RP Energy Lexicon - vapori de apă, temperatura de fierbere, evaporare, punct critic, umiditate
Definiție: apă în stare gazoasă sau (colocvial) panouri vizibile de condensare a vaporilor de apă în aer
Termeni mai specifici: abur saturat, abur supraîncălzit, abur umed, abur uscat, abur viu, abur de proces
Creație originală: 22 decembrie 2014; ultima modificare: 14.03.2020
În știință și tehnologie, vaporii de apă sunt substanța apă (H2O) în stare gazoasă. Majoritatea acestui articol se referă și la această definiție. Cu toate acestea, în mod colocvial, vaporii de apă se referă adesea la nori de vapori vizibili care apar atunci când se formează picături fine de apă în aer prin condensarea vaporilor de apă conținuți. De exemplu, norii conțin un număr mare de astfel de picături mici de apă și, prin urmare, sunt vizibile numai deoarece lumina este împrăștiată pe picături. Apropo, spre deosebire de picăturile mari de ploaie, picăturile de apă foarte mici pot rămâne în aer mult timp, deoarece viteza lor de cădere este foarte lentă.
Adesea se vorbește despre abur numai atunci când este clar din context că se înțelege vapori de apă - chiar dacă există desigur vapori din multe alte substanțe.
Vaporii de apă sunt foarte importanți în tehnologia energetică:
- O mare parte din energia electrică este generată în centralele termice cu ajutorul turbinelor cu abur, care funcționează aproximativ conform așa-numitului ciclu Clausius-Rankine.
- Cu toate acestea, aburul poate servi și ca purtător de energie și este, de asemenea, utilizat în multe procese industriale. Prin urmare, cea mai eficientă energie din punct de vedere energetic (mai ales în cazanele cu abur) este de o mare importanță. Ocazional, vaporii de apă sunt folosiți și ca agent frigorific.
- În alte cazuri, vaporii de apă se produc în conversii chimice, de exemplu în procesele de ardere ca produs în gazele de eșapament sau în reformarea aburului ca educt.
Așa-numitul abur de proces este adesea necesar în afara tehnologiei energetice, adică H. Vapor de apă utilizat într-un proces. Deseori funcția sa cea mai importantă este furnizarea de căldură; în unele cazuri, vaporii de apă participă și la o reacție chimică (de exemplu în rafinăriile de petrol și gazificarea cărbunelui).
În trecut, unele clădiri aveau încălzire cu abur, în care vaporii de apă transportau căldura de la un cazan (cazan cu abur) la radiatoare. Cu toate acestea, astfel de sisteme nu mai sunt folosite, deoarece au o serie de dezavantaje în comparație cu sistemele de încălzire centrală actuale (cu apă lichidă). Acestea includ eficiența energetică mai scăzută ca urmare a pierderilor mari de linie la temperaturi ridicate și, de asemenea, dezavantajele legate de siguranță.
Vaporii de apă joacă, de asemenea, un rol extrem de important în atmosfera terestră. De exemplu, aerul încărcat cu o mulțime de vapori de apă transportă o cantitate mare de căldură latentă care poate fi eliberată ulterior atunci când se condensează. (Acesta este motivul pentru care aerul este mai cald după traversarea unui lanț muntos în care norii vor ploua pe măsură ce norii se ridică; acest fenomen este cunoscut sub numele de uscător de păr.) În plus, vaporii de apă (și nu dioxidul de carbon, de exemplu) sunt cei mai importanți factori ai așa-numitului efect de seră. în atmosfera terestră: norii conduc, pe de o parte, la o reflectare parțială a soarelui înapoi în spațiu, dar, pe de altă parte, la reflectarea radiației termice de pe pământ, ultimul efect predominând în medie. Efectul dioxidului de carbon (CO2) este crescut în mod semnificativ în mod semnificativ (feedback cu vapori de apă): o intensificare a efectului de seră prin CO2 duce la un conținut mai mare de vapori de apă în atmosferă și, astfel, la o intensificare suplimentară a efectului de seră. H. la o încălzire globală semnificativ crescută; vezi și articolul despre pericolele climatice.
Deoarece mulți combustibili conțin cantități substanțiale de hidrogen (sub formă legată chimic), vaporii de apă sunt produși atunci când sunt arși. Acest lucru se aplică în special gazelor naturale și produselor petroliere. O consecință a acestui fapt poate fi împingerea coșurilor de fum dacă temperatura gazelor de eșapament este aleasă ca fiind destul de scăzută și materialele utilizate nu sunt rezistente la umiditate. Pe de altă parte, se poate obține căldură suplimentară în cazanul cu condensare prin condensarea vaporilor de apă și scurgerea apei condensate.
