Thế nào là hơi quá nhiệt? Phân biệt hơi bão hòa và hơi quá nhiệt

Hơi quá nhiệt được tạo ra bằng cách gia nhiệt cho hơi nước ướt hoặc hơi bão hòa để lượng hơi này vượt ra khỏi điểm bão hòa.

Khi nước được đun nóng đến điểm sôi, nó sẽ chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí. Lúc này, ta gọi là hơi nước. Tuy nhiên, không phải tất cả hơi nước đều giống nhau. Có một loại hơi nước đặc biệt được gọi là "hơi quá nhiệt". Vậy "hơi quá nhiệt" là gì? Làm thế nào để phân biệt "hơi quá nhiệt" với "hơi bão hòa"? Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn những thông tin cần thiết về "hơi quá nhiệt" và cách phân biệt nó với "hơi bão hòa".

I. Hơi quá nhiệt là gì?

Hơi Quá Nhiệt (Superheated Steam) = Hơi bảo hoà + Bộ gia nhiệt.

Hơi quá nhiệt (Superheated Steam) hay còn được gọi là hơi nước quá nhiệt được tạo ra bằng cách gia nhiệt cho hơi nước ướt hoặc hơi bão hòa để lượng hơi này vượt ra khỏi điểm bão hòa. Việc này làm cho hơi nước có nhiệt độ cao hơn, mật độ hơi thấp hơn so với điểm bão hòa ở môi trường áp suất như nhau. Hơi nước quá nhiệt thường sử dụng trong các ứng dụng truyền động, nổi bật là ‘tuabine, không sử dụng trong các ứng dụng để truyền nhiệt.

 

II. Bảng hơi quá nhiệt của hơi nước

Bảng hơi quá nhiệt là một bảng dữ liệu hoặc biểu đồ cung cấp thông tin chi tiết về các tính chất của hơi nước trong trạng thái quá nhiệt. Bảng này liệt kê các giá trị về nhiệt độ, áp suất, entanpy (năng lượng nhiệt), entropy (độ hỗn loạn) và thể tích riêng của hơi nước khi ở trạng thái quá nhiệt.

Trong bảng hơi quá nhiệt, dữ liệu được sắp xếp theo nhiệt độ và áp suất tương ứng. Với mỗi cặp giá trị nhiệt độ và áp suất cụ thể, bảng sẽ cung cấp các thông số quan trọng sau:

• Nhiệt độ (độ C): Nhiệt độ của hơi quá nhiệt tại áp suất đã cho.

• Áp suất (bar): Mức áp suất tương ứng với nhiệt độ và trạng thái hơi quá nhiệt.

• Entanpy (kJ/kg): Lượng năng lượng nhiệt riêng của hơi nước ở nhiệt độ và áp suất đó.

• Entropy (kJ/kg.K): Mức độ hỗn loạn của hơi nước tại nhiệt độ và áp suất tương ứng.

• Thể tích riêng (m3/kg): Thể tích đơn vị khối lượng của hơi quá nhiệt.

 

Bảng hơi quá nhiệt cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc tính toán, thiết kế và vận hành các hệ thống liên quan đến hơi nước ở trạng thái quá nhiệt như tua-bin hơi, lò hơi quá nhiệt, các quá trình công nghiệp nhiệt. Nó cho phép xác định chính xác các tham số cần thiết để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình sử dụng hơi quá nhiệt.

III. Sự khác nhau giữa hơi quá nhiệt và hơi bão hòa là gì?

Điểm khác biệt giữa hơi quá nhiệt và hơi bão hòa nằm ở mức lượng năng lượng nhiệt dư mà chúng mang theo. Hơi quá nhiệt chứa đựng nhiều năng lượng nhiệt hơn so với hơi bão hòa tại cùng mức áp suất. Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố then chốt quyết định trạng thái của hơi quá nhiệt.

- Hơi bão hòa: Hơi bão hòa hình thành khi nước bay hơi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí. Quá trình này không cần năng lượng nhiệt bổ sung. Khi mất đi nhiệt lượng, hơi bão hòa sẽ ngưng tụ trở lại thành chất lỏng ban đầu. Hơi bão hòa được sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất do chi phí đầu tư hợp lý và giá thành rẻ.

- Hơi quá nhiệt: Ngược lại, hơi quá nhiệt đòi hỏi nguồn nhiệt bổ sung từ bên ngoài để gia tăng nhiệt độ sau khi hơi đã hình thành. Hơi quá nhiệt hoàn toàn khô ráo và có nhiệt độ cao hơn, do đó gây ra hao mòn thiết bị và đường ống dẫn nhiều hơn. Tuy chi phí đắt đỏ hơn, hơi quá nhiệt thường được sử dụng trong các hệ thống vận hành tuabin. Trong tuabin, hơi nóng phải hoàn toàn khô ráo để tránh gây mất cân bằng cho các cánh quay do lực ly tâm tác dụng lên lượng nước nhỏ còn sót lại. Đây là lý do tại sao hơi quá nhiệt được ưu tiên sử dụng trong các hệ thống tuabin.

