Công thức Q = m × c × ΔT dùng để tính nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ khi vật chưa chuyển pha. Với lò hơi tạo hơi nước, cần tính cả quá trình hóa hơi; cách phù hợp là dựa vào chênh lệch entanpi giữa hơi đầu ra và nước cấp.
Anh chị chỉ cần phân biệt rõ “đun nóng nước” với “biến nước thành hơi” trước khi bấm máy tính. Nếu bỏ sót phần hóa hơi, kết quả sẽ thấp hơn nhu cầu thực tế, dù phép nhân không sai.
Công thức tính nhiệt lượng làm nóng nước
Q = m × c × (T₂ − T₁)
- Q: nhiệt lượng nước nhận được, tính bằng kJ khi dùng hệ đơn vị dưới đây.
- m: khối lượng nước, kg.
- c: nhiệt dung riêng, kJ/(kg·K), dùng giá trị phù hợp hoặc giá trị trung bình cho khoảng nhiệt độ cần tính.
- T₂ − T₁: độ tăng nhiệt độ. Chênh lệch 1°C có cùng độ lớn với chênh lệch 1 K.
Đây là phép tính nhiệt hiện, thường dùng để ước tính phần năng lượng làm nóng nước hoặc vật liệu. OpenStax giải thích công thức nhiệt lượng và nhiệt dung riêng. Công thức với c không đổi là gần đúng; tính kỹ thuật chính xác cần dùng tính chất vật liệu theo điều kiện thực tế.
Ví dụ: làm nóng 500 kg nước từ 20°C lên 100°C
Giả định minh họa: 500 kg nước chỉ được làm nóng đến 100°C, chưa tính lượng nước hóa hơi; bỏ qua phần nhiệt làm nóng bồn và tổn thất. Tạm lấy c = 4,186 kJ/(kg·K).
Độ tăng nhiệt độ: 100 − 20 = 80 K.
Q = 500 × 4,186 × 80 = 167.440 kJ.
Tương đương 167,44 MJ, khoảng 46,51 kWh nhiệt hoặc 40.019 kcal nhiệt hóa, làm tròn khoảng 40.000 kcal.
Kết quả là nhiệt nước nhận, không phải năng lượng nhiên liệu đã mua, cũng không phải điện tiêu thụ thực tế của một thiết bị.
Trong phép tính trên, số 80 chỉ nhân một lần. Cũng cần chú ý dấu phân cách: 4,186 kJ/(kg·K) bằng 4.186 J/(kg·K), tức bốn nghìn một trăm tám mươi sáu J/(kg·K).
Quy đổi ở đây dùng 1 kWh = 3.600 kJ và 1 kcal nhiệt hóa = 4,184 kJ, theo bảng đơn vị năng lượng của NIST.
Lò hơi tạo hơi: phải tính thêm phần hóa hơi
Đưa nước đến nhiệt độ sôi chưa có nghĩa là đã biến toàn bộ nước thành hơi. Ở áp suất không đổi, quá trình hóa hơi còn cần thêm năng lượng. Nhiệt độ sôi cũng thay đổi theo áp suất, không mặc định luôn là 100°C.
Với phần nhiệt hữu ích truyền cho dòng nước để trở thành hơi, có thể viết:
Q hữu ích = m hơi × (h hơi − h nước cấp)
Trong đó m hơi tính bằng kg; h hơi và h nước cấp là entanpi riêng, đơn vị kJ/kg, lấy ở trạng thái thực tế và cùng mốc quy chiếu. Q hữu ích nhận được có đơn vị kJ.
Nói dễ hiểu, chênh lệch entanpi là phần năng lượng cần bổ sung cho mỗi kg từ trạng thái nước cấp đến trạng thái hơi yêu cầu. Không chỉ lấy entanpi hơi đầu ra rồi bỏ qua phần năng lượng nước cấp đã mang sẵn.
Khi tra số liệu, cần phân biệt hơi bão hòa khô, hơi ẩm và hơi quá nhiệt; đồng thời không nhầm áp suất dư với áp suất tuyệt đối. Có thể tham khảo hướng dẫn đọc bảng hơi của TLV. Không dùng bảng hơi bão hòa cho mọi trạng thái hơi.
Ví dụ một tấn hơi với thông số entanpi giả định
Chỉ minh họa cách tính: giả sử cần tạo 1.000 kg hơi; h hơi = 2.750 kJ/kg và h nước cấp = 420 kJ/kg. Đây là các đầu vào giả định, không phải số tra cho một áp suất cụ thể hay số đo của công trình NAN.
Chênh lệch entanpi = 2.750 − 420 = 2.330 kJ/kg.
Q hữu ích = 1.000 × 2.330 = 2.330.000 kJ = 2.330 MJ.
Vậy trong ví dụ này, phần nhiệt hữu ích cho một tấn hơi là 2.330 MJ. Đổi trạng thái hơi hoặc nước cấp thì phải tính lại, không dùng con số này cho mọi nhà máy.
Phép tính trên chỉ xét dòng hơi hữu ích. Khi lập cân bằng toàn bộ lò còn phải xét xả lò, tích lũy nhiệt lúc khởi động và các tổn thất trong đúng ranh giới tính toán.
Nhiệt lượng và công suất nhiệt liên hệ thế nào?
Nếu cùng lượng nhiệt được truyền trong thời gian t:
Công suất trung bình (kW) = Q (kJ) ÷ t (giây).
Nếu dùng lưu lượng hơi kg/giờ và entanpi kJ/kg:
Công suất nhiệt (kW) = lưu lượng hơi × chênh lệch entanpi ÷ 3.600.
Công suất ghi trên nhãn lò không tự chứng minh lượng hơi thực tế trong ca. Spirax Sarco giải thích quan hệ giữa định mức lò và điều kiện nước cấp, hơi đầu ra.
Tính lượng nhiên liệu từ nhiệt hữu ích
Khi đã có nhiệt trị và hiệu suất phù hợp, phép ước tính là như dưới đây. Nếu chưa rõ kết quả trên phiếu thử, anh chị có thể xem cách đọc nhiệt trị, HHV, LHV và cơ sở độ ẩm trước khi đưa số vào công thức.
Nhiên liệu (kg) = Q hữu ích (MJ) ÷ [nhiệt trị (MJ/kg) × hiệu suất].
Hiệu suất được viết dạng thập phân: 75% là 0,75, không phải 75. Nhiệt trị phải đúng trạng thái nhiên liệu sử dụng; nhiệt trị và hiệu suất phải cùng cơ sở HHV hoặc LHV.
Tiếp tục ví dụ giả định: Q hữu ích = 2.330 MJ, LHV nhiên liệu nhận được = 12 MJ/kg và hiệu suất hữu ích theo LHV = 75%.
Nhiên liