Hơi Nước là Gì? Khám Phá Toàn Diện Tính Chất & Ứng Dụng Hơi Nước Công Nghiệp

Hơi nước đóng vai trò không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất, chế biến đến phát điện. Để tận dụng tối đa năng lượng mà nó mang lại, việc hiểu rõ hơi nước là gì và các tính chất của hơi nước là cực kỳ quan trọng. Bài viết này sẽ đi sâu vào cấu trúc phân tử, các pha của H₂O và những đặc tính quan trọng của hơi nước công nghiệp, bao gồm bảng hơi bão hòa, phân số khô và hơi thoát (flash steam).

1. Hơi Nước và Cấu Trúc Cơ Bản của Vật Chất

Để có cái nhìn sâu sắc hơn về tính chất của hơi nước, chúng ta cần hiểu về cấu trúc phân tử và nguyên tử tổng quát của vật chất, và áp dụng kiến thức này cho ba trạng thái của H₂O: băng, nước và hơi nước.

• Phân tử: Là đơn vị nhỏ nhất của bất kỳ nguyên tố hoặc hợp chất nào, vẫn giữ tất cả các tính chất hóa học của chất đó.
• Nguyên tử: Cấu tạo nên các phân tử, định nghĩa các nguyên tố cơ bản như hydro (H) và oxy (O).
• Hợp chất: Sự kết hợp cụ thể của các nguyên tử tạo thành hợp chất. Nước được biểu diễn bằng công thức hóa học H₂O, gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy.

Lý do nước phong phú trên Trái Đất là do hydro và oxy là hai trong số những nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ. Carbon cũng là một nguyên tố phổ biến, và là thành phần chính của tất cả vật chất hữu cơ.

Hầu hết các chất khoáng có thể tồn tại ở ba trạng thái vật lý (rắn, lỏng và hơi), hay còn gọi là các pha. Trong trường hợp H₂O, ba pha này tương ứng là băng, nước và hơi nước.

Cấu trúc phân tử của băng, nước và hơi nước vẫn đang được nghiên cứu, nhưng có thể hình dung rằng các phân tử liên kết với nhau thông qua lực điện (gọi là liên kết hydro). Mức độ kích thích của các phân tử quyết định trạng thái vật lý (hoặc pha) của chất.

2. Điểm Ba Pha của Nước

Điểm ba pha là một trạng thái đặc biệt mà tại đó ba pha của một chất cụ thể (rắn, lỏng và hơi) có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng tại một nhiệt độ và áp suất nhất định.

• Điểm ba pha của H₂O: Là nơi băng, nước và hơi nước cùng tồn tại trong cân bằng, xảy ra ở nhiệt độ 273.16 K (0.01 °C) và áp suất tuyệt đối 0.006112 bar. Áp suất này gần như là chân không hoàn hảo.
• Hiện tượng đặc biệt: Nếu áp suất giảm hơn nữa ở nhiệt độ này, băng sẽ thăng hoa trực tiếp thành hơi nước mà không tan chảy qua pha lỏng.

3. Các Pha của Nước: Băng ( thể rắn), Nước và Hơi Nước

3.1. Băng (Ice)

Trong pha rắn (băng), các phân tử nước bị khóa chặt trong cấu trúc mạng tinh thể có trật tự và chỉ có thể dao động tại chỗ.

• Khi thêm nhiệt, dao động này tăng lên cho đến khi một số phân tử phá vỡ liên kết và bắt đầu tan chảy thành chất lỏng.
• Ở áp suất khí quyển, băng tan ở 0 °C. Áp suất ảnh hưởng rất ít đến nhiệt độ nóng chảy.
• Nhiệt nóng chảy (Enthalpy of Melting/Heat of Fusion): Là lượng nhiệt cần thiết để phá vỡ liên kết mạng và chuyển pha từ rắn sang lỏng mà không làm tăng nhiệt độ. Khi băng đóng băng lại, lượng nhiệt này sẽ được giải phóng.
• Mật độ đặc biệt: Hầu hết các chất có mật độ giảm khi chuyển từ rắn sang lỏng. Tuy nhiên, H₂O là ngoại lệ, mật độ tăng khi tan chảy, đây là lý do khiến băng nổi trên nước.

