Vaporizarea si Condensarea -aplicatii tehnice

Vaporizarea si Condensarea -aplicatii tehnice

DEFINITIE

1. Trecerea unui lichid din stare lichida in stare gazoasa se numeste vaporizare.
2. Condensarea reprezinta fenomenul opus vaporizarii, adica transformarea vaporilor  din starea gazoasa in stare lichida.

Pentru a avea loc procesul de vaporizare este necesar ca lichidul sa absoarba o cantitate de energie. Energia este necesara pentru a rupe legaturile care tin moleculele de lichid impreuna. Lichidul se evapora cu usurinta la punctul de fierbere (pentru apa -100sC), dar se evapora mult mai greu la punctul de inghet. Cand nivelul vaporilor din mediul in care are loc procesul de vaporizare este de 100%, (la starea de 'saturatie'), vaporizarea nu mai poate continua. Procesul de vaporizare absoarbe caldura din mediu, de aceea temperatura are tendinta sa scada la nivelul suprafetelor pe care are loc procesul.

Condensarea este practic procesul invers vaporizarii. Pe masura ce se racesc, vaporii de lichid tind sa formeze particule din ce in ce mai mari, care vor forma picaturi de lichid, vaporii revenind in stare fluida.

Procesele de vaporizare si condensare pot fi observate cel mai usor urmarind circuitul apei in natura.

Vaporizarea este modul principal prin care apa in stare lichida se intoarce in circuitul general al apei sub forma de vapori in atmosfera. Oceanele, marile, lacurile si raurile furnizeaza aproximativ 90% din umiditatea atmosferei prin intermediul procesului de vaporizare, iar restul de 10% provine din transpiratia plantelor.

Pentru a avea loc vaporizarea este necesara caldura (energie calorica) furnizata de soare. Apa se evapora cu usurinta la punctul de fierbere (100sC), dar se evapora mult mai greu la punctul de inghet. Cand umiditatea relativa din aer este de 100%, (la starea de 'saturatie'), evaporarea nu mai poate continua. Procesul de evaporare absoarbe caldura din mediu, de aceea apa care se evapora de pe piele produce senzatia de racoare.

Desi atmosfera nu este un mare depozit de apa, ea este calea folosita pentru a muta apa pe glob dintr-o parte in alta. Intotdeauna exista apa in atmosfera. Norii sunt forma cea mai vizibila a apei atmosferice, dar si aerul curat contine apa-apa in particule prea mici pentru a fi vazute. In orice moment volumul de apa din atmosfera este de cca. 12900 de km3. Daca toata apa din atmosfera ar cadea odata, ar putea sa acopere pamantul cu un strat de 2,5 cm. de apa.

Condensarea este procesul prin care vaporii de apa din aer sunt transformati in apa in stare lichida. Condensarea este importanta pentru circuitul apei deoarece formeaza norii. Acestia pot produce precipitatii, care reprezinta principalul mod de intoarcere a apei pe Pamant. Condensarea este opusul evaporarii. Tot condensarea este cauza formarii cetei, a aburirii ochelarilor atunci cand se trece rapid de la frig la cald, a apei care se scurge pe partea exterioara a unui pahar in care este apa rece iar afara este cald, precum si a apei care se formeaza pe interiorul geamurilor casei intr-o zi rece.

Pentru producerea precipitatiilor, mai intai picaturile foarte fine de apa trebuie sa se condenseze si sa se combine pentru a produce o picatura suficient de mare si grea pentru a cadea din nor sub forma de precipitatie.

Ca o aplicatie in viata de zi cu zi a fenomenului de vaporizare putem mentiona motorul cu abur. Acesta a reprezentat motorul primei mari revolutii industriale de la sfarsitul sec XVIII si inceputul sec. XIX.

Inca din cele mai vechi timpuri omul a folosit forta aburului pentru a realiza diverse actionari in viata de zi cu zi.

Mentiuni despre primele forme de motor cu abur dateaza inca din jurul anilor 200 i.Hr.

1. Motorul cu abur ca un mecanism simplu:

Primele schite de aparate care functionau folosind forta aburului s-au descoperit in Egiptul antic. In Alexandria, casa a lui Euclid mare geometru si probabil contemporan cu talentatul matematician si inginer, Arhimede, un scriitor invatat numit Hero, a realizat un manuscris pe care l-a intitulat 'Spiritalia seu Pneumatica.'

