Hơi nước không còn xa lạ gì với chúng ta với những tính chất nổi trội mà nó được ứng dụng không chỉ trong đời sống hàng ngày mà còn trong cả sản xuất. Hôm nay, chúng ta cùng tìm hiểu về nó, sẽ có rất nhiều thông tin bổ ích để bạn khám phá.
Hơi nước là gì?
Trong cuộc sống của chúng ta, nước và hơi nước là những thứ rất quen thuộc và ứng dụng rộng trong công nghiệp chế biến, sản xuất và sinh hoạt.
Hơi nước là trạng thái khí của nước. Nói cách khác thì hơi nước là 1 pha của nước. Pha ở đây là 1 vùng không gian trong đó tất cả các tính vật liệu về cơ bản là đồng nhất.
Hơi nước sẽ được sinh ra trong quá trình bay hơi của nước hay quá trình sôi của chất lỏng hoặc có thể là quá trình thăng hoa của băng hoặc nước đá ở dạng rắn. Nó thì trong suốt và không nhìn thấy bằng mắt thường.
Trong điều kiện khí quyển bình thường, hơi nước liên tục được sản sinh ra từ quá trình bay hơi hay ngưng tụ thành nước của ao hồ, sông suối, biển.
Trong công nghiệp, do hơi nước có tính chất rất ưu việt nên được ứng dụng rộng rãi. Ngày càng có nhiều hệ thống công nghiệp kỹ thuật ứng dụng hơi. Nếu so với nước, khí hay các môi chất khác thì hơi nước vừa tiết kiệm và hiệu quả hơn.
Hơi nước có ở khắp mọi nơi nhiều nhất là các vùng có sông hồ, biển. Nó không độc, thân thiện với con người và đặc biệt là có đầy đủ các tính chất nhiệt động mà chúng ta cần thiết đối với 1 môi chất trong thiết bị nhiệt.
Trong thiết bị nhiệt, hơi nước tồn tại với áp suất lớn, nhiệt độ thấp. Đó là điều khiến nó khác biệt so với các chất khí lý tưởng được sử dụng. Một số trường hợp, hơi nước được xem như 1 chất khí thực.
Ưu điểm của hơi nước
Hơi nước có rất nhiều ưu điểm mà chúng ta có thể liệt kê như sau:
+ Con người dễ dàng kiểm soát được nhiệt độ, áp suất, dễ phân phối bằng các thiết bị.
+ Hệ số trao đổi nhiệt lớn.
+ Nước là nguồn tài nguyên dồi dào, có sẵn trong tự nhiên. Nó cũng rẻ tiền và có thể khai thác ở bất kỳ nơi nào. Con người cũng có thể tạo ra hơi nước bằng nhiều phương pháp khác nhau.
+ Sạch và rất an toàn cho con người.
+ Hơi sẽ bị ngưng tụ lại tại 1 mức nhiệt độ cố định.
+ Hơi sẽ chứa 1 lượng nhiệt lớn.
Do nước chuyển hóa từ trạng thái nước sang trạng thái bay hơi và khi mất nhiệt thì hơi sẽ bị ngưng tụ lại và nó biến về nước như trạng thái ban đầu. Đó là lý do mà hơi nước có nhiều điểm ưu việt và được con người tin dùng trong thời gian gần đây.
Phân loại hơi nước
Hơi nước bão hòa
Hơi bão hòa là gì?
Hơi bão hòa trong tiếng Anh là Saturated steam. Lúc này nước lạnh sẽ được đun sôi bằng 1 nguyên liệu đốt bất kỳ như: củi, than, ga… nước lạnh sẽ nóng lên. Khi nhiệt tăng cao và đạt đến điểm sôi thì nhiệt sẽ không thể tăng lên được nữa. Nước lúc này sẽ chuyển từ trạng thái lỏng, nước nóng sang hình thức bay hơi. Người ta gọi là hơi bão hòa.