3.2. Nước (Water)

Ở pha lỏng, các phân tử nước tự do di chuyển, nhưng vẫn ở gần nhau và va chạm thường xuyên.

• Thêm nhiệt làm tăng dao động và va chạm, dẫn đến tăng nhiệt độ cho đến khi nước đạt đến nhiệt độ sôi.
• Nhiệt cảm (hf): Là lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ nước từ 0 °C lên nhiệt độ hiện tại. Tại 0 °C, enthalpy của nước được đặt làm mốc 0 để so sánh với các trạng thái khác.
• Ở áp suất khí quyển (0 bar g), nước sôi ở 100 °C và cần 419 kJ/kg để làm nóng 1 kg nước từ 0 đến 100 °C. Từ đó, nhiệt dung riêng của nước (Cp) là 4.19 kJ/kg°C.

3.3. Hơi Nước (Steam)

Khi nước được đun nóng, các phân tử bắt đầu có đủ năng lượng để thoát khỏi mặt nước. Khi đạt đến nhiệt độ sôi, các bong bóng hơi nước hình thành và bay lên bề mặt.

• Vì các phân tử hơi nước cách xa nhau nên mật độ hơi nước thấp hơn nhiều so với nước.
• Khi số phân tử rời khỏi mặt nước lớn hơn số quay lại, nước bốc hơi tự do, khi đó nước đạt đến nhiệt độ bão hòa (saturation temperature).
• Nếu tiếp tục thêm nhiệt mà không tăng áp suất, nước chuyển thành hơi bão hòa (saturated steam). Ở trạng thái này, nhiệt độ không thay đổi, nhưng năng lượng tiếp tục tăng dưới dạng nhiệt bay hơi (enthalpy of evaporation, hfg).
• Tổng nhiệt năng của hơi bão hòa (hg): Bằng tổng của enthalpy của nước (hf) và enthalpy bay hơi (hfg): hg=hf+hfg

4. Bảng Hơi Bão Hòa (Saturated Steam Tables) và Ứng Dụng

Bảng hơi bão hòa là một công cụ cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật lò hơi và các hệ thống sử dụng hơi nước. Bảng này liệt kê các đặc tính của hơi bão hòa ở nhiều mức áp suất khác nhau, giúp kỹ sư dễ dàng tính toán và thiết kế hệ thống.

Dưới đây là một phần bảng ở áp suất khí quyển (0 bar g) để minh họa:

Ví dụ thực tế: Tại 0 bar g, cần 419 kJ để đun nóng 1 kg nước từ 0 °C đến 100 °C. Tuy nhiên, hơi ở áp suất khí quyển không thể tự chảy qua đường ống hiệu quả trong công nghiệp. Do đó, hơi công nghiệp thường được tạo ở áp suất cao hơn (ví dụ: 7 bar g) để giảm kích thước ống dẫn và tăng khả năng truyền tải năng lượng.

Khi áp suất hơi tăng cao hơn:

• Nhiệt độ bão hòa tăng: Hơi cần nhiệt độ cao hơn để đạt trạng thái bão hòa.
• Nhiệt dung riêng của hơi giảm: Khả năng hấp thụ nhiệt của hơi giảm đi.
• Khối lượng riêng tăng: Hơi trở nên đặc hơn ở áp suất cao.
• Enthalpy bay hơi giảm: Lượng nhiệt cần để hóa hơi giảm dần.

5. Phân Số Khô (Dryness Fraction) và Chất Lượng Hơi

Phân số khô (còn gọi là độ khô của hơi) là một chỉ số quan trọng cho biết chất lượng của hơi nước.

• Hơi khô 100%: Là hơi không chứa bất kỳ giọt nước lỏng nào. Đây là trạng thái lý tưởng nhưng hiếm khi đạt được trong thực tế.
• Hơi ướt: Trong thực tế, hơi thường chứa một lượng nhỏ giọt nước li ti. Ví dụ, nếu hơi chứa 5% nước theo khối lượng, thì phân số khô của hơi là 0.95.

Nhiệt bay hơi thực tế: hfgthựcte^ˊ​=c×hfgbảng​ Trong đó c là phân số khô. Điều này có nghĩa là, hơi càng khô (phân số khô càng gần 1), lượng năng lượng hữu ích mà nó mang đi càng lớn.

