Введение
Пар, температуру которого можно понизить без немедленной конденсации. Перегретый пар – это пар при температуре выше температуры его насыщения при абсолютном давлении, при котором измеряется температура. Следовательно, перегретый пар может охлаждаться (терять внутреннюю энергию) на определенную величину, что приводит к снижению его температуры без изменения агрегатного состояния (т.е. конденсации) из газа в смесь насыщенного пара и жидкости. Если ненасыщенный пар (смесь, содержащая как водяной пар, так и капли жидкой воды) нагревается при постоянном давлении, его температура также останется постоянной, поскольку парциальное насыщение (степень сухости или процент насыщенного пара) увеличивается до 100% и становится сухим (т.е. без жидкой фазы) насыщенным паром. Дальнейший подвод тепла затем приведет к "перегреву" сухого насыщенного пара. Это произойдет, если насыщенный пар контактирует с поверхностью с более высокой температурой. Перегретый пар и жидкая вода не могут находиться в термодинамическом равновесии, поскольку любое дополнительное тепло просто испарит больше воды, и пар станет насыщенным. Однако это ограничение может быть временно нарушено в динамических (неравновесных) условиях. Для получения перегретого пара на электростанциях или в технологических процессах (например, при сушке бумаги) насыщенный пар из котла пропускается через отдельное нагревательное устройство (перегреватель), которое передает дополнительное тепло пару посредством контакта или излучения. Перегретый пар не подходит для стерилизации, поскольку он сухой. Сухому пару требуется достигать значительно более высоких температур и выдерживать более длительное воздействие на материалы для достижения той же эффективности или эквивалентного значения F0 для уничтожения микроорганизмов. Перегретый пар также неэффективен для нагрева; хотя он содержит больше энергии и способен совершать большую работу, чем насыщенный пар, его теплосодержание менее полезно. Это связано с тем, что перегретый пар имеет коэффициент теплопередачи, аналогичный воздуху, что делает его теплоизолятором и плохим проводником тепла. Насыщенный пар обладает значительно более высоким коэффициентом теплопередачи к стенке. Слабо перегретый пар может использоваться для антимикробной дезинфекции биопленок на твердых поверхностях. Главная ценность перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетических реакций посредством механического расширения, воздействующего на лопатки турбин и поршни, что приводит к вращательному движению вала. Преимущество перегретого пара в этих применениях заключается в его способности высвобождать большое количество внутренней энергии, оставаясь при этом выше температуры конденсации водяного пара при давлениях, при которых работают реактивные турбины и поршневые двигатели. Важно отметить, что водяной пар, содержащий увлеченные капли жидкости, обычно несжимаем при этих давлениях. В двигателе или турбине, если пар, совершающий работу, охлаждается до температуры, при которой образуются капли жидкости, то увлеченные в потоке жидкости капли воды будут ударять по механическим деталям с достаточной силой, чтобы деформировать, потрескать или сломать их. Перегрев и снижение давления за счет расширения обеспечивают, чтобы поток пара оставался сжимаемым газом на всем протяжении турбины или двигателя, предотвращая повреждение внутренних движущихся частей.
Superheated steam is steam at a temperature higher than its vaporization point at the absolute pressure where the temperature is measured. Superheated steam can therefore cool (lose internal energy) by some amount, resulting in a lowering of its temperature without changing state (i. e., condensing) from a gas, to a mixture of saturated vapor and liquid. If unsaturated steam (a mixture which contains both water vapor and liquid water droplets) is heated at constant pressure, its temperature will also remain constant as the vapor quality (think dryness, or percent saturated vapor) increases towards 100%, and becomes dry (i. e., no saturated liquid) saturated steam. Continued heat input will then "super" heat the dry saturated steam. This will occur if saturated steam contacts a surface with a higher temperature. Superheated steam and liquid water cannot coexist under thermodynamic equilibrium, as any additional heat simply evaporates more water and the steam will become saturated steam. However, this restriction may be violated temporarily in dynamic (non equilibrium) situations. To produce superheated steam in a power plant or for processes (such as drying paper) the saturated steam drawn from a boiler is passed through a separate heating device (a superheater) which transfers additional heat to the steam by contact or by radiation. Superheated steam is not suitable for sterilization. This is because the superheated steam is dry. Dry steam must reach much higher temperatures and the materials exposed for a longer time period to have the same effectiveness; or equal F0 kill value. Superheated steam is also not useful for heating; while it has more energy and can do more work than saturated steam, its heat content is much less useful. This is because superheated steam has the same heat transfer coefficient of air, making it an insulator a poor conductor of heat. Saturated steam has a much higher wall heat transfer coefficient. Slightly superheated steam may be used for antimicrobial disinfection of biofilms on hard surfaces. Superheated steam's greatest value lies in its tremendous internal energy that can be used for kinetic reaction through mechanical expansion against turbine blades and reciprocating pistons, that produces rotary motion of a shaft. The value of superheated steam in these applications is its ability to release tremendous quantities of internal energy yet remain above the condensation temperature of water vapor; at the pressures at which reaction turbines and reciprocating piston engines operate. Of prime importance in these applications is the fact that water vapor containing entrained liquid droplets is generally incompressible at those pressures. In a reciprocating engine or turbine, if steam doing work cools to a temperature at which liquid droplets form, then the water droplets entrained in the fluid flow will strike the mechanical parts with enough force to bend, crack or fracture them. Superheating and pressure reduction through expansion ensures that the steam flow remains as a compressible gas throughout its passage through a turbine or an engine, preventing damage of the internal moving parts.