Nu este sigur faptul ca Hero a fost inventatorul tuturor aparatelor descrie, dar are meritul de a fi cel care a reunit intr-o singura lucrare toate realizarile timpului.

Hero, in introducerea lucrarii sale isi afirma intentia de a descrie inventiile deja existente, dar si de a descrie aportul propriu la perfectionarea acestora.

Prima parte a lucrarii este dedicata de Hero aplicatiilor.

Motorul lui Hero este probabil primul motor descris, care foloseste forta aburului.

Motoarele cu abur de la acea vreme sunt descrise ca niste rezervoare semisferice cu tevi in care aburul este obtinut cu ajutorul focului plasat in partea lor inferioara. In rezervoare se gasea apa.

Pe acestea era montata o sfera care avea doua tevi indoite la capat, diametral opuse una fata de cealalta si deschise la extremitati. Focul care se facea sub rezervor, incalzea apa, aburul se ducea prin tevile EFG in glob si apoi iesea in atmosfera prin tevile intoarse la cap si producea invartirea globului in jurul axei sale.

Fig1 Motorul lui Hero

Motorul cu aburi a fost folosit ulterior pentru deschiderea usilor la temple, iar mai tarziu a mai fost folosit si pentru a pune in miscare sonde de extragere a titeiului si la masini agricole.

Aceasta utilizare si modul de functionare al motorului nu a fost descoperit decat mai tarziu, in 1765 cand mecanicul scotian James Watt, dupa studii indelungate, ajunge sa dea masinii cu vapori forma aproape definitiva, forma sub care a functionat si functioneaza si in prezent. Primele forme de motor cu abur inventate de Watt au fost motoare statice care ajutau la actionari si au capatat o larga utilizare in industrie.

Motorul cu abur are la baza un principiu simplu: apa fierbe intr-un cazan inchis si vaporii sub presiune trec intr-un cilindru ca sa impinga un piston. Pistonul este conectat la mecanisme de tip biela - manivela, care sunt conectate le roti. Acestea pun in miscare diverse utilaje.

2. Motorul cu aburi in transporturile feroviare navale si terestre.

Principala aplicatie a motorului cu abur a ramas totusi locomobila, locomotiva cu abur si vaporul cu zbaturi, deci motorul cu abur a capatat o noua utilizare, in transporturi.

Primele forme de montaj ale unor propulsoare care folosesc forta aburului dateaza din jurul anilor 1680 cand Isaac Newton a descris o jucarie care folosea pentru miscare forta aburului.

Este izbitoare asemanarea, ca principiu de functionare, dintre schita lui Newton si dispozitivul descris de Hero. Ambele folosesc pentru miscare forta aburului eliminat sub presiune printr-un ajutaj.

Fig.2 - "Caruta" cu abur a lui Newton

In compartimentul D se facea focul care incalzea apa din vasul B, iar aburul era lasat sa iasa afara prin ajutajul C care propulsa vehiculul inainte. Cantitatea de abur evacuata era controlata de conducator prin maneta EF.

Cercetarile in domeniu au continuat, existand mai multe incercari de a realiza vehicule care sa functioneze folosind forta aburului.

Astfel in anul 1770, un ofiter al armatei franceze, NICHOLAS JOSEPH CUGNOT a realizat un vehicul care folosea un motor cu abur si care, conform marturiilor vremii ar fi functionat, facand un voiaj demonstrativ prin Paris.

Fig.3. Aceasta este  caruta cu abur a lui Cuginot 1770 cu care se spune ca ar fi mers prin Paris.

In 1784, Watt si asistentul sau, Murdoch au realizat un brevet de inventie pentru o locomotiva propulsata de un motor cu abur. Modelul se gaseste expus la muzeul brevetelor din South Kensington - Londra.

Fig. 4 Locomotiva a lui Murdoch - 1784

Se spune ca locomotiva a mers cu 6 sau 8 mile pe ora, rotile motoare facand aproape 200-275 de rotatii pe minut.

Mai tarziu, in jurul anilor 1800, un tanar inginer Richard Threvithic, a construit prima locomotiva al carei cazan este dispus orizontal, asemenea viitoarelor locomotive clasice cu abur.

