Wprowadzenie
Rewolucja przemysłowa (ok. 1760-1820) mogła być napędzana węglem, ale była zasilana parą. Ludzie wykorzystują moc pary od tysięcy lat, ale dopiero w ciągu ostatnich 200 lat zaczęliśmy polegać na niej w niezliczonych zastosowaniach przemysłowych. Ten kurs bada pochodzenie pary, jej teorię (termodynamikę), generację i zastosowania.
Historia
Pierwsze użycie pary odnotowano kilka tysięcy lat temu. Heron z Aleksandrii stworzył jedną z pierwszych turbin parowych w I wieku, ale koncepcja ta znalazła niewielkie zastosowanie aż do późniejszych lat 1800.
Aeolipile (Silnik Herona)
Na początku rewolucji przemysłowej, James Watt zaprojektował silnik tłokowy napędzany parą; projekt ten nazywano silnikiem parowym. Silnik parowy został szeroko przyjęty i stał się jednym z najbardziej ikonicznych napędów tamtej epoki.
Rysunek silnika parowego Boultona i Watta
Jednak James Watt nie był jedyną osobą, która wykorzystała moc pary do wykonywania użytecznej pracy. Inżynierowie szybko zdali sobie sprawę, że silniki parowe mogą być używane w szerokim zakresie zastosowań. Niektóre zastosowania obejmowały napędzanie lokomotyw kolejowych, traktorów i statków.
Samochód napędzany parą
Mniej więcej w tym samym czasie, gdy zastosowania pary rosły, szybkie postępy w inżynierii elektrycznej doprowadziły do wzrostu zapotrzebowania na napędy główne, które mogłyby być używane do generowania najnowszego cudu epoki... elektryczności!
Turbiny parowe okazały się idealnymi napędami głównymi dla nowego przemysłu energetycznego. Dziś ponad 80% światowej energii elektrycznej pochodzi z napędów głównych turbin parowych.
Prawie wszystkie napędy główne rewolucji przemysłowej były napędzane parą, a to kotły dostarczały tę parę. W miarę jak zastosowania pary rosły, rosła również ilość i różnorodność konstrukcji kotłów parowych. Postępy w technologii i materiałach pozwoliły na tworzenie coraz większych napędów głównych, co doprowadziło do odpowiedniego wzrostu wielkości i mocy kotłów parowych.
Para jest używana w prawie wszystkich nowoczesnych procesach przemysłowych, bezpośrednio w procesie lub do usług pomocniczych, takich jak ogrzewanie wody lub ogrzewanie pomieszczeń. Następna lekcja omawia główne zastosowania pary.
Zastosowania pary
Para jest używana do czterech głównych celów:
- Ogrzewanie – zamknięta pętla. Prosta konstrukcja. Niskie ciśnienia i temperatury.
- Generacja energii – projekty systemów różnią się od prostych do zaawansowanych. Szeroki zakres ciśnień i temperatur. Może produkować średnie do bardzo dużych ilości pary.
- Procesy przemysłowe – podobne do systemów parowych generacji energii, chociaż mogą istnieć znacznie bardziej rygorystyczne tolerancje dotyczące jakości pary. Systemy parowe są często kluczowe dla procesu produkcyjnego zakładu/fabryki, tj. brak pary = brak produkcji.
- Praca mechaniczna – para może -i jest- używana do napędzania pomp, sprężarek i innych urządzeń, które mogą nie być dobrze przystosowane do napędu elektrycznego lub innego rodzaju napędu.
Rzadko odwiedza się zakład przemysłowy, który nie ma na miejscu kotła. Chociaż zastosowania pary są liczne, zazwyczaj należą do jednej z czterech wymienionych kategorii.
Dlaczego para?
Ludzka cywilizacja potrzebuje energii do funkcjonowania, dużo jej. Bez energii nie byłoby możliwe pompowanie wody do miast, dostarczanie energii elektrycznej do domów, napędzanie samochodów czy ogrzewanie budynków. Przed użyciem przez końcowych konsumentów, cała energia musi najpierw zostać wygenerowana i przekazana do punktu użycia.
Elektryczność jest przykładem przekazywanej energii. Elektrownie generują energię elektryczną poprzez przekształcanie ciepła, ciśnienia i/lub energii kinetycznej w prąd elektryczny. Przekształcenie pierwotnego źródła energii w energię elektryczną pozwala na jej łatwe przekazywanie na duże odległości do punktu użycia.