Hay nói cách khác, hơi bão hòa là trạng thái mà nhiệt độ, áp suất mà nước, hơi nước cùng tồn tại với nhau. Tốc độ hóa hơi nước ngang bằng với tốc độ ngưng tụ. Đó là hơi nước bão hòa.
Sự phụ thuộc giữa áp suất và nhiệt độ của hơi bão hòa
Hai yếu tố của hơi bão hòa là áp suất, nhiệt độ cực kỳ quan trọng. Hai thông số này nó sẽ tỷ lệ thuận với nhau. Khi hơi bão hòa ở mức áp suất nào thì sẽ tương ứng với mức nhiệt độ lúc đó và tương tự ngược lại. Dưới đây chính là biểu đồ thể hiện mối liên hệ của nhiệt độ và áp suất hơi bão hòa.
Để thuận tiện cho các bạn có thể biết được rõ hơn về mối quan hệ này thì Thủy Khí Điện có 1 bảng thông số ghi rõ sự phụ thuộc lẫn nhau của áp suất, nhiệt độ của hơi bão hòa. Việc quy đổi các đơn vị cũng sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng app hoặc vào google.
Hoặc là bảng này
Các loại hơi nước bão hòa
Hiện nay, người ta phân chia thành 2 loại dựa trên tính chất đó là hơi bão hòa ẩm, hơi bão hòa khô:
+ Hơi bão hòa khô
Nó là hơi nước nhưng lại ở trạng thái hóa hơi hoàn toàn, chỉ cần con người tăng nhiệt hoặc giảm nhiệt độ thì hiện tượng ngưng tụ hơi nước xuất hiện. Hơi này không chứa 1 hạt nước nào, vô hình hoàn toàn nếu nhìn bằng mắt thường. Lúc hơi nước bay vào khí quyển sẽ không bị gia nhiệt thêm. Khi giảm nhiệt độ đi, hơi sẽ ngưng tụ lại thành các giọt nước hay các đám mây trên bầu trời thì hơi nước bão hòa sẽ thành hơi nước ẩm.
+ Hơi bão hòa ẩm
Nó là hơi mà trong thể tích của nó sẽ chứa những hạt nước li ti. Khi này, nước ở trạng thái hỗn hợp giữa 2 pha: nước lỏng, hơi. Chúng ta có thể gọi nó là hơi nước không bão hòa. Nó tồn tại ở nhiệt độ bão hòa chứa 5% nước.
Hơi nước ẩm hay hơi nước ướt được hình thành bởi nước nóng và nó biến chuyển thành hơi nước ở giai đoạn đầu. Nếu con người gia nhiệt thêm trong môi trường áp suất thì nhiệt độ sẽ không đổi cho đến lúc mà toàn bộ chất lỏng tại thùng chứa, bể… biến thành hơi nước. Khi nhiệt độ trên mức bão hòa thì hơi nước ướt được hình thành.
Ứng dụng của hơi bão hòa
Hơi bão hòa có chi phí đầu tư ban đầu thấp, rất phù hợp với điều kiện kinh tế của các khách hàng nên độ phủ sóng rộng rãi trong các nhà máy, xưởng sản xuất như: Nhà máy thuốc lá, nước giải khát, sữa, bánh kẹo, đường, hóa chất, dệt, giấy hay chế biến lương thực thực phẩm. Hơi nước lúc bấy giờ đóng vai trò quan trọng trong công nghệ đun nấu, cô đặc, chưng cất các dung dịch, sấy khô sản phẩm… Tận dụng hơi nước bão hòa sẽ mang lại rất nhiều lợi ích, tiết kiệm chi phí cho người dùng rất nhiều.
Hơi quá nhiệt
Một số bạn vẫn thỉnh thoảng bắt gặp cụm từ hơi quá nhiệt. Vậy nó là gì?
Hơi quá nhiệt là gì?
