Mỗi khi bạn đun sôi một ấm nước, bạn tạo ra hơi nước.
Tuy nhiên, thay vì là sản phẩm phụ của nước sôi, hơi nước là một nguồn năng lượng nhiệt mạnh mẽ, đa năng và hiệu quả. Đó là lý do tại sao hơi nước được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá hơi nước được sử dụng ở đâu, cách kiểm soát năng lượng trong hơi nước và tại sao hơi nước hiệu quả như vậy trong việc truyền nhiệt vào các quy trình công nghiệp.
Ngành nào sử dụng hơi nước cho nhiệt năng?
Nhiều ngành công nghiệp dựa vào hơi nước cho nhiệt hoặc nhiệt năng. Các công ty và tổ chức sử dụng nhiệt năng để cung cấp nhiệt độ cao cho các quy trình quan trọng.
Trong ngành thực phẩm và đồ uống, hơi nước được sử dụng ở nhiều giai đoạn trong quá trình sản xuất, bao gồm tiệt trùng, nấu nướng, vệ sinh và sấy khô. Ví dụ, nhiệt từ hơi nước nấu chín đậu nướng sống trong lon của chúng.
Trong khi trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, bệnh viện sử dụng hơi nước áp suất cao để khử trùng thiết bị phẫu thuật trong máy hấp tiệt trùng. Hơi nước tiêu diệt vi sinh vật và bào tử, đảm bảo rằng các dụng cụ y tế an toàn để sử dụng mà không cần hóa chất.
Những ngành này, và nhiều ngành khác, sử dụng hơi nước vì tính chất độc đáo của nó như một nguồn nhiệt năng hiệu quả.
Hơi nước được tạo ra và sử dụng ở đâu?
Hơi nước được tạo ra trong nhà lò hơi (A) và phân phối qua hệ thống đường ống đến các quy trình cần nhiệt năng. Mỗi quy trình sử dụng bộ trao đổi nhiệt (B) để truyền một phần nhiệt năng trong hơi nước vào quy trình đó. Hơi nước giải phóng năng lượng này bằng cách ngưng tụ trên bề mặt lạnh hơn và tạo thành ngưng tụ dạng lỏng; chất lỏng được đưa trở lại nhà lò hơi, nơi nó cấp nước cho lò hơi và tạo thêm hơi nước. Toàn bộ quy trình được gọi là vòng lặp hơi-ngưng tụ.
Có bao nhiêu nhiệt năng trong hơi nước?
Bạn có thể tính toán lượng nhiệt năng trong hơi nước bằng bảng hơi nước1. Các bảng này cho thấy mối quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ, thể tích và trên hết, hơi nước chứa bao nhiêu năng lượng. Với kiến thức này, bạn có thể điều chỉnh năng lượng trong hơi nước cho các quy trình khác nhau.
Bảng hơi nước
Ở áp suất khí quyển, 0 bar g, nước sôi ở 100℃ (như trong ấm đun nước). Hàng đầu tiên trong bảng hơi nước cho thấy cần 419kJ/kg năng lượng, được gọi là entanpi của nước, để đưa nước đến điểm sôi.
Tuy nhiên, để tạo hơi nước, bạn cần thêm 2.257kJ/kg năng lượng, được gọi là entanpi bay hơi hoặc năng lượng hữu ích. Trong khi tổng lượng năng lượng trong hơi nước giờ là 2.676kJ/kg, chỉ có năng lượng hữu ích sẽ được truyền vào quy trình khi hơi nước ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt.
Bảng hơi nước giả định bạn đang tạo hơi nước bão hòa khô. Tuy nhiên, cũng có thể tạo hơi nước ướt và hơi nước quá nhiệt, được thể hiện trong biểu đồ pha hơi nước.
Biểu đồ pha hơi nước
Điểm A cho thấy thông tin tương đương từ dòng đầu tiên của bảng hơi nước, nơi ở 0 bar g cần 419kJ/kg entanpi (năng lượng nhiệt) để nước đạt đến điểm sôi 100℃ và bắt đầu bay hơi.
Đường giữa điểm A và điểm B cho thấy quá trình của nước đang sôi khi bạn thêm 2.257kJ/kg năng lượng nhiệt. Tại B, nước đã bay hơi hoàn toàn thành hơi nước bão hòa khô. Đường đỏ trên biểu đồ là đường hơi nước bão hòa khô. H hơi nước tạo ra giữa A và B là hơi ướt vì nó vẫn chứa hơi ẩm. Hơi nước bên phải đường hơi nước bão hòa khô là hơi nước quá nhiệt.
Loại hơi nước nào hiệu quả nhất cho truyền nhiệt?
Hơi nước bão hòa khô
Hơi nước bão hòa khô là loại hơi nước lý tưởng cho truyền nhiệt vì nó hiệu quả nhất cho quy trình và tạo ra ít thách thức kỹ thuật hơn. Hơi nước khô vì nó không chứa hơi ẩm và bão hòa vì nó đầy năng lượng. Hơi nước không thể chứa thêm năng lượng ở nhiệt độ và áp suất đó.
