Перегретый пар — это пар , температура которого выше точки его испарения при абсолютном давлении , при котором измеряется температура.
Перегретый пар может, следовательно, охладиться (потерять внутреннюю энергию ) на некоторое количество, что приведет к снижению его температуры без изменения состояния (т. е. конденсации ) из газа в смесь насыщенного пара и жидкости . Если ненасыщенный пар (смесь, которая содержит как водяной пар, так и жидкие капли воды) нагревается при постоянном давлении , его температура также останется постоянной, поскольку качество пара (думаем, сухость или процент насыщенного пара) увеличивается до 100% и становится сухим (т. е. не насыщенной жидкостью) насыщенным паром. Затем продолжающийся подвод тепла «перегреет» сухой насыщенный пар. Это произойдет, если насыщенный пар соприкоснется с поверхностью с более высокой температурой.
Перегретый пар и жидкая вода не могут сосуществовать в условиях термодинамического равновесия , поскольку любое дополнительное тепло просто испаряет больше воды, и пар становится насыщенным паром. Однако это ограничение может временно нарушаться в динамических (неравновесных) ситуациях. Для производства перегретого пара на электростанции или для процессов (например, сушки бумаги) насыщенный пар, отбираемый из котла, пропускается через отдельное нагревательное устройство (пароперегреватель ) , которое передает дополнительное тепло пару посредством контакта или излучения .
Перегретый пар не подходит для стерилизации . [1] Это происходит потому, что перегретый пар сухой. Сухой пар должен достигать гораздо более высоких температур, а материалы, подвергавшиеся воздействию в течение более длительного периода времени, должны иметь ту же эффективность; или равное значение F0 kill . Перегретый пар также бесполезен для нагрева; хотя он имеет больше энергии и может выполнять больше работы , чем насыщенный пар, его теплосодержание гораздо менее полезно. Это происходит потому, что перегретый пар имеет тот же коэффициент теплопередачи , что и воздух, что делает его изолятором - плохим проводником тепла. Насыщенный пар имеет гораздо более высокий коэффициент теплопередачи стенки. [2]
Слегка перегретый пар можно использовать для антимикробной дезинфекции биопленок на твердых поверхностях. [3]
Наибольшая ценность перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетической реакции посредством механического расширения против лопаток турбины и возвратно-поступательных поршней , что производит вращательное движение вала. Ценность перегретого пара в этих приложениях заключается в его способности высвобождать огромные количества внутренней энергии, оставаясь при этом выше температуры конденсации водяного пара; при давлениях, при которых работают реактивные турбины и возвратно-поступательные поршневые двигатели.
Первостепенное значение в этих приложениях имеет тот факт, что водяной пар, содержащий вовлеченные капли жидкости, обычно несжимаем при таких давлениях. В поршневом двигателе или турбине, если пар, выполняющий работу, охлаждается до температуры, при которой образуются капли жидкости, то капли воды, вовлеченные в поток жидкости, будут ударять по механическим деталям с достаточной силой, чтобы согнуть, растрескать или сломать их. [4] Перегрев и снижение давления посредством расширения гарантируют, что поток пара останется сжимаемым газом на протяжении всего его прохождения через турбину или двигатель, предотвращая повреждение внутренних движущихся частей.
Насыщенный пар — это пар, который находится в равновесии с нагретой водой при том же давлении, т. е. он не нагрет выше точки кипения для своего давления. Это отличается от перегретого пара, в котором пар (испарение) был отделен от капель воды, а затем было добавлено дополнительное тепло.
Эти капли конденсата являются причиной повреждения лопаток паровых турбин [5], поэтому такие турбины используют подачу сухого перегретого пара.
Сухой пар — это насыщенный пар, который был очень слегка перегрет. Этого недостаточно, чтобы существенно изменить его энергию, но это достаточное повышение температуры, чтобы избежать проблем с конденсацией, учитывая среднюю потерю температуры в контуре подачи пара. К концу 19-го века, когда перегрев был еще не совсем надежной технологией, такая паровая сушка давала преимущества перегрева, исключающие конденсацию, без необходимости использования сложных котлов или смазочных технологий полного перегрева. [6]
Напротив, водяной пар, который включает в себя капли воды, описывается как влажный пар . Если влажный пар нагревается дальше, капли испаряются, и при достаточно высокой температуре (которая зависит от давления) вся вода испаряется, система находится в равновесии пар-жидкость , [7] и становится насыщенным паром .
Насыщенный пар выгоден при передаче тепла из-за высокой скрытой теплоты испарения. Это очень эффективный способ передачи тепла. Проще говоря, насыщенный пар находится в точке росы при соответствующей температуре и давлении. Типичная скрытая теплота испарения (или конденсации) составляет 970 БТЕ/фунт (2256 кДж/кг) для насыщенного пара при атмосферном давлении. [8]
Перегретый пар широко использовался в магистральных паровозах . Насыщенный пар имеет три основных недостатка в паровой машине : он содержит небольшие капли воды, которые необходимо периодически сливать из цилиндров; находясь точно в точке кипения воды для используемого давления котла, он неизбежно в некоторой степени конденсируется в паровых трубах и цилиндрах снаружи котла, вызывая при этом непропорциональную потерю объема пара; и он предъявляет высокие требования к котлу.
Перегрев пара эффективно осушает его, повышает его температуру до точки, где конденсация гораздо менее вероятна, и значительно увеличивает его объем. В совокупности эти факторы увеличивают мощность и экономичность локомотива. Основными недостатками являются дополнительная сложность и стоимость труб пароперегревателя и неблагоприятное воздействие, которое «сухой» пар оказывает на смазку движущихся компонентов, таких как паровые клапаны. Маневровые локомотивы, как правило, не использовали перегрев.
Нормальная компоновка включала отбор пара после регулирующего клапана и его пропускание через длинные трубы пароперегревателя внутри особо больших жаровых труб котла. Трубы пароперегревателя имели обратный («торпедный») изгиб на конце топки, так что пар должен был проходить длину котла по крайней мере дважды, забирая при этом тепло.
Другие потенциальные применения перегретого пара включают: сушку, очистку, наслаивание, реакционную технику, сушку эпоксидной смолы и использование пленки, где требуется насыщенный или сильно перегретый пар при давлении в одну атмосферу или при высоком давлении. Идеально подходит для сушки паром, парового окисления и химической обработки. Используются в поверхностных технологиях, технологиях очистки, паровой сушке, катализе, обработке химических реакций, технологиях сушки поверхности, технологиях отверждения, энергетических системах и нанотехнологиях.
Сообщалось о применении перегретого пара для санитарии окружающей среды на заводах по переработке сухих пищевых продуктов. [9]
Перегретый пар обычно не используется в теплообменниках из-за низкого коэффициента теплопередачи. [10] В нефтеперерабатывающей и углеводородной промышленности перегретый пар в основном используется для целей десорбции и очистки.
Пар использовался для пропаривания почвы с 1890-х годов. Пар вводится в почву, что приводит к разрушению почти всего органического материала (термин «стерилизация» используется, но он не совсем корректен, поскольку не все микроорганизмы обязательно погибают). Пропаривание почвы является эффективной альтернативой многим химикатам в сельском хозяйстве и широко используется тепличными фермерами. В этом процессе в основном используется влажный пар, но если требуются температуры почвы выше точки кипения воды 212 °F (100 °C), необходимо использовать перегретый пар. [11]