Các loại hơi nước

Nếu nước được đun nóng vượt qua điểm sôi, nó sẽ bốc hơi thành hơi nước, hay nước ở trạng thái khí. Tuy nhiên, không phải tất cả hơi nước đều giống nhau. Các tính chất của hơi nước thay đổi đáng kể tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ mà nó chịu tác động.

Trong bài viết Ứng dụng Chính của Hơi nước, chúng ta đã thảo luận về một số ứng dụng sử dụng hơi nước. Trong các phần sau, chúng ta sẽ thảo luận về các loại hơi nước được sử dụng trong những ứng dụng này.

Mối Quan Hệ Áp Suất-Nhiệt Độ của Nước & Hơi Nước

Hơi bão hòa (khô) hình thành khi nước được đun nóng đến điểm sôi (gia nhiệt cảm nhận) và sau đó bốc hơi với nhiệt lượng bổ sung (gia nhiệt ẩn). Nếu hơi nước này sau đó được đun nóng thêm vượt qua điểm bão hòa, nó trở thành hơi quá nhiệt (gia nhiệt cảm nhận).

Hơi Bão Hòa (Khô)

Như được chỉ ra bởi đường màu đen trong biểu đồ trên, hơi bão hòa xuất hiện ở nhiệt độ và áp suất mà hơi nước (khí) và nước (lỏng) có thể cùng tồn tại. Nói cách khác, nó xảy ra khi tốc độ bốc hơi nước bằng tốc độ ngưng tụ.

Ưu điểm của việc sử dụng hơi bão hòa để gia nhiệt:
Hơi bão hòa có nhiều tính chất làm cho nó trở thành nguồn nhiệt tuyệt vời, đặc biệt ở nhiệt độ 100°C (212°F) trở lên. Một số trong số đó là:

Tính Chất	Ưu Điểm
Gia nhiệt nhanh, đều thông qua truyền nhiệt ẩn	Cải thiện chất lượng sản phẩm và năng suất
Áp suất có thể kiểm soát nhiệt độ	Nhiệt độ có thể được thiết lập nhanh chóng và chính xác
Hệ số truyền nhiệt cao	Diện tích bề mặt truyền nhiệt nhỏ hơn, giảm chi phí thiết bị ban đầu
Có nguồn gốc từ nước	An toàn, sạch và chi phí thấp

Lưu ý:
Tuy nhiên, cần lưu ý những điều sau khi gia nhiệt bằng hơi bão hòa:

• Hiệu suất gia nhiệt có thể giảm nếu sử dụng hơi nước không phải là hơi khô để gia nhiệt quy trình. Trái với nhận thức chung, hầu hết hơi nước được tạo ra từ nồi hơi không phải là hơi bão hòa khô mà là hơi ướt, chứa một số phân tử nước chưa bốc hơi.
• Mất nhiệt bức xạ khiến một phần hơi nước ngưng tụ. Hơi ướt được tạo ra do đó trở nên ẩm hơn, và nước ngưng cũng hình thành, phải được loại bỏ bằng cách lắp đặt bẫy hơi ở các vị trí thích hợp.
• Nước ngưng nặng rơi ra khỏi dòng hơi có thể được loại bỏ thông qua bẫy hơi chân ống. Tuy nhiên, hơi ướt lẫn vào sẽ làm giảm hiệu suất gia nhiệt và nên được loại bỏ thông qua các trạm tách tại điểm sử dụng hoặc phân phối.
• Hơi nước bị mất áp suất do ma sát đường ống, v.v., có thể dẫn đến mất nhiệt độ hơi tương ứng.

Hơi Chưa Bão Hòa (Ướt)

Đây là dạng hơi nước phổ biến nhất mà hầu hết các nhà máy trải nghiệm. Khi hơi nước được tạo ra bằng nồi hơi, nó thường chứa độ ẩm từ các phân tử nước chưa bốc hơi được mang theo vào hơi nước phân phối. Ngay cả những nồi hơi tốt nhất cũng có thể xả hơi chứa 3% đến 5% độ ẩm. Khi nước tiến gần đến trạng thái bão hòa và bắt đầu bốc hơi, một số nước, thường ở dạng sương hoặc giọt nhỏ, bị cuốn theo hơi nước bốc lên và phân phối xuống dòng. Đây là một trong những lý do chính tại sao người ta sử dụng bộ tách để tách nước ngưng khỏi hơi nước phân phối.

Hơi Quá Nhiệt

Hơi quá nhiệt được tạo ra bằng cách đun nóng hơi ướt hoặc hơi bão hòa vượt qua điểm hơi bão hòa. Điều này tạo ra hơi nước có nhiệt độ cao hơn và mật độ thấp hơn hơi bão hòa ở cùng áp suất. Hơi quá nhiệt chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng đẩy/dẫn động như tuabin và thường không được sử dụng cho các ứng dụng truyền nhiệt.

