Bảng hơi bão hòa: Áp suất bao nhiêu bar thì nhiệt độ bao nhiêu độ?

Hơi bão hòa là gì và vì sao chỉ cần một con sốWhat saturated steam is

Nước trong lò sôi ở một nhiệt độ phụ thuộc vào áp suất. Ở áp khí quyển gần mực nước biển, nước sôi khoảng 100°C. Khi áp tăng, nhiệt độ sôi tăng theo. Trong lúc sôi, nước và hơi nằm cùng một nhiệt độ, gọi là trạng thái bão hòa. Vì vậy với hơi bão hòa, biết áp là biết nhiệt độ. Đó là lý do đồng hồ áp đủ để vận hành phần lớn hệ gia nhiệt bằng hơi.

Trên hình vòm phía trên, phần bên trái là nước, phần bên phải là hơi, và đỉnh vòm là điểm tới hạn. Lò hơi công nghiệp thông thường làm việc rất xa đỉnh này. Chấm sáng đi qua bốn trạng thái: nước được đun nóng, chạm điểm sôi, sôi hết thành hơi khô, rồi nhả nhiệt và ngưng lại trong thiết bị dùng hơi.

Hơi quá nhiệt là trường hợp khác. Hơi đó nóng hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp, nên một mình áp suất không đủ để biết nhiệt độ. Lò hơi công nghiệp phục vụ gia nhiệt phần lớn tạo hơi bão hòa, nên bài này tập trung vào loại hơi đó.

During boiling, water and steam share one temperature, so pressure gives temperature. Superheated steam is different and needs its own measurement.

Đọc đồng hồ cho đúng: bar dư khác bar tuyệt đốiReading gauges: gauge versus absolute

Đây là lỗi hay gặp nhất khi tra bảng. Đồng hồ trên lò đọc áp dư, tức là áp so với khí quyển, còn bảng hơi thường ghi áp tuyệt đối, tính từ chân không. Gần mực nước biển, bar tuyệt đối xấp xỉ bar dư cộng thêm 1.

Ví dụ đồng hồ chỉ 7 bar thì áp tuyệt đối khoảng 8 bar, tra bảng được khoảng 170°C. Nếu nhầm lấy dòng 7 bar tuyệt đối, kết quả sẽ thấp hơn vài độ. Sai lệch nhỏ này không gây hại khi tra cho biết, nhưng dễ làm sai khi tính nhiệt độ làm việc sát yêu cầu, hoặc khi đọc phiếu kỹ thuật của thiết bị.

• Ghi rõ đơn vị khi trao đổi: bar g cho áp dư, bar a hoặc bar abs cho áp tuyệt đối.
• Một số thiết bị đo cũ ghi kg/cm². Giá trị này gần bằng bar nhưng không đúng bằng.
• Khi đơn vị trên phiếu không rõ, hãy hỏi lại nhà cung cấp trước khi tính.

Boiler gauges read gauge pressure and steam tables usually list absolute. Near sea level, absolute is about gauge plus 1. State the unit clearly.

Ẩn nhiệt: phần nhiệt máy thật sự dùngLatent heat: the heat machines use

Khi hơi ngưng lại thành nước ở thiết bị dùng hơi, nó nhả ra ẩn nhiệt. Phần này lớn hơn nhiều so với lượng nhiệt mà nước nóng có thể nhả thêm khi nguội đi vài độ. Đó là lý do hơi được dùng rộng rãi trong sấy, nấu, ép, tiệt trùng.

Nhìn vào bảng sẽ thấy khi áp tăng, ẩn nhiệt giảm. Ở 3 bar tuyệt đối, mỗi kg hơi có khoảng 2.163 kJ ẩn nhiệt. Ở 15 bar tuyệt đối còn khoảng 1.945 kJ. Hơi áp cao nóng hơn, nhưng mỗi kg mang ít ẩn nhiệt hơn. Vì vậy dùng hơi áp cao đưa thẳng vào thiết bị chỉ cần nhiệt vừa phải chưa chắc đã có lợi.

Tốc độ truyền nhiệt lại phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và sản phẩm. Hơi nóng hơn truyền nhiệt nhanh hơn, cho nên chọn áp là cân bằng giữa tốc độ sản xuất, độ bền thiết bị và lượng hơi tiêu thụ. Bài áp suất hơi 6 bar hay 10 bar phân tích kỹ việc chọn áp làm việc.

Condensing steam releases latent heat, which falls as pressure rises: about 2,163 kJ/kg at 3 bar abs and 1,945 kJ/kg at 15 bar abs. Choosing pressure balances heat transfer, equipment and steam use.

Từ nhiệt độ máy cần, suy ngược ra áp lòFrom process temperature back to boiler pressure

Trình tự hợp lý bắt đầu từ thiết bị dùng hơi. Hãy ghi nhiệt độ sản phẩm cần đạt, cộng khoảng chênh cần có để truyền nhiệt đủ nhanh, rồi tra bảng ra áp tại thiết bị. Sau đó cộng tổn thất trên đường ống và độ dự phòng để ra áp tại lò.

Các số trên chỉ minh họa cách làm. Tổn thất thật phụ thuộc lưu lượng, cỡ ống và chiều dài, xem thêm bài tổn thất áp đường ống hơi. Nhà máy có nhiều mức nhiệt thường phân phối ở áp cao hơn rồi giảm áp gần từng khu vực, để ống chính nhỏ hơn mà máy vẫn nhận đúng áp.

