3.Các loại hơi nước

Nếu nước được đun nóng vượt quá điểm sôi, nó sẽ bay hơi thành hơi hoặc nước ở trạng thái khí. Tuy nhiên, không phải tất cả hơi nước đều giống nhau. Các tính chất của hơi nước rất khác nhau tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ mà nó phải chịu.

Trong bài viết Các ứng dụng chính của Steam, chúng tôi đã thảo luận về một số ứng dụng sử dụng Steam. Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về các loại hơi nước được sử dụng trong các ứng dụng này.

Mối quan hệ áp suất-nhiệt độ của nước và hơi nước

Pressure and temperature distribution of various types of steam

Bấm vào một từ để xem hình ảnh động.

Hơi nước bão hòa (khô) xảy ra khi nước được đun nóng đến điểm sôi (gia nhiệt hợp lý) và sau đó bay hơi khi có nhiệt bổ sung (gia nhiệt tiềm ẩn). Nếu hơi nước này được làm nóng thêm trên điểm bão hòa, nó sẽ trở thành hơi quá nhiệt (gia nhiệt hợp lý).

Hơi nước bão hòa (khô)
Như được biểu thị bằng đường màu đen trong biểu đồ trên, hơi nước bão hòa xảy ra ở nhiệt độ và áp suất nơi hơi nước (khí) và nước (lỏng) có thể cùng tồn tại. Nói cách khác, nó xảy ra khi tốc độ hóa hơi nước bằng tốc độ ngưng tụ.

Ưu điểm của việc sử dụng hơi bão hòa để sưởi ấm

Hơi nước bão hòa có nhiều đặc tính khiến nó trở thành nguồn nhiệt tuyệt vời, đặc biệt ở nhiệt độ 100°C (212°F) và cao hơn. Một số trong số này là:

Các chỉ tiêu	Ưu điểm
Gia nhiệt nhanh và đều nhờ truyền nhiệt tiềm ẩn	Cải thiện chất lượng và năng suất sản phẩm
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 cần thiết nhỏ hơn, giúp giảm chi phí thiết bị ban đầu
Bắt nguồn từ nước	An toàn, sạch sẽ và chi phí thấp

Mẹo

Đã nói điều này, cần lưu ý những điều sau khi đun nóng bằng hơi nước bão hòa:

Hiệu suất gia nhiệt có thể bị giảm nếu sử dụng hơi nước không phải hơi khô để gia nhiệt quy trình. Ngược lại với nhận thức thông thường, hầu như toàn bộ hơi nước tạo ra từ nồi hơi không phải là hơi bão hòa khô mà là hơi ướt, chứa một số phân tử nước không bay hơi.
Sự mất nhiệt bức xạ làm cho một phần hơi nước ngưng tụ. Do đó, hơi nước ướt được tạo ra càng trở nên ẩm ướt hơn và hình thành nước ngưng tụ, cần phải loại bỏ bằng cách lắp đặt bẫy hơi ở những vị trí thích hợp.
Nước ngưng nặng rơi ra khỏi dòng hơi có thể được loại bỏ thông qua bẫy hơi chân nhỏ giọt. Tuy nhiên, hơi ướt cuốn theo sẽ làm giảm hiệu suất gia nhiệt và cần được loại bỏ thông qua các điểm sử dụng hoặc trạm phân phối.
Hơi nước chịu tổn thất áp suất do ma sát đường ống, v.v., cũng có thể dẫn đến tổn thất nhiệt độ hơi tương ứng

Hơi nước không bão hòa (ướt)
Đây là dạng hơi nước phổ biến nhất mà hầu hết các loại cây trồng đều trải qua. Khi hơi nước được tạo ra bằng nồi hơi, nó thường chứa độ ẩm từ các phân tử nước chưa bay hơi được đưa vào hơi nước được phân phối. Ngay cả những nồi hơi tốt nhất cũng có thể xả hơi có độ ẩm từ 3% đến 5%. Khi nước đạt đến trạng thái bão hòa và bắt đầu bay hơi, một ít nước, thường ở dạng sương mù hoặc giọt, bị cuốn theo hơi nước bốc lên và phân bố xuống hạ lưu. Đây là một trong những lý do chính tại sao phương pháp tách được sử dụng để loại bỏ nước ngưng khỏi hơi phân phối.

