Abur

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Aburul este incolor, dar devine vizibil datorită picăturilor de apă apărute în urma condensării în aer. Apa supraîncălzită a gheizerului Old Faithful din Parcul Naţional Yellowstone se vaporizează parţial la ieşirea în atmosferă.

În tehnică, prin abur se înţelege apă în stare de vapori.

În exprimarea curentă, expresiile abur şi vapori de apă se folosesc alternativ.

Se spune abur:

în cazul obţinerii printr-un proces de fierbere,
în cazul vaporizării unei părţi din apa supraîncălzită (gheizere, scăpări prin neetanşeităţi),
la plural, în cazul condensării, fiind vizibili („se văd aburi ridicându-se deasupra mlaştinii”).

Se spune vapori de apă:

în cazul obţinerii printr-un proces de evaporare, ei nefiind vizibili,
la vaporii de apă din atmosferă aflaţi în stare gazoasă,
în fizică, chimie (tabele cu proprietăţi fizice ale vaporilor de apă).

Aburul este un agent termic larg utilizat în tehnică la producerea lucrului mecanic (ex. în turbine cu abur şi în motoarele cu abur), în scopuri tehnologice (ex. în industria chimică, alimentară etc.), pentru încălzit etc., fiind uşor de produs şi putând acumula cantităţi mari de căldură.^[1] Spre deosebire de vaporii de apă din atmosferă, care sunt amestecaţi cu aer, aburul tehnic nu este amestecat cu alte substanţe, eventualele urme de săruri sau ulei fiind considerate impurităţi.

[modifică] Clasificare

Aburul se clasifică în funcţie de diferite criterii.^[2]

[modifică] După tip

La o presiune dată, aburul poate fi:

abur saturat umed, când mai conţine lichid;
abur saturat uscat, când nu mai conţine umiditate, dar o cât de mică cedare de căldură îl aduce în stare de abur saturat umed;
abur supraîncălzit, când temperatura lui e superioară celei de saturaţie la presiunea respectivă.

[modifică] După presiune

După valoarea presiunii, se deosebeşte:

abur pentru termoficare, cu presiunea de 1,2 - 2,0 bar;
abur de presiune joasă (până la 15 bar), utilizat în scopuri tehnologice şi uneori în instalaţii de încălzire;
abur de presiune medie (15 - 80 bar), folosit în turbine de parametri medii;
abur de presiune înaltă (80 - 221 bar), folosit în turbine de putere mare;
.abur de presiune supracritică (peste 221 bar), folosit în turbine de foarte mare putere.

[modifică] După provenienţă

După provenienţă, aburul poate fi:

abur proaspăt (sau viu), abur adus direct de la generator la utilizator, fără să fi fost utilizat în alt agregat şi fără să fi suferit vreo reducere de presiune şi temperatură;
abur derivat (sau prelevat), abur care a fost utilizat parţial într-o maşină şi apoi derivat pentru alte scopuri;
abur uzat, abur evacuat din turbină după utilizarea totală;
abur laminat, abur căruia i s-a redus presiunea fără producere de lucru mecanic.

Aburul derivat şi cel uzat mai este utilizat în scopuri tehnologice sau pentru termoficare. Dacă se pune problema ca o turbină să alimenteze cu abur un proces tehnologic sau termoficarea, aburul este prelevat (la turbinele cu condensaţie) respectiv evacuat (la turbinele cu contrapresiune) la parametrii necesari procesului, respectiv termoficării.

[modifică] Proprietăţi fizice

Diagramă T-s pentru vapori de apă

Diagramă i-s pentru vapori de apă

În energetică, proprietăţile fizice care prezintă intres sunt:

masa molară, de care este legat volumul masic, care este un parametru termodinamic;
Capacitatea termică masică, de care sunt legate valorile entalpiei şi entropiei, care definesc starea energetică;
Conductivitatea termică şi viscozitate dinamică, de care depind fenomenele de transfer termic.

Capacitatea termică masică (implicit entalpia şi entropia), conductivitatea termică şi viscozitatea dinamică depind de presiune şi temperatură, după legi neliniare. Actual aceste proprietăţi fac obiectul activităţii Asociaţiei Internaţionale pentru Proprietăţile Apei şi Aburului (The International Association for the Properties of Water and Steam - IAPWS), care organizează conferinţe anuale pentru urmărirea progreselor privind aceste proprietăţi şi sub egida căreia se redactează formalizări internaţionale. Formulele sunt complexe, pentru calculul valorilor fiind necesar un calculator electronic programabil.