Hơi nước ướt
Hơi nước ướt kém hiệu quả hơn hơi nước bão hòa khô vì nó chứa ít năng lượng hơn. Với hơi nước ướt, quy trình sẽ nhận được ít năng lượng hơn và khối lượng hơi nước nhỏ hơn, điều này có thể kéo dài thời gian quy trình, không đạt nhiệt độ mục tiêu yêu cầu hoặc dẫn đến hư hỏng sản phẩm.
Hơi nước quá nhiệt
Hơi nước quá nhiệt2 có nhiệt độ cao hơn hơi nước bão hòa ở cùng áp suất. Trong khi một số nhà máy hơi nước tạo hơi nước quá nhiệt để phát điện, hơi nước quá nhiệt không được khuyến nghị cho truyền nhiệt vì nó có tốc độ truyền nhiệt thấp hơn. Hơi nước quá nhiệt cũng yêu cầu diện tích truyền nhiệt lớn hơn hơi nước bão hòa khô.
Tại sao hơi nước hiệu quả hơn nước nóng nhiệt độ thấp (LTHW) cho truyền nhiệt?
Hơi nước bão hòa khô hiệu quả hơn cho truyền nhiệt3 so với các giải pháp thay thế như nước nóng nhiệt độ thấp (LTHW) nhờ tính chất độc đáo của nó.
Áp suất kiểm soát nhiệt năng trong hơi nước
Thay đổi áp suất cho phép bạn điều khiển hơi nước để đáp ứng nhu cầu của quy trình, bao gồm lượng nhiệt năng mà nó chứa.
Khi bạn đun nóng nước dưới áp suất, nó có điểm sôi cao hơn, do đó cần nhiều nhiệt năng hơn. Từ bảng hơi nước, ở 5 bar g, nước sôi ở 159℃ và cần 671kJ/kg năng lượng để đạt đến điểm sôi. Tuy nhiên, biến nước sôi đó thành hơi nước cần ít nhiệt năng hơn so với áp suất thấp hơn. Ở 5 bar g, bạn cần 2.086kJ/kg năng lượng, so với 2.257kJ/kg ở 0 bar g.
Biết được tác động của áp suất, bạn có thể tạo hơi nước dưới áp suất cao trong nhà lò hơi và sau đó phân phối đến quy trình. Khi hơi nước đến bộ trao đổi nhiệt, giảm áp suất sẽ tăng lượng năng lượng hữu ích được truyền vào quy trình.
Hơi nước có hàm lượng nhiệt cao hơn LTHW
H hơi nước được tạo ra ở nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiều so với LTHW, do đó nó có hàm lượng nhiệt cao hơn đáng kể và có thể truyền nhiều năng lượng nhiệt hơn vào quy trình. Nói cách khác, cần ít hơi nước hơn LTHW để tạo ra cùng hiệu ứng sưởi ấm.
Ví dụ, so sánh bộ trao đổi nhiệt hơi-nước với bộ trao đổi nhiệt nước-nước được thiết kế để truyền 11℃ vào quy trình. Với một kilogram hơi nước, có năng lượng nhiệt hữu ích gấp 50 lần so với một kilogram LTHW. Điều đó có nghĩa là bạn cần ít hơi nước hơn 50 lần cho cùng hiệu ứng sưởi ấm, vì nước có nhiệt dung riêng là 4.19kJ/kg °C trong khi năng lượng nhiệt hữu ích trong hơi nước là 2.200kJ/kg.
Hơi nước truyền nhiệt nhanh gấp ba lần LTHW
Hơi nước truyền năng lượng nhiệt nhanh hơn LTHW vì nó giải phóng năng lượng nhiệt bằng cách ngưng tụ. Hệ số truyền nhiệt, đo tốc độ truyền nhiệt, khoảng gấp ba lần với bộ trao đổi nhiệt hơi-nước so với bộ trao đổi nhiệt nước-nước.
Vì hơi nước cung cấp tốc độ truyền nhiệt nhanh hơn, diện tích bề mặt nhỏ hơn cũng được yêu cầu trong bộ trao đổi nhiệt để truyền cùng lượng năng lượng nhiệt. Kết quả là, bộ trao đổi nhiệt hơi-nước cần diện tích nhỏ hơn bộ trao đổi nhiệt nước-nước tương đương.
Hơi nước truyền nhiệt đều trên diện tích bề mặt
Hơi nước là khí, do đó nó lan rộng để lấp đầy không gian. Trong bộ trao đổi nhiệt hơi-nước, có sự phân bố nhiệt đều trên diện tích bề mặt truyền nhiệt so với bộ trao đổi nhiệt nước-nước.
Sử dụng hơi nước cho truyền nhiệt giảm thiểu các điểm lạnh trong bộ trao đổi nhiệt và cung cấp truyền nhiệt nhất quán hơn.
Hơi nước: Lựa chọn hiệu quả cho truyền nhiệt
Hơi nước là nguồn nhiệt năng hấp dẫn cho nhiều ngành công nghiệp nhờ hiệu quả. Thay đổi áp suất cho phép bạn điều chỉnh năng lượng hữu ích trong hơi nước. Hàm lượng nhiệt và tốc độ truyền của hơi nước cao hơn đáng kể so với LTHW. Ngoài ra, hơi nước cần diện tích bề mặt truyền nhiệt nhỏ hơn các nguồn năng lượng khác.