Fig. 5 Locomotiva lui Threvithic din 1804

Aceasta locomotiva a functionat pe ruta Welsh - Penydarran. Se poate observa cazanul A, dispus pe orizontala si un singur piston B pus pe verticala. Tija pistonului actiona niste mecanisme mari biela - manivela D care la randul lor actionau rotile C.

Threvithic a mai construit si alte locomotive, precum si o cale ferata in jurul Londrei in 1808. Era o locomotiva cu cateva vagoane. Masinaria cantarea aproximativ 10 tone si circula cu 12-15 mile pe calea ferata circulara din jurul Londrei. Constructorul a spus ca putea sa atinga o viteza chiar si de 20 de mile pe ora (34km/h) care, era o viteza impresionanta pe vremea aceea. Nu a reusit niciodata sa realizeze aceasta performanta deoarece locomotiva a deraiat si nu a mai functionat niciodata.

Prima locomotiva a lui George Stephenson, considerata prima locomotiva moderna, a fost construita in 1815 si a continuat cu modelul "No.1", cu care s-a inaugurat calea ferata dintre Stockton si Darlington in 1815. Locomotiva mentionata mai sus a tractat un tren cu greutatea de 90 de tone cu o viteza de 12 - 15 mile pe ora. Stephenson nu a considerat ca o data cu aceasta realizare si-a terminat opera si dupa inaugurarea liniei Stockton - Darlington s-a gandit sa faca o cale ferata intre Liverpool si Manchester.

Fig.6 Imagine a liniei Stockton - Darlington si a locomotivei THE ROKET

Probabil ca cea mai faimoasa locomotiva cu abur a lui Stephenson a ramas THE "ROCKET" construita in 1829. Aceasta a fost cea care a functionat pe calea ferata Liverpool - Manchester. A fost singura capabila sa atinga viteza de 20 de mile/ora - aproximativ 34 km/h frecvent, fiind un adevarat tren de mare viteza al acelor vremuri.

THE ROKET este considerata precursoarea locomotivelor cu abur moderne, care au fost folosite la tractarea trenurilor de calatori si marfa.

Schematic o astfel de locomotiva se prezinta ca in fig.7

Fig7. Locomotiva cu abur

Locomotivele cu abur au ca principale parti componente 1-Ecran aerodinamic; 2-Cos de fum; 3-Preancalzitor de apa; 4-Conducte de incalzire; 5-Regulator; 6-Colector de abur; 7-Supapa de siguranta; 8-Tuburi de incalzire; 9-Focar; 10-Alimentator mecanic pentru focar; 11-Conducte de evacuare abur; 12-Cilindrii de presiune; 13-Roti motoare; 14-15-Mecanism cu biele pentru transmiterea miscarii; 16-Rezervor de apa pentru alimentarea cazanului.

O astfel de locomotiva functiona astfel: Focul din focarul 9 incalzea apa prin intermediul conductelor de incalzire 8 producand vaporizarea acesteia si cresterea presiunii de abur din interiorul cazanului. Prin intermediul regulatorului 5, aburul sub presiune este transmis in cilindrii de presiune 12, unde pune in miscare pistoanele a caror tija este legata de mecanismul de biele 14-15. Bielele actioneaza asupra rotilor motoare 13, transmitand miscarea pistoanelor, producand miscarea locomotivei. Alimentarea cu apa a cazanului se face din rezervorul de apa 16 din tender, iar alimentarea cu combustibil a focarului se face tot din tender prin intermediul sistemului mecanic de alimentare 10. Supapa de siguranta 7 are rolul de a reduce presiunea de abur din cazan atunci cand aceasta depaseste limitele maxime admise. Fumul generat de arderea combustibilului in focar este eliminat prin cosul de fum 2, cos prin care se elimina si vaporii ce nu s-au condensat dupa utilizarea acestora in cilindrii de presiune. Apa rezultata in urma condensarii partiale a vaporilor dupa utilizarea acestora in cilindrii de presiune se elimina printr-un sistem aflat pe cilindrii respective, direct in exterior. De mentionat ca pistonul care actioneaza mecanismul cu biele este un piston cu dublu efect, adica este actionat de aburul sub presiune pe ambele fete sporind astfel forta de remorcare a locomotivei prin eliminarea cursei fara forta a pistonului. Acest lucru se realizeaza prin intermediul unui mecanism de distributie a aburului, functie de pozitia pistonului.

