1. Podstawy termodynamiczne pary wodnej

Para wodna ma inne właściwości niż woda:

• jest ściśliwa,

• ma dużą energię wewnętrzną,

• zmienia objętość w zależności od temperatury i ciśnienia,

• jej gęstość ρ zmienia się w sposób nieliniowy.

Gęstość pary obliczamy ze wzoru gazu doskonałego (dla uproszczeń inżynierskich):

ρ = P × M / ( R × T )

gdzie:
ρ – gęstość pary [kg/m³]
P – ciśnienie absolutne [Pa]
M – masa molowa pary (18,015 kg/kmol)
R – uniwersalna stała gazowa (8,314 J/mol·K)
T – temperatura [K]

Przykład obliczeń:
Para nasycona przy 10 bar(g) → P_abs = 1,1 MPa
T ≈ 184°C → T = 457 K

ρ = 1 100 000 × 18,015 / (8,314 × 457)
ρ ≈ 5,24 kg/m³

2. Prędkość przepływu pary – kluczowy parametr

Prędkość przepływu obliczamy jak dla każdego medium:

v = Q / A

Ale Q dla pary liczymy w kg/h, więc musimy zamienić na objętościowy:

Q_vol = Q_mass / ρ

Czyli:

v = ( Q_mass / ρ ) / A

Zalecane prędkości dla pary:

Zbyt duża prędkość = erozja korpusu i gniazd.
Zbyt mała prędkość = niestabilność zaworów regulacyjnych.

3. Straty ciśnienia zaworu dla pary – wzór ogólny

Dla pary stosuje się ten sam wzór:

ΔP = ζ × ( ρ × v² / 2 )

Ale gęstość ρ dla pary jest niska – więc prędkości rosną szybciej.

4. Dobór zaworów regulacyjnych do pary – wzór na Kv

Dla zaworów regulacyjnych (grzybkowych i kuli regulacyjnych):

Q_mass = 3600 × Kv × Y × √( ΔP × ρ )

gdzie:
Q_mass – przepływ masowy [kg/h]
Kv – współczynnik przepływu
ΔP – spadek ciśnienia [bar]
Y – współczynnik ściśliwości pary

Współczynnik Y obliczamy:

Y ≈ 1 – 0,5 × ( ΔP / P1 )

gdzie:
P1 – ciśnienie na wejściu

Dla ΔP > 0,25 × P1 → przepływ krytyczny.

Wtedy:

Q_mass = 3600 × Kv × 0,667 × √( P1 × ρ )

5. Przepływ krytyczny pary – kluczowy warunek bezpieczeństwa

Para wodna osiąga przepływ krytyczny, gdy:

ΔP > 0,54 × P1

W takim przypadku zwiększenie ΔP NIE zwiększa przepływu – rośnie tylko prędkość i erozja.

Wzór:

m_kryt = C × A × P1 × √( k / ( R × T ) ) × ( 2 / (k+1) )^{ (k+1)/(2(k-1)) }

k – wykładnik politropy pary (≈1,33)

To warunek, który eliminuje niektóre typy zaworów (np. centryczne przepustnice) w wysokich ciśnieniach parowych.

6. Kawitacja i "wire drawing" – zjawiska niszczące zawory parowe

Kawitacja = pęcherze gazowe implodujące w gnieździe.

Warunek kawitacji:

P_lokalne < P_parowania

W parze rzadko występuje, ale pojawia się przy:

• przepływie dwufazowym,

• redukcji ciśnienia na skutek dławienia,

• wysokim spadku ciśnienia powyżej ΔP_kryt.

Wire drawing = erozyjne uszkodzenie grzybka lub gniazda przez strumień pary.
Szczególnie widoczne w:

• zaworach grzybkowych,

• dławikach,

• przepustnicach centrycznych.