IV. Các lợi ích của việc sử dụng hơi quá nhiệt

Sử dụng hơi quá nhiệt mang lại nhiều lợi ích đáng kể so với sử dụng hơi bão hòa:

• Tăng hiệu quả truyền nhiệt: Do chứa nhiều năng lượng nhiệt hơn, hơi quá nhiệt có khả năng truyền nhiệt nhanh hơn và hiệu quả hơn, giúp rút ngắn thời gian xử lý.

• Giảm thời gian xử lý: Với khả năng truyền nhiệt tốt hơn, hơi quá nhiệt có thể giảm đáng kể thời gian cần thiết cho các quá trình như sấy khô, đun nấu, vô trùng, v.v.

• Tiết kiệm năng lượng và chi phí: Giảm thời gian xử lý sẽ dẫn đến tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí hoạt động. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp năng lượng tốn kém.

V. Ứng dụng của hơi quá nhiệt trong công nghiệp sản xuất

Hơi quá nhiệt có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp khác nhau nhờ khả năng truyền nhiệt hiệu quả và nhiệt độ cao hơn so với hơi bão hòa. Một số ứng dụng chính của hơi quá nhiệt trong công nghiệp bao gồm:

1. Nhà máy điện nhiệt

Hơi quá nhiệt được sử dụng để vận hành các tua-bin hơi để sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện. Nhiệt độ cao của hơi quá nhiệt giúp tăng hiệu suất của chu trình nhiệt và nâng cao năng suất của nhà máy.

2. Sấy khô công nghiệp

Hơi quá nhiệt là nguồn nhiệt lý tưởng cho các thiết bị sấy khô trong ngành công nghiệp giấy, dệt may, thực phẩm, gỗ, hóa chất,... Nhiệt độ cao và khả năng truyền nhiệt tốt giúp quá trình sấy khô diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

3. Xử lý thực phẩm

Hơi quá nhiệt được sử dụng để thanh trùng, vô trùng, nấu chín thực phẩm trong các nhà máy chế biến thực phẩm. Nhiệt độ cao của hơi quá nhiệt đảm bảo hiệu quả diệt khuẩn và xử lý nhiệt tối ưu.

4. Hóa chất và xử lý môi trường

Trong các nhà máy hóa chất, hơi quá nhiệt được sử dụng trong các quá trình chưng cất, cracking, đồng phân hóa,...Hơi quá nhiệt cũng được ứng dụng trong xử lý chất thải, khử trùng nước thải công nghiệp.

5. Y tế và dược phẩm

Hơi quá nhiệt đóng vai trò quan trọng trong tiệt trùng dụng cụ y tế, vô trùng hóa trong sản xuất dược phẩm và vắc-xin. Nhiệt độ cao của hơi quá nhiệt đáp ứng được yêu cầu nghiêm ngặt về vệ sinh và an toàn sinh học.

6. Ứng dụng của hơi nước quá nhiệt trong truyền động tuabin

- Duy trì tính chất khô ráo của hơi là rất quan trọng đối với thiết bị. Sự xuất hiện của nước ngưng tụ sẽ làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị một cách đáng kể.

- Sử dụng hơi quá nhiệt giúp cải thiện hiệu suất nhiệt và năng lực hoạt động. Điều này cho phép đạt được những thay đổi về khối lượng riêng khi chuyển từ trạng thái quá nhiệt sang áp suất thấp hơn hoặc thậm chí môi trường chân không.

- Hơi quá nhiệt mang lại lợi ích cho quá trình xả hơi. Do ở trạng thái quá nhiệt, không có nước ngưng tụ bên trong thiết bị chạy bằng hơi nước. Điều này giúp thiết bị hoạt động bình thường, giảm thiểu rủi ro về xói mòn hoặc ăn mòn do axit carbonic.

- Tăng áp suất của hơi quá nhiệt tại đầu vào của tua-bin sẽ làm tăng entanpy (độ ẩm riêng) của hơi. Từ đó, nâng cao hiệu suất nhiệt của quá trình.

Mặc dù đòi hỏi đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng sử dụng hơi quá nhiệt mang lại nhiều lợi ích về hiệu quả năng lượng, năng suất và chất lượng sản phẩm cho các nhà máy công nghiệp.