Bazele fizice
Potrivit unei credințe populare, apa este lichidă la temperaturi cuprinse între 0 ° C și 100 ° C și gazoasă peste 100 ° C. Cu toate acestea, realitatea este mult mai complicată. În primul rând, limitele de temperatură menționate între stările de agregare se aplică numai presiunii normale (1013 mbar), care corespunde aproximativ presiunii atmosferice care apare de obicei în locații care nu sunt prea mari. Punctul de fierbere, adică limita dintre starea de agregare lichidă și gazoasă, crește odată cu creșterea presiunii (vezi Figura 1). În plus, apa se poate evapora sub punctul de fierbere, până când presiunea rezultată (presiunea parțială) a vaporilor de apă atinge așa-numita presiune a vaporilor, care la rândul ei este dependentă de temperatură.
Fierberea are loc atunci când apa lichidă a atins punctul de fierbere la o presiune dată și se furnizează căldură suplimentară. Se formează bule de abur care se ridică în apă. Presiunea vaporilor la punctul de fierbere corespunde presiunii externe. Prin urmare, în Figura 1, temperatura de fierbere pentru o anumită presiune poate fi determinată ca temperatura pentru care presiunea atinge valoarea corespunzătoare.
Figura 2 arată, de asemenea, curba de fierbere, dar într-un interval de temperatură mai ridicat, unde se obțin presiuni corespunzător mai mari. Curba se termină la așa-numitul punct critic la aproximativ 374 ° C și 221 bari; Mai presus de aceasta, apa lichidă și gazoasă nu mai poate fi distinsă una de alta. Această diferență devine mică chiar sub punctul critic; H. volumul crește cu greu când fierbe, iar căldura vaporizării este mult mai mică decât la presiunea normală.
În ciuda alimentării cu căldură, temperatura apei nu crește în timpul fierberii; căldura furnizată este utilizată exclusiv pentru evaporare (→ căldură latentă, vezi Figura 3). Cantitatea de căldură specifică de vaporizare (entalpia de vaporizare) este deosebit de mare cu apa; La presiunea normală este de aproximativ 2257 kJ/kg, comparativ cu doar 420 kJ/kg pentru încălzirea apei de la 0 ° C la 100 ° C.
La presiuni foarte mici (sub aproximativ 6 mbar, corespunzător punctului triplu al apei) nu mai există apă lichidă, ci doar solidă (gheață) și vapori de apă. Gheața se sublimează apoi direct în vapori de apă atunci când este încălzită fără a fi topită în prealabil. Sublimarea poate apărea și la presiune normală, similară cu evaporarea.
Vaporii de apă pot transporta nu numai căldura, ci și conțin exergie. Acesta este utilizat atunci când funcționează turbine cu abur și motoare cu abur.
Abur umed, abur saturat și abur supraîncălzit
La fierbere, se creează inițial așa-numitul abur saturat, care este exact pe curba de fierbere în termeni de temperatură și presiune (atâta timp cât vă aflați sub punctul critic). Dacă acest abur pierde ceva căldură, de exemplu prin contactul cu aerul mai rece, o parte din vaporii de apă se condensează în picături mici de apă, astfel încât să se creeze nori de vapori vizibili. Aceasta se numește abur umed. Proporția aburului efectiv (apă gazoasă) este adesea determinată de fracția sa de masă X (între 0 și 1).
Dacă, pe de altă parte, aburul este încălzit în continuare după fierbere, astfel încât combinația sa de presiune și temperatură să fie în dreapta curbei de fierbere din diagrama de mai sus, vorbim de abur supraîncălzit. Aceasta nu mai conține picături de apă lichidă, deoarece condensul poate avea loc numai atunci când curba de fierbere este atinsă din nou prin răcire sau creșterea presiunii.
Termenul de abur uscat poate fi ușor înțeles greșit, deoarece de obicei înseamnă mai precis abur saturat uscat, sinonim cu abur saturat și nu abur supraîncălzit. Aburul uscat în acest sens nu conține picături de apă, dar spre deosebire de aburul supraîncălzit, acestea se formează imediat, chiar dacă are loc doar o răcire minimă.
Deasupra punctului critic se vorbește despre aburul supercritic, care este chimic și fizic relativ agresiv, de exemplu degresând puternic.
