδανικός στραγγαλισμός σε μειωτή πίεσης ως διεργασία σταθερής ενθαλπίας.

Έχει ο υπέρθερμος ατμός σταθερή ειδική θερμοχωρητικότητα;

Όχι. Η ειδική θερμοχωρητικότητά του μεταβάλλεται με την πίεση και τη θερμοκρασία.