Một lưu ý thực tế: hơi tới máy chứa nước sẽ không đạt nhiệt lượng như bảng. Bảng tính cho hơi khô. Nếu hơi ướt, thiết bị nhận ít nhiệt hơn dù áp vẫn đủ, nên cần bộ tách ẩm và bẫy hơi đúng chỗ.

Start from the temperature the machine needs, add a heat transfer margin, read the pressure, convert to gauge, then add line losses. The table assumes dry steam.

Những chỗ bảng hơi giúp chẩn đoán lòUsing the table for diagnosis

Bảng hơi cũng là công cụ kiểm tra nhanh tại hiện trường. Đo nhiệt độ bề mặt ống hơi đã được bảo ôn tốt tại mặt bích, so với nhiệt độ bão hòa ở áp đang chạy. Chênh quá lớn có thể do đo sai hoặc có nước đọng. Thiết bị gia nhiệt đo được nhiệt thấp hơn nhiều so với bảng, trong khi áp đủ, có thể do khí không ngưng hoặc nước ngưng ứ.

Khí không ngưng như không khí khi lẫn trong hơi sẽ làm nhiệt độ thực thấp hơn nhiệt độ tra theo áp. Đồng hồ vẫn chỉ đủ áp, nhưng máy không đạt nhiệt. Cách kiểm tra là so nhiệt độ đo thật với bảng, rồi xem van xả khí. Nước ngưng ứ thì xử lý ở bẫy hơi và đường hồi. Thu hồi được nước ngưng nóng cũng giảm nhiên liệu, xem bài của VLB Boiler về thu hồi nước ngưng trong hệ thống hơi.

Compare measured temperature with the table. A low reading at correct pressure suggests non-condensable gas or standing condensate.

Ví dụ tính lượng hơi bằng bảngWorked example with the table

Giả sử cần đun 100 kg nước từ 30°C lên 90°C. Nhiệt cần xấp xỉ 100 kg × 4,19 kJ/kg·°C × 60°C, tức khoảng 25.100 kJ. Dùng hơi 5 bar tuyệt đối, mỗi kg hơi ngưng nhả khoảng 2.107 kJ ẩn nhiệt, nên cần khoảng 12 kg hơi nếu chưa tính tổn thất. Thực tế phải cộng tổn thất nhiệt của thiết bị và đường ống.

Phép tính này giúp nhà máy ước nhanh nhu cầu hơi của từng bồn trước khi hỏi nhà cung cấp. Đơn giản nhưng đủ để phát hiện những thông số bất hợp lý. Nếu bồn trên ngốn nhiều hơi gấp đôi con số tính được, có thể đang có rò hơi, bẫy hỏng hoặc nước ngưng không thoát.

Khi muốn chính xác hơn, cần tính cả phần nhiệt hiện của nước ngưng và độ khô của hơi. Bảng hơi đầy đủ có thêm entanpi của nước và thể tích riêng, dùng khi chọn cỡ ống và tính bình tích hơi.

Heating 100 kg of water from 30°C to 90°C needs about 25,100 kJ, or roughly 12 kg of steam at 5 bar abs before losses. This quick check can reveal leaks or failed traps.

Vì sao bảng còn dùng để chọn cỡ ốngWhy the table helps size pipes

Hơi ở áp thấp chiếm thể tích lớn hơn nhiều so với hơi áp cao. Cùng một lượng hơi, chạy ở áp thấp cần ống to hơn, nếu không tốc độ tăng và tổn thất áp tăng theo. Đây là lý do nhiều nhà máy phân phối ở áp cao hơn rồi giảm áp gần nơi dùng.

Thể tích riêng cũng giải thích vì sao lò đang chạy mà áp tụt mạnh, dòng hơi đi rất nhanh, cuốn theo nước. Khi hơi mang nước ra khỏi lò, thiết bị dùng hơi nhận hơi ướt, đường ống dễ có búa nước. Nên giữ áp ổn định, tránh mở tải đột ngột.

• Chọn cỡ ống theo lưu lượng và tốc độ cho phép, không theo đường kính của van có sẵn.
• Đặt van giảm áp gần thiết bị dùng, kèm bộ lọc và đồng hồ áp trước, sau.
• Lắp van an toàn phía sau van giảm áp khi thiết bị không chịu được áp phía trước.

Low-pressure steam occupies much more volume, so it needs larger pipes. Sudden pressure drops carry water out of the boiler, so avoid abrupt load changes.

Ba lỗi thường gặp khi dùng bảng hơiThree common table mistakes

Lỗi đầu tiên là lấy nhầm bar dư thành bar tuyệt đối. Lỗi thứ hai là dùng đơn vị khác nhau trong cùng phép tính, ví dụ kcal và kJ. Một kcal xấp xỉ 4,19 kJ, nên nếu tài liệu ghi ẩn nhiệt bằng kcal/kg thì phải đổi trước khi tính. Lỗi thứ ba là coi hơi tại thiết bị luôn khô. Áp đồng hồ ở máy đo được đúng, nhưng hơi đã mang nước thì nhiệt nhả ra thấp hơn bảng.

Để hạn chế, hãy in một bảng nhỏ gồm áp dư, áp tuyệt đối, nhiệt độ của đúng các mức nhà máy dùng, dán tại phòng lò. Thợ vận hành không cần nhớ bảng. Họ chỉ cần biết máy nào cần mức nào để nhận ra khi áp không còn phù hợp.

Common mistakes: confusing gauge and absolute, mixing kcal and kJ, and assuming dry steam. Post a small table of your own pressure levels in the boiler room.