În decursul timpului:

În anul 1904 Richard Mollier a trast primele diagrame având entalpia pe una din axe,^[3] bazate pe ecuaţia de stare a lui Koch:^[2]

$v = \frac{RT}{p} - \frac{A}{\left( \frac{T}{100} \right)^{2,82}} - p^2 \left[ \frac{B}{\left( \frac{T}{100} \right)^{14}} + \frac{C}{\left( \frac{T}{100} \right)^{31,6}} \right]$

În anii '50 Mihail Vukalovici a propus^[4] o ecuaţie de stare cu coaficienţi viriali, pe baza cărora s-au calculat valori ale proprietăţilor aburului utilizate pe plan mondial în deceniile 5 şi 6 a secolului al XX-lea.
Ernst Schmidt a propus succesiv mai multe ecuaţii de stare empirice, ^[5] ultima fiind acceptată la Conferinţa IAPWS din 1966 (IAPWS-66) şi care a fost valabilă până în 1968, când IAPWS-68 a adoptat prima formalizare modernă.

Actual se folosesc formalizările:

IAPWS-95 pentru aplicaţii ştiinţifice (program simplu, foarte precis, dar cu viteză mică), formalizare bazată pe potenţialul termodinamic Helmholz. Valorile calculat sunt verificate până la 1000 °C şi 10000 bar şi se consideră că pot fi extrapolate până la 5000 °C şi 100000 bar.
IAPWS-IF97 pentru aplicaţii industriale (program cu viteză mare, dar mai puţin precis), bazat pe relaţii empirice. Valorile calculat sunt bune până la 800 °C şi 1000 bar.

Valorile se găsesc gata calculate în tablele ^[6], însă în practică este mult mai intuitivă folosirea unor diagrame termodinamice. ^[6] ^[7] Se folosesc diagrama T-s şi diagrama i-s (Mollier), care sunt larg folosite în aprecierea randamentului termic al ciclului Clausius-Rankine şi a randamentului intern al turbinelor cu abur.

[modifică] Abur umed

La o anumită presiune (p_s), apa fierbe la temperatura de saturaţie (t_s). Temperatura de saturaţie a apei în funcţie de presiune se poate calcula cu aproximaţie cu relaţia: ^[8]

$t_s = 100\, \sqrt[4]{p_s}$ ( °C)

În tehnică se consideră că procesul de fierbere la presiune constantă decurge astfel: absorbind căldură, apa se încălzeşte până la temperatura de saturaţie fără să degajeze vapori (aproximaţie suficient de exactă pentru nevoile practicii), obţinându-se apă la saturaţie. Absorbind căldură în continuare, apa de transformă treptat în abur, fără ca temperatura sa să varieze. În momentul în care toată apa s-a vaporizat, ea s-a transformat în abur saturat (uscat). Introducând căldură în continuare, temperatura aburului creşte, el devenind abur supraîncălzit.

Domeniul aburului umed.

În perioada trecerii de la apă la saturaţie la abur saturat, amestecul de abur saturat şi apă la saturaţie se numeşte abur (saturat) umed. Proporţia de abur saturat în amestec este titlul aburului:

$x = \frac {m_{abur}}{m_{apa} + m_{abur}}$

unde m_apa este masa apei la saturaţie, iar m_abur este masa aburului saturat.

Titlul aburului ia valori între 0 (apă la saturaţie) şi 1 (abur saturat). Pentru diferite presiuni, în diagrama T-s (v. fig. alăturată) starea de apă la saturaţie este pe curba de x = 0, iar starea de abur supraîncălzit este pe curba de x = 1. La presiunea normală (de 101325 Pa = 1,013 bar) căldura latentă de vaporizare (căldura necesară fierberii) este de 2257 kJ/kg. La presiuni mai mari, această căldură scade, curbele x = 0 şi x = 1 se apropie şi se întâlnesc la presiunea critică de 221,2 bar în punctul critic, a cărui temperatură este de 374 °C. Peste această presiune, este domeniul supracritic, în care vaporizarea apei se face fără o transformare de fază vizibilă, prin umflare continuă. ^[9]

Domeniul din diagrama T-s de sub curbele x = 0 şi x = 1 este domeniul aburului umed.

[modifică] Abur supraîncălzit

Este folosit în special în termoenergetică, unde parametrii aburului viu sunt urmărtorii:^[10]

**Parametrii aburului pentru scopuri energetice**
Simbol	A	B ^†	C	D	E	F ^‡
Presiune (bar)	35	63	90	130	165	180
Temperatură °C	435	510	535	535 / 565	535 / 565	535 / 565

^† Nu se mai foloseşte.
^‡ Pentru cicluri cu resupraîncălzire intermediară.