Насыщенный пар
Насыщенный пар – это пар, находящийся в равновесии с нагретой водой при одинаковом давлении, то есть он не был нагрет выше температуры кипения для данного давления. Это в отличие от перегретого пара, в котором пар (парообразное вещество) отделяется от капель воды, после чего добавляется дополнительное тепло. Эти капли конденсата являются причиной повреждения лопаток паровых турбин, поэтому такие турбины требуют подачи сухого, перегретого пара. Сухой пар – это насыщенный пар, который был незначительно перегрет. Этого недостаточно для существенного изменения его энергии, но достаточно для предотвращения проблем с конденсацией, учитывая средные потери температуры в контуре подачи пара. В конце XIX века, когда перегрев был еще не до конца отработанной технологией, такая сушка пара обеспечивала преимущества предотвращения конденсации, свойственные перегреву, без необходимости использования сложных конструкций котлов или передовых технологий смазки, применяемых при полном перегреве. Водяной пар, содержащий капли воды, называется влажным паром. При дальнейшем нагреве влажного пара капли испаряются, и при достаточно высокой температуре (зависящей от давления) вся вода испаряется, система достигает равновесия между паром и жидкостью и становится насыщенным паром. Насыщенный пар эффективен в теплопередаче благодаря высокой скрытой теплоте парообразования. Это очень эффективный способ передачи тепла. Проще говоря, насыщенный пар находится в точке росы при соответствующей температуре и давлении. Типичная скрытая теплота парообразования (или конденсации) для насыщенного пара при атмосферном давлении составляет…
Паровой двигатель
Сверхперегретый пар широко использовался в магистральных паровозах. Насыщенный пар имеет три основных недостатка в паровом двигателе: он содержит мелкие капли воды, которые необходимо периодически сливать из цилиндров; поскольку он находится точно в точке кипения воды для используемого давления в котле, он неизбежно конденсируется в той или иной степени в паропроводах и цилиндрах за пределами котла, что приводит к несоразмерной потере объема пара; и он создает значительную нагрузку на котел. Перегрев пара эффективно осушает его, повышает его температуру до уровня, при котором конденсация становится гораздо менее вероятной, и значительно увеличивает его объем. В совокупности эти факторы повышают мощность и экономичность локомотива. Основными недостатками являются усложнение конструкции и стоимость трубок перегревателя, а также негативное влияние "сухого" пара на смазку движущихся деталей, таких как паровые золотники. Выталкивающие локомотивы обычно не использовали перегрев. Обычно пар отбирался после регулятора и проходил через длинные трубки перегревателя, расположенные внутри специально увеличенных жаровых труб котла. Трубки перегревателя имели обратный ("торпедный") изгиб со стороны топки, чтобы пар проходил вдоль котла как минимум дважды, поглощая тепло при этом.
Обработка
Другие потенциальные области применения перегретого пара включают: сушку, очистку, нанесение слоев, реакционную инженерию, сушку эпоксидных смол и использование в пленочных технологиях, где требуется насыщенный или сильно перегретый пар при атмосферном или высоком давлении. Он идеально подходит для сушки паром, паровой окислительной обработки и химической переработки. Применяется в технологиях обработки поверхностей, технологиях очистки, сушке паром, катализе, химической обработке, технологиях сушки поверхностей, технологиях отверждения, энергетических системах и нанотехнологиях. Сообщалось о применении перегретого пара для санитарной обработки окружающей среды предприятий по переработке сухих продуктов питания. Перегретый пар обычно не используется в теплообменниках из-за низкого коэффициента теплопередачи. В нефтеперерабатывающей и углеводородной промышленности перегретый пар в основном используется для отгонки и очистки.
Борьба с вредителями
Пар используется для пропаривания почвы с 1890-х годов. Пар подается в почву, что приводит к разложению почти всего органического материала (используется термин "стерилизация", но он не совсем точен, так как не все микроорганизмы обязательно погибают). Пропаривание почвы – эффективная альтернатива многим химическим веществам в сельском хозяйстве и широко применяется производителями теплиц. В этом процессе преимущественно используется влажный пар, но если требуется температура почвы выше температуры кипения воды, необходимо использовать перегретый пар.