Locomotivele cu abur, in perioada lor de glorie, in jurul anilor 1920 - 1940, au atins viteze de peste 200 km/h (The Mallard in Anglia).

In Romania cele mai rapide locomotive cu abur folosite la CFR, au fost cele din seria 231 - Pacific, importate din Germania de la firma Krauss - Maffei, care atingeau viteze de peste 126 km/h. Cele mai rapide locomotive fabricate in Romania, dar si cele mai spectaculoase constructiv, au fost cele din seria 142 care atingeau viteze de 110 km/h. Tractiunea cu abur a fost utilizata la CFR pana in jurul anilor 1975, dupa care a fost integral inlocuita cu tractiunea diesel si electrica, astfel ca in 1985 locomotiva cu abur nu se mai folosea nici la activitatile curente de manevrare a vagoanelor. Astazi mai putem intalni ocazional, utilizate pentru trenuri de agrement, locomotive cu abur.

Ca aplicatii in viata de zi cu zi a fenomenului de condensare putem enumera: aparate de obtinere a apei distilate, de separare a sarii din solutii saturate de sare, de obtinere a alcoolului, de distilare a hidrocarburilor, dar mai nou si utilizarea condensarii pentru sporirea randamentului centralelor termice.

Aparatele de distilare sunt practic aparate care copiaza, la scara redusa si temperaturi controlate, circuitul apei in natura. Solutia care trebuie distilata se introduce intr-un recipient in care se incalzeste pana la temperatura sau temperaturile de vaporizare. Vaporii sunt apoi trecuti printr-o coloana de racire, unde condenseaza, fiind recuperat lichidul. Pentru separatoarele de sare, se recupereaza sarea care se depune pe peretele vasului in care s-a introdus solutia saturata.

Principiul condensarii este insa folosit si in tehnologia de incalzire. La aparatele si sistemele de incalzire cu condensare, vaporii de apa continuti in gazele de ardere condenseaza la suprafata schimbatorului de caldura al aparatului si energia lor remanenta este pusa din nou, sub forma de caldura, la dispozitia sistemului de incalzire. Cu alte cuvinte, simplificand, putem spune ca centralele termice cu condensare utilizeaza si valorifica si acea parte a energiei care la centralele termice traditionale s-ar pierde odata cu evacuarea gazelor arse pe cosul de fum, sau altfel spus, centralele cu condensare preiau si folosesc - datorita suprafetelor mari destinate schimbului de caldura - si o mare parte din caldura ramasa in gazele de ardere.

Principiul de functionare al centralelor termice cu condensare este simplu de inteles: la fiecare ardere care are loc, in aparat se formeaza vapori de apa, care, in mod normal, sunt evacuati o data cu gazele arse.

Centralele cu condensare sunt echipate cu schimbatoare de caldura mai mari fata de centralele termice traditionale, astfel ca suprafetele - fin distribuite si imbinate - prin intermediul carora are loc schimbul de caldura intre agentul de incalzire si mediul cald din interiorul centralei, sunt mult mai mari, ceea ce conduce la un schimb de caldura mai intens, acesta permitand vaporilor de apa sa condenseze inca in interiorul centralei. Caldura de condensare care se elibereaza in timpul acestui proces este dirijata din nou catre circuitul de incalzire, contribuind astfel cu o cantitate suplimentara de energie. Apa rezultata in timpul procesului de condensare este eliminata de aparat catre teava de ape reziduale.

Cu alte cuvinte, simplificand, putem spune ca centralele termice cu condensare utilizeaza si valorifica si acea parte de energie care la centralele termice traditionale se pierde odata cu evacuarea gazelor arse si a vaporilor, pe cosul de fum, sau altfel spus, centralele cu condensare preiau si folosesc - datorita suprafetelor mari destinate schimbului de caldura - si o mare parte din caldura ramasa in gazele de ardere, acestea avand la evacuare o temperatura mult mai mica.

Gradul inalt de utilizare a energiei folosite pentru incalzire la centralele cu condensare, permite ca acestea sa ofere utilizatorilor o spectaculoasa reducere a cantitatii de combustibil consumat. Comparativ cu centralele traditionale, cele cu condensare au consumuri de combustibil substantial reduse. Implicit, emisiile poluante ale centralelor cu condensare sunt corespunzator mai reduse.