6. Sơ Đồ Pha (Phase Diagram): Trạng Thái Nước và Hơi

Sơ đồ pha là biểu đồ trực quan thể hiện mối quan hệ giữa enthalpy (nhiệt năng) và nhiệt độ của nước và hơi, giúp hiểu rõ quá trình chuyển pha:

• Đoạn A → B: Nước nhận enthalpy lỏng (hf), nhiệt độ nước tăng từ 0 °C đến nhiệt độ bão hòa.
• Đoạn B → C: Nước chuyển sang hơi bão hòa, nhận thêm enthalpy bay hơi (hfg). Trong giai đoạn này, nhiệt độ không đổi (nhiệt độ bão hòa) nhưng năng lượng bên trong tăng lên.
• Điểm C: Là điểm mà tại đó hơi đạt trạng thái hơi bão hòa khô 100%.
  • Vùng bên trái đường cong bão hòa là nước lỏng.
  • Vùng bên phải đường cong bão hòa là hơi quá nhiệt.
  • Vùng nằm giữa đường cong bão hòa (giữa B và C) là hơi ướt (wet steam) – hỗn hợp hơi và nước lỏng.
• Đoạn C → D: Hơi tiếp tục được đun nóng sau khi đã bão hòa khô, trở thành hơi quá nhiệt (superheated steam). Nhiệt độ hơi quá nhiệt cao hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất.

Điểm Tới Hạn (Critical Point)

Điểm tới hạn là một trạng thái đặc biệt nơi nước và hơi không còn ranh giới pha rõ ràng. Tại điểm này (đối với H₂O, là 374.15 °C và 221.2 bar a), sự khác biệt giữa pha lỏng và pha hơi biến mất.

• Trên điểm này, hơi được gọi là siêu tới hạn (supercritical steam) và không có nhiệt độ sôi xác định. Hơi siêu tới hạn có mật độ gần giống nước lỏng và khả năng truyền nhiệt rất cao.

7. Hơi Thoát (Flash Steam): Hiện Tượng và Tái Sử Dụng Năng Lượng

Hơi thoát (flash steam) là hiện tượng hơi nước được tạo ra khi nước nóng dưới áp suất cao giảm áp đột ngột.

• Nếu nhiệt độ ban đầu của nước nóng lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở áp suất mới (áp suất thấp hơn), một phần nước sẽ bốc hơi ngay lập tức để giải phóng năng lượng dư thừa, tạo thành hơi thoát.
• Ví dụ: Nước ngưng tụ ở 5 bar g (nhiệt độ 159 °C) khi thoát qua bẫy hơi ra môi trường có áp suất 0 bar g (áp suất khí quyển, nhiệt độ bão hòa 100 °C) sẽ tạo ra hơi thoát. Năng lượng dư thừa không thể duy trì trạng thái lỏng ở áp suất thấp hơn, do đó nó chuyển hóa thành hơi.

Việc thu hồi và tái sử dụng hơi thoát là một giải pháp quan trọng để tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống lò hơi công nghiệp.

Kết luận

Hiểu rõ hơi nước là gì, các pha, tính chất vật lý và nhiệt động học của nó là nền tảng để vận hành và tối ưu hóa hiệu quả các hệ thống lò hơi công nghiệp. Từ việc tính toán năng lượng đến thiết kế đường ống và hệ thống thu hồi hơi thoát, kiến thức về hơi nước là chìa khóa cho sự an toàn và hiệu quả năng lượng trong công nghiệp.

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào khác về lò hơi hoặc hơi nước, đừng ngần ngại liên hệ để được tư vấn chuyên sâu!

CÔNG TY TNHH CƠ NHIỆT GREENBOILER

Văn phòng: số 51, đường số 6, P. Bình Hưng Hòa B, Q. Bình Tân, TP. HCM

Nhà máy chế tạo: tỉnh lộ 824, xã Mỹ Hạnh Nam, Đức Hòa, Long An

HP: 0943 380388 ; 0908600507

Email: nghianguyenboiler@gmail.com; dungnguyenboiler@gmail.com

Website: www.greenboiler.vn