Stările de abur din centrala electrică a turbinei cu abur
Unele turbine cu abur trebuie să fie operate astfel încât vaporii de apă din ele să rămână în intervalul aburului supraîncălzit în toate punctele, i. H. că nu apar picături de apă. Acest lucru ar putea deteriora turbina pe termen lung. Dar există și turbine de condensare care pot tolera condensarea unei părți considerabile a vaporilor de apă. Într-o centrală cu turbină cu abur, se folosesc de obicei mai multe trepte de turbină, prima fiind acționată cu abur puternic supraîncălzit (abur supraîncălzit), în timp ce ultima este o turbină cu condensare. Un așa-numit reîncălzitor este adesea folosit între etapele turbinei, care aduce aburul mai înapoi în zona aburului supraîncălzit. Acest lucru nu numai că protejează turbinele, dar permite, de asemenea, ca centrala să fie mai eficientă.
Prima etapă a turbinei din centralele moderne cu turbină cu abur funcționează bine în gama supercritică, de exemplu la 600 ° C și 285 bari. Valori chiar mai mari de 700 ° C și 350 bari sunt vizate pentru viitoarele centrale electrice pentru a crește eficiența și mai mult. Limitele sunt stabilite în esență prin reziliența materialelor disponibile.
Generarea aburului
Aburul este adesea produs în cazanele de abur ca parte a generatoarelor de abur. Componenta centrală a unui cazan cu abur este un schimbător de căldură, în care apa lichidă este alimentată cu căldură (de exemplu, dintr-un proces de ardere sau dintr-un reactor nuclear), astfel încât acesta să fiarbă. Acest lucru creează abur saturat, a cărui temperatură este determinată de presiunea dominantă.
Pentru unele aplicații (în special pentru turbinele cu aburi) se folosește și așa-numitul supraîncălzitor, i. H. un al doilea schimbător de căldură cu care temperatura aburului crește în continuare, în timp ce presiunea rămâne aproximativ aceeași pentru a obține abur supraîncălzit.
În unele reactoare nucleare, cunoscute sub numele de reactoare cu apă clocotită, vaporii de apă pot fi generați direct. Pe de altă parte, cu reactoarele cu apă sub presiune, evaporarea este prevenită de o presiune de funcționare ridicată și se folosește un generator de abur separat. Nu este posibil să supraîncălziți aburul, deoarece acest lucru ar necesita o sursă de căldură cu o temperatură mai mare. Acesta este un motiv important pentru eficiența de obicei mai scăzută a centralelor nucleare.
Dacă se utilizează gaze de ardere, temperatura acestora rămâne peste temperatura aburului (în fața supraîncălzitorului), astfel încât pierderile mari de gaze de eșapament ar rezulta dacă gazele ar fi emise direct ca gaz rezidual. Din acest motiv, se folosește adesea așa-numitul economizor, care extrage căldură suplimentară din gazele de eșapament, care servește în cea mai mare parte la preîncălzirea apei de alimentare (adică a apei lichide alimentate în cazanul cu abur). O altă posibilitate de recuperare a căldurii este preîncălzirea aerului de ardere.
În unele cazuri, o centrală electrică furnizează nu numai energie electrică, ci și abur ca abur de proces pentru centralele industriale învecinate. Dacă acest abur este retras ca abur intermediar deoarece temperatura aburului nu este necesară prea mare, aceasta este mai eficientă din punct de vedere energetic decât funcționarea unui cazan de abur separat pentru operațiuni industriale. La urma urmei, o parte din exergia aburului mai cald generat inițial este utilizată pentru a genera electricitate.
Vapori de apă în aer
Așa cum s-a explicat mai sus, apa se evaporă chiar și la temperaturi scăzute până când se ajunge la așa-numita presiune a vaporilor (o variabilă care depinde doar de temperatură, poate fi citită în figura 1). Deci, dacă apa lichidă este în contact cu aerul, conținutul de vapori de apă din aer crește în timpul evaporării până când presiunea parțială a vaporilor de apă (și nu presiunea totală a aerului) corespunde presiunii de vapori menționate anterior. Când se atinge acest punct, apa poate continua să se evapore din punct de vedere microscopic, dar aceeași cantitate se condensează în același timp, astfel încât conținutul de vapori de apă din aer să nu mai poată crește.
Umiditatea este o măsură a conținutului de vapori de apă din aer, care este utilizat în două variante. Umiditatea absolută a aerului este dată, de exemplu, în g/m 3 (grame pe metru cub), în timp ce umiditatea relativă a aerului arată ce proporție din presiunea de vapori a apei sau ce proporție din conținutul maxim de vapori de apă din aer a fost atins. Umiditatea din clădiri joacă un rol important în bunăstarea umană. Umiditatea prea mare poate duce la creșterea mucegaiului.
Se spune adesea că aerul poate absorbi doar o anumită cantitate de vapori de apă la o anumită temperatură. Acest lucru este înșelător prin faptul că acest conținut maxim nu este determinat de moleculele de aer (adică „toleranța” lor pentru apă), ci mai degrabă o proprietate a apei în sine. Utilizarea unui alt gaz decât aerul (de exemplu argon, cu proprietăți chimice și fizice complet diferite de aer) nu ar duce la niciun alt conținut maxim de vapori de apă.
Vaporii de apă ca gaz cu efect de seră
Vaporii de apă absorb lumina infraroșie (radiații termice) în anumite intervale spectrale și, prin urmare, acționează ca gaz de seră în atmosferă. Datorită conținutului ridicat de vapori de apă din atmosferă, acest efect este chiar mai puternic decât cel al dioxidului de carbon (CO2). Din aceasta nu rezultă că (așa cum susțin în special mulți „sceptici climatici”) că emisiile de CO2 sunt în realitate nesemnificative. Faptul este că conținutul de CO2 al atmosferei, care acum a crescut semnificativ din cauza creșterii temperaturii, provoacă, de asemenea, un conținut crescut de vapori de apă în aer, care apoi crește temperatura și mai mult. Acest efect nu duce la o creștere continuă a temperaturii chiar și fără alte emisii de CO2, dar intensifică efectul efectiv de seră al CO2 considerabil dincolo de măsura pe care ar fi cauzat-o doar CO2. Deci, pe de o parte, este adevărat că cea mai mare parte a efectului de seră provine din vaporii de apă; pe de altă parte, însă, tocmai acest efect este semnificativ crescut ca urmare a emisiilor de CO2. De aceea depinde într-adevăr de emisiile de CO2.
Pe de altă parte, emisiile de vapori de apă cauzate de oameni - de exemplu prin turnurile de răcire ale centralelor mari - în mod surprinzător nu duc la poluarea climatică globală, ci doar la efecte locale prin formarea norilor. Acest lucru se datorează faptului că astfel de emisii sunt compensate de precipitații crescute. În cele din urmă, conținutul de vapori de apă din atmosferă este limitat de temperatura acesteia.
Vaporii de apă, care sunt emiși de avioane la altitudini mari și formează contravaloare, au un efect de seră și mai puternic. Deși acest efect are doar un efect pe termen scurt, este relativ puternic și, prin urmare, este o componentă esențială a efectului de seră generat în prezent de traficul aerian. Furnizorii serioși de 2 emisii prin măsuri în altă parte "> Compensarea CO2 ia în considerare acest lucru prin compensarea emisiilor de CO2 corespunzător mai mari.
Întrebări și comentarii de la cititori
Aici puteți sugera întrebări și comentarii pentru publicare și răspuns. Autorul RP-Energie-Lexikon va decide acceptarea conform anumitor criterii. În esență, ideea este că problema prezintă un interes larg.
Dacă primiți ajutor aici, s-ar putea să doriți să vă întoarceți favoarea cu o donație cu care susțineți dezvoltarea în continuare a dicționarului energetic.
Protecția datelor: Vă rugăm să nu introduceți aici date personale. Nu le-am publica oricum și le-am șterge în curând. Consultați și politica noastră de confidențialitate.
Dacă doriți feedback personal sau sfaturi din partea autorului, vă rugăm să îi scrieți prin e-mail.
Prin trimiterea vă dați consimțământul de a publica intrările dvs. aici în conformitate cu regulile noastre.
Dacă vă place acest site web, vă rugăm să informați prietenii și colegii - e. B. prin intermediul rețelelor sociale făcând clic aici:
Aceste butoane de partajare sunt configurate într-o manieră prietenoasă pentru protecția datelor!
Cod pentru linkuri de pe alte site-uri web
Dacă doriți să plasați un link către acest articol în altă parte (de exemplu, pe site-ul dvs., pe rețelele sociale, pe forumurile de discuții sau pe Wikipedia), puteți găsi codul aici. Astfel de legături pot fi B. să fie foarte util pentru explicații de cuvinte.
Link HTML către acest articol:
Cu o imagine de previzualizare (vezi caseta direct deasupra):
Dacă credeți că este potrivit să puneți un link pe Wikipedia, de ex. B. sub „== Weblinks ==”:
Consolidați-vă sistemul imunitar mental!
În vremuri de știri false și propagandă ca fenomene de masă, este de o importanță crucială să descoperiți erorile de manipulare și gândire inocentă cât mai fiabil posibil.
Pentru a ajuta la acest lucru, un ghid cuprinzător și detaliat este oferit pe acest site web:
Apropo, avem și pagini care se ocupă cu eliminarea erorilor și propagandă în sectoarele energiei și mediului.