[modifică] Utilizări

[modifică] În tehnică:

Aburul industrial este produs în generatoare de abur şi este folosit:

ca agent de lucru în turbine cu abur şi motoare cu abur (locomotive cu abur) - de remarcat că marile termocentrale pot avea producţii de abur de mii de tone pe oră;
ca agent termic la extracţia ţiţeiului şi la rafinarea lui, precum şi în reacţiile de cracare pentru obţinerea benzinei;
ca agent termic în industria uşoară, la fierberi în industria alimentară, vopsitorie şi călcătorie în industria textilă, la curbarea şi uscarea lemnului în industria mobilei;
la desalinizarea apei de mare;
ca materie primă la producerea gazului de apă;
ca agent termic la încălzirea cu abur, respectiv în termoficare;
ca fluid de antrenare în ejectoarele de abur;
ca materie primă pentru obţinerea apei distilate;
ca agent de lucru la obţinerea vidului prin condensare în condensatoare;

[modifică] În medicină:

la aparate de sterilizat;
la inhalaţii.

[modifică] Pentru uz casnic:

la prepararea alimentelor;
la călcat cu fierul de călcat cu aburi;
la curăţarea cu aburi;
în saune.

[modifică] Bibliografie

^ Academia Republicii Populare Române, Dicţionar Enciclopedic Român, Editura Politică, Bucureşti, 1962-1964
^ ^a ^b Răduleţ, R. şi colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, Bucureşti, 1957-1966.
^ Mollier, R. Neue Diagramme zur Technischen Wärmelehre, Springer Verlag, Berlin, 1904
^ Vukalovici, M. P. Tabliţî termodinamiceskih svoistv vodu i vodianogo para, Ed Moskva, Leningrad, 1963
^ Schmidt, E. Technische Termodynamik, Springer Verlag, Berlin, 1975
^ ^a ^b Properties of Water and Steam in SI-Units. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf, 0 - 800 °C, 0 - 1000 bar, Springer Verlag, Berlin, 1981. ISBN 3-540-09601-9, ISBN 0-387-09601-9
^ Mollier h,s-Diagram for Water and Steam, Springer Verlag, Berlin 1998. ISBN 3-540-64375-3
^ Theil, H. Termotehnică şi maşini termice, Litografia Institulului Politehnic Timişoara, 1972.
^ Vlădea, I. Tratat de termodinamică tehnică şi transmiterea căldurii, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974
^ Creţa, G. Turbine cu abur şi cu gaze, Editura Tehnică, 1996, ISBN 973-31-0965-7

[modifică] Vezi şi

[modifică] Legături externe

IAPWS
Formalizarea IAPWS-95 (PDF)
Formalizarea IAPWS-IF97 (PDF)
Cod program după formalizarea IAPWS-IF97
Tabele cu proprietăţile termodinamice ale apei şi aburului, Institutul Naţional pentru Standarde şi Tehnologii (National Institute of Standards and Technology, NIST)
Ce e aburul? (articol despre proprietăţile apei şi aburului, en)
Calculator online a proprietăţilor termodinamice ale aburului (Spirax Sarco, en)

[DER-0] Academia Republicii Populare Române, Dicţionar Enciclopedic Român, Editura Politică, Bucureşti, 1962-1964

[LTR-1] Răduleţ, R. şi colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, Bucureşti, 1957-1966.

[2] Mollier, R. Neue Diagramme zur Technischen Wärmelehre, Springer Verlag, Berlin, 1904

[3] Vukalovici, M. P. Tabliţî termodinamiceskih svoistv vodu i vodianogo para, Ed Moskva, Leningrad, 1963

[4] Schmidt, E. Technische Termodynamik, Springer Verlag, Berlin, 1975

[WS-5] Properties of Water and Steam in SI-Units. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf, 0 - 800 °C, 0 - 1000 bar, Springer Verlag, Berlin, 1981. ISBN 3-540-09601-9, ISBN 0-387-09601-9

[6] Mollier h,s-Diagram for Water and Steam, Springer Verlag, Berlin 1998. ISBN 3-540-64375-3

[Theil-7] Theil, H. Termotehnică şi maşini termice, Litografia Institulului Politehnic Timişoara, 1972.

[Vl.C4.83dea-8] Vlădea, I. Tratat de termodinamică tehnică şi transmiterea căldurii, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974

[9] Creţa, G. Turbine cu abur şi cu gaze, Editura Tehnică, 1996, ISBN 973-31-0965-7

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]