Im wyższa prędkość → tym więcej erozji:

Erozja ∝ v³

7. Dobór typu zaworu do pary – inżynierskie zasady GTM

Para nasycona 3–20 bar:

• zawór grzybkowy regulacyjny (trim hartowany)

• przepustnica potrójnie mimośrodowa

• zawór kulowy metal-metal (wysoka klasa)

Para przegrzana 20–60 bar:

• zawór grzybkowy z trymem stellitowym

• zawór kulowy trunnion metal-metal

• przepustnice TMC z pierścieniem metalowym

Para wysokociśnieniowa 60–150 bar:

• zawór iglicowy

• zawór grzybkowy wielostopniowy

• konstrukcje API 602 / API 600

Para niskociśnieniowa (<2 bar):

• przepustnice centryczne (tylko do PN6)

• zawory kulowe (teflon/RTFE)

Nigdy nie stosować:

• przepustnic centrycznych do >150°C,

• zaworów z uszczelnieniem miękkim przy parze przegrzanej,

• armatury żeliwnej powyżej 200°C.

8. Przykład doboru zaworu do pary – pełne obliczenia

Założenia procesowe:

Medium: para nasycona
P1 = 12 bar(g) → P_abs = 13 bar
Q_mass = 1500 kg/h
Temperatura: 188°C
Założony ΔP na zaworze: 0,5 bar
Kierunek: zawór regulacyjny

Krok 1. Obliczenie gęstości pary:

T = 188°C = 461 K
ρ = P × M / (R × T)
ρ = 1 300 000 × 18,015 / (8,314 × 461)
ρ ≈ 5,17 kg/m³

Krok 2. Współczynnik Y:

Y = 1 – 0,5 × ( ΔP / P1 )
Y = 1 – 0,5 × 0,5/13
Y ≈ 0,981

Krok 3. Obliczenie Kv:

Q_mass = 3600 × Kv × Y × √( ΔP × ρ )

Przekształcamy:

Kv = Q_mass / (3600 × Y × √( ΔP × ρ ))

Podstawiamy:

Kv = 1500 / ( 3600 × 0,981 × √( 0,5 × 5,17 ) )
Kv = 1500 / ( 3531,6 × √2,585 )
Kv = 1500 / ( 3531,6 × 1,608 )
Kv ≈ 0,26

Ponieważ Kv zaworu musi być dobrany na:

70% otwarcia → Kv_nom = Kv / 0,7 → 0,37
50% otwarcia (optymalne sterowanie) → Kv_nom = 0,52

Typowe Kv zaworów regulacyjnych:

DN15 → Kv 0,4
DN20 → Kv 0,63
DN25 → Kv 1,0

Dobór GTM → DN20 zawór grzybkowy z trimem stellitowym.

9. Jakie materiały do pary?

Najlepsze materiały:

• 1.0460 (P250GH) – do 350°C

• 1.0619 (WCB) – do 400°C

• 1.4408 (CF8M) – do 250–300°C

• 12CrMoV (do wysokich temperatur)

• F22, F91 – energetyka wysokoparametrowa

• Stellit / 17-4PH – trim odporny na erozję

Nigdy:

• żeliwo szare do pary nasyconej > 6 bar

• PTFE jako uszczelka przy parze przegrzanej

• NBR powyżej 120°C

10. Podsumowanie – kluczowe zasady doboru zaworu do pary

1. Dobór zaworu do pary wymaga analizy termodynamicznej (ρ, T, P).

2. Prędkość przepływu musi mieścić się w zakresie 20–40 m/s.

3. Kluczowy jest współczynnik Y oraz ΔP – dla pary ΔP krytyczny występuje szybko.

4. Najlepsze zawory regulacyjne: grzybkowe, wielostopniowe, metal-metal.

5. Do odcinania: przepustnice TMC, zawory kulowe metaliczne, zasuwy API.

6. Unika się uszczelnień miękkich powyżej 200–220°C.

7. Obliczenia Kv muszą uwzględniać ściśliwość pary.

8. Trim stellitowy lub utwardzany jest obowiązkowy przy wysokich prędkościach.

9. Materiał korpusu musi być zgodny z temperaturą pracy – 1.0619 jest najpopularniejszy.

10. Zawór musi być testowany wg EN 12266-1 lub API 598, a dla sieci parowych – często wg dodatkowych procedur FAT.