Hơi nước quá nóng
Hơi quá nhiệt được tạo ra bằng cách làm nóng thêm hơi nước ướt hoặc bão hòa vượt quá 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/truyền động như tua bin và thường không được sử dụng cho các ứng dụng truyền nhiệt.

Ưu điểm của việc sử dụng hơi quá nhiệt để làm quay tua bin:

Ưu điểm của việc sử dụng hơi quá nhiệt để làm quay tua bin:
Để duy trì độ khô của hơi nước cho thiết bị chạy bằng hơi nước, hiệu suất của chúng bị suy giảm do có nước ngưng tụ
Để cải thiện hiệu suất nhiệt và khả năng làm việc, ví dụ: để đạt được những thay đổi lớn hơn về thể tích riêng từ trạng thái quá nhiệt đến áp suất thấp hơn, thậm chí là chân không.
Sẽ có lợi cho cả việc cung cấp và xả hơi khi ở trạng thái quá nhiệt vì nước ngưng sẽ không được tạo ra bên trong thiết bị dẫn động bằng hơi nước trong quá trình vận hành bình thường, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do xói mòn hoặc ăn mòn axit cacbonic. Ngoài ra, do hiệu suất nhiệt lý thuyết của tuabin được tính từ giá trị entanpy ở đầu vào và đầu ra của tuabin, nên việc tăng mức độ quá nhiệt cũng như áp suất sẽ làm tăng entanpy ở phía đầu vào của tuabin, và do đó có hiệu quả trong việc giảm nhiệt độ. cải thiện hiệu suất nhiệt.

Nhược điểm của việc sử dụng hơi quá nhiệt để sưởi ấm:

Các chỉ tiêu	Nhược điểm
Hệ số truyền nhiệt thấp	Giảm năng suất
Hệ số truyền nhiệt thấp	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 tốc độ cao, nếu không nhiệt độ sẽ giảm do nhiệt bị mất khỏi hệ thống
Nhiệt nhạy cảm được sử dụng để truyền nhiệt	Nhiệt độ giảm có thể có tác động tiêu cực đến chất lượng sản phẩm
Nhiệt độ có thể rất cao	Có thể cần vật liệu xây dựng chắc chắn hơn, đòi hỏi chi phí thiết bị ban đầu cao hơn

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

Nước siêu tới hạn
Nước siêu tới hạn là nước ở trạng thái vượt quá điểm tới hạn của nó: 22,1MPa, 374 °C (3208 psia, 705°F). Tại điểm tới hạn, ẩn nhiệt của hơi nước bằng 0 và thể tích riêng của nó hoàn toàn giống nhau dù được coi là chất lỏng hay chất khí. Nói cách khác, nước ở áp suất và nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn sẽ ở trạng thái không thể phân biệt được là chất lỏng hay chất khí.

Nước siêu tới hạn được sử dụng để làm quay tua-bin trong các nhà máy điện đòi hỏi hiệu suất cao hơn. Nghiên cứu về nước siêu tới hạn đang được thực hiện với trọng tâm là sử dụng nó như một chất lỏng có các đặc tính của cả chất lỏng và chất khí, và đặc biệt là tính thích hợp của nó làm dung môi cho các phản ứng hóa học.

Các trạng thái nước khác nhau

Nước chưa bão hòa

Visual image of the liquid phase state

liquid state

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

Hơi nước bão hòa

Saturated steam

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

Trong hệ thống hơi nước, hơi thoát ra từ bẫy hơi thường bị hiểu sai là hơi bão hòa (sống), trong khi thực tế nó là hơi chớp nhoáng(flash steam). Sự khác biệt giữa hai loại này là hơi nước bão hòa không thể nhìn thấy ngay ở đầu ra của đường ống trong khi hơi nước nhanh chứa các giọt nước có thể nhìn thấy ngay khi nó được hình thành.

Hơi nước quá nhiệt

superheated steam

Miễn là nó vẫn giữ được trạng thái quá nhiệt, hơi nước quá nhiệt sẽ không ngưng tụ ngay cả khi tiếp xúc với khí quyển và nhiệt độ của nó giảm xuống. Kết quả là không có đám mây hơi nào được hình thành. Hơi quá nhiệt lưu 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 của nó lớn hơn).

Nước siêu tới hạn

Visual image of supercritical water

supercritical water

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