Trong tiếng Anh, hơi quá nhiệt hay còn gọi là Superheated steam. Nó là hơi nước có cùng áp suất với hơi bão hòa nhưng phải có nhiệt độ lớn hơn hay là hơi nước nhưng có cùng nhiệt độ với hơi bão hòa nhưng áp suất lại bé hơn.
Người ta tạo ra hơi quá nhiệt bằng phương pháp gia nhiệt thêm cho hơi bão hòa để hơi này vượt qua điểm bão hòa khô. Việc này sẽ làm cho hơi nước có nhiệt độ cao hơn. Mật độ hơi thấp hơn so với điểm bão hòa trong cùng 1 môi trường áp lực.
Hơi quá nhiệt có ứng dụng phong phú trong công nghiệp nhất là những nhà máy hay xưởng sản xuất có ứng dụng truyền động như như turbine.
Ứng dụng của hơi quá nhiệt
Nếu chúng ta đem ra so sánh hơi quá nhiệt với hơi bão hòa thì chắc chắn hơi quá nhiệt sẽ có giá thành cao hơn. Nguyên nhân là do nó phải dùng nguồn nhiệt ở ngoài để gia nhiệt. Hơi 100% khô kết hợp cùng nhiệt độ cao nên tốc độ hao mòn ống dẫn hơi hay các thiết bị có liên quan sẽ cao hơn.
Hơi quá nhiệt được con người ứng dụng cho hệ thống vận hành tuabin tại các nhà máy đồng phát là nhà máy vừa phát điện, vừa phát hơi, nhà máy nhiệt điện, nhà máy giấy, nhà máy gỗ, đường… Chúng ta cũng biết tuabin hơi luôn chạy ở tốc độ quay cao nên chỉ có 1 lượng nước nhỏ thôi cũng sẽ khiến cho các cánh ly tâm mất cân bằng. Lâu dài sẽ khiến nó bị hỏng. Tua bin hơi khi làm việc phải đảm bảo 100% khô thoáng.
Các đại lượng đặc trưng của hơi nước
Đại lượng đặc trưng của hơi nước sẽ có 2 thông số mà chúng ta cần phải quan tâm đó là: độ khô và nhiệt ẩn hóa hơi.
Độ khô
Độ khô chúng ta ký hiệu là x. Nó chính là tỷ số của hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm. Lúc này ta có:
X = mk / ma = mk (mk + mn)
Trong đó, lần lượt:
+ mk là lượng hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm
+ mn chính là lượng nước có trong hơi bão hòa ẩm
+ ma là lượng hơi bão hòa ẩm
Dựa trên công thức này thì hơi nước bão hòa khô, hơi quá nhiệt độ khô có x = 1. Nước sạch và nước sôi thì x = 0. Từ đó ta có hơi bão hòa ẩm có độ khô trong khoảng 0 < x < 1.
Và y là ký hiệu của độ ẩm. Chúng ta cũng có thể áp dụng công thức:
y = mn / ma = mn (mk + mn)
cuối cùng thì x+ y phải bằng 1.
Nhiệt ẩn hóa hơi
Nhiệt ẩn hóa hơi có ký hiệu là r, nó chính là lượng nhiệt được cung cấp để 1 kilogam nước sôi hoàn toàn biến thành hơi bão hòa khô. Nhiệt hóa hơi của nước là nhiệt ẩn.
Hay hiểu đơn giản hơn là nhiệt ẩn chính là nhiệt được bổ sung cần thiết nhằm làm thay đổi trạng thái của chất rắn sang chất lỏng ở 1 điểm nóng chảy hoặc cũng có thể từ lỏng sang khí ở nhiệt độ sôi.
TKĐ rất hy vọng qua bài viết này, các bạn có thêm cho mình những thông tin thật hữu ích để ứng dụng hơi nước trong đời sống, sản xuất cũng như giải quyết 1 phần các vấn đề đang gặp phải.