Ưu điểm của việc sử dụng hơi quá nhiệt để dẫn động tuabin:

• Duy trì độ khô của hơi nước cho thiết bị chạy bằng hơi, mà hiệu suất bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của nước ngưng.
• Cải thiện hiệu suất nhiệt và khả năng làm việc, ví dụ: đạt được sự thay đổi lớn hơn về thể tích riêng từ trạng thái quá nhiệt đến áp suất thấp hơn, thậm chí chân không.
• Có lợi khi cung cấp và xả hơi nước trong trạng thái quá nhiệt vì nước ngưng sẽ không được tạo ra bên trong thiết bị chạy bằng hơi trong quá trình vận hành bình thường, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do ăn mòn hoặc ăn mòn axit cacbonic. Ngoài ra, do hiệu suất nhiệt lý thuyết của tuabin được tính từ giá trị entanpi ở đầu vào và đầu ra tuabin, việc tăng mức độ quá nhiệt cũng như áp suất làm tăng entanpi ở phía đầu vào tuabin, do đó có hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất nhiệt.

Nhược điểm của việc sử dụng hơi quá nhiệt để gia nhiệt:

Tính Chất	Nhược Điểm
Hệ số truyền nhiệt thấp	Giảm năng suất
Cần diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn hơn
Nhiệt độ hơi thay đổi ngay cả ở áp suất không đổi	Hơi quá nhiệt cần duy trì vận tốc cao, nếu không nhiệt độ sẽ giảm khi nhiệt bị mất khỏi hệ thống
Sử dụng nhiệt cảm nhận để truyền nhiệt	Giảm nhiệt độ có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm
Nhiệt độ có thể rất cao	Cần vật liệu chế tạo bền hơn, yêu cầu chi phí thiết bị ban đầu cao hơn

Vì những lý do này và các lý do khác, hơi bão hòa được ưa chuộng hơn hơi quá nhiệt làm môi chất gia nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt và các thiết bị truyền nhiệt khác. Mặt khác, khi được xem như một nguồn nhiệt để gia nhiệt trực tiếp dưới dạng khí nhiệt độ cao, nó có lợi thế so với không khí nóng ở chỗ có thể được sử dụng làm nguồn nhiệt để gia nhiệt trong điều kiện không có oxy. Nghiên cứu cũng đang được tiến hành về việc sử dụng hơi quá nhiệt trong các ứng dụng chế biến thực phẩm như nấu ăn và sấy khô.

Nước Siêu Tới Hạn

Nước siêu tới hạn là nước ở trạng thái vượt qua điểm tới hạn của nó: 22.1MPa, 374°C (3208 psia, 705°F). Tại điểm tới hạn, nhiệt ẩn của hơi nước bằng không, và thể tích riêng của nó hoàn toàn giống nhau dù được coi là lỏng hay khí. Nói cách khác, nước ở áp suất và nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn ở trạng thái không phân biệt được, không phải lỏng cũng không phải khí.

Nước siêu tới hạn được sử dụng để dẫn động tuabin trong các nhà máy điện yêu cầu hiệu suất cao hơn. Nghiên cứu về nước siêu tới hạn đang được thực hiện với trọng tâm vào việc sử dụng nó như một chất lỏng có tính chất của cả chất lỏng và khí, và đặc biệt là khả năng thích hợp của nó như một dung môi cho các phản ứng hóa học.

Các Trạng Thái Khác Nhau của Nước

Nước Chưa Bão Hòa

Đây là nước ở trạng thái dễ nhận biết nhất. Khoảng 70% trọng lượng cơ thể con người là từ nước. Ở dạng lỏng, liên kết hydro kéo các phân tử nước lại với nhau. Kết quả là, nước chưa bão hòa có cấu trúc tương đối nhỏ gọn, đặc và ổn định.

Hơi Bão Hòa

Phân tử hơi bão hòa vô hình. Khi hơi bão hòa được giải phóng vào khí quyển bằng cách xả từ đường ống, một phần của nó ngưng tụ bằng cách truyền nhiệt cho không khí xung quanh, và các đám mây hơi trắng (các giọt nước nhỏ) được hình thành. Khi hơi nước bao gồm những giọt nhỏ này, nó được gọi là hơi ướt.

Trong hệ thống hơi nước, hơi nước được xả từ bẫy hơi thường bị hiểu nhầm là hơi bão hòa (sống), trong khi thực tế nó là hơi nước flash. Sự khác biệt giữa hai loại là hơi bão hòa vô hình ngay tại đầu ra của ống trong khi hơi nước bốc chứa các giọt nước có thể nhìn thấy ngay khi nó được hình thành.

Hơi Quá Nhiệt

Miễn là nó duy trì trạng thái quá nhiệt, hơi quá nhiệt sẽ không ngưng tụ ngay cả khi tiếp xúc với khí quyển và nhiệt độ của nó giảm. Kết quả là không có đám mây hơi nào được hình thành. Hơi quá nhiệt tích trữ nhiều nhiệt hơn hơi bão hòa ở cùng áp suất, và chuyển động của các phân tử của nó nhanh hơn nên có mật độ thấp hơn (tức là thể tích riêng lớn hơn).

Nước Siêu Tới Hạn

Mặc dù không thể nhận biết bằng quan sát trực quan, đây là nước ở dạng không phải lỏng cũng không phải khí. Ý tưởng chung là về chuyển động phân tử gần với khí, và mật độ gần với chất lỏng hơn.

Nguồn: TLV
Người dịch: Thanh Dương