Para może -i jest- również używana do przekazywania energii, ale w przeciwieństwie do elektryczności, para przekazuje energię cieplną i jest cieczą. Ponieważ para jest cieczą i jest używana do przekazywania energii, nazywa się ją cieczą energetyczną.
Ciecz nie ma stałego kształtu i ustępuje pod wpływem zewnętrznego ciśnienia, tj. ciecze łatwo płyną. Ciecze mogą być cieczą lub gazem.
Ciecz energetyczna to ciecz używana do przekazywania energii, zazwyczaj w formie ciepła (energii cieplnej), ciśnienia (energii ciśnienia) i/lub prędkości (energii kinetycznej).
Chociaż dostępne są inne ciecze energetyczne, para jest uważana za „ciecz energetyczną” i jest zdecydowanie najczęściej używaną cieczą energetyczną dzisiaj. Powody popularności pary są ściśle związane z właściwościami wody, z której jest wytwarzana. Woda jest:
- Obfita.
- Łatwa do uzyskania (zależnie od lokalizacji geograficznej).
- Tania w porównaniu do innych cieczy energetycznych.
- Nietoksyczna.
- Łatwa do przekazywania, tj. można ją pompować.
- Łatwa do kontrolowania, tj. za pomocą zaworów itp.
Po przekształceniu wody w parę, staje się ona cieczą energetyczną o wielu korzystnych właściwościach:
- Dana masa pary może zawierać pięć do sześciu razy więcej energii niż równoważna masa wody.
- Może być generowana wydajnie; wiele kotłów działa z >80% sprawnością cieplną.
- Może być łatwo dystrybuowana poprzez tworzenie różnicy ciśnień w systemie parowym.
- Jest nietoksyczna i nie szkodzi środowisku.
- Nie iskrzy, nie zapala się ani nie wybucha (bezpieczna wewnętrznie).
- Ilość energii w systemie można łatwo regulować, regulując ciśnienie pary.
- Właściwości transferu ciepła pary są wysokie.
Inne ciecze energetyczne są zazwyczaj używane tylko wtedy, gdy pewne zmienne sprawiają, że użycie pary jest niepożądane. Na przykład oleje termiczne (olej mineralny) są używane do przekazywania dużych ilości ciepła w bardzo wysokich temperaturach, dla których para może nie być odpowiednia. Ze względów bezpieczeństwa budynki są często ogrzewane wodą o temperaturze znacznie poniżej jej punktu wrzenia; niższe ciśnienia i temperatury również zmniejszają obciążenie rur i komponentów systemu, co wydłuża ich żywotność.
System parowy
Cel pary to transport energii z miejsca, gdzie jest generowana, do miejsca, gdzie jest potrzebna, minimalizując straty energii związane z przekazywaniem. Aby to osiągnąć, systemy parowe składają się z czterech głównych części.
- System paliwowy – dostarcza energię chemiczną do kotła (lub turbiny spalania, jeśli używany jest generator pary z odzyskiem ciepła (HRSG)).
- Kocioł – przekształca energię chemiczną paliwa w energię cieplną.
- Dystrybucja – przekazuje parę do punktu użycia.
- Zbieranie/Odzysk – odzyskuje kondensat (wodę) z systemu parowego i zwraca go do kotła.
Wymienione powyżej systemy tworzą jeden podstawowy cykl procesu:
- Generacja
- Dystrybucja
- Odzysk
- Powtórzenie
Energia jest przekazywana do pary podczas generacji. Para jest następnie dystrybuowana do punktu użycia, gdzie część energii jest przekazywana z pary. Utrata energii powoduje, że część pary kondensuje i tworzy kondensat, który jest następnie odzyskiwany, oczyszczany i zwracany do kotła. Cały proces jest zaprojektowany na podstawie transferu energii.
- Generacja – energia chemiczna paliwa przekazywana do wody. Woda kotłowa wrze, a następnie paruje, tworząc parę.
- Dystrybucja – energia przekazywana do punktu użycia.
- Odzysk – część pary oddaje energię w punkcie użycia i kondensuje, tworząc wodę.
- Powtórzenie – pozostała energia w kondensacie jest zwracana do kotła.
Należy zauważyć, że w elektrowniach cieplnych może być używany skraplacz do zmiany pary wylotowej turbiny parowej na kondensat przed jej zwróceniem do kotła.
Dodatkowe zasoby
https://en.wikipedia.org/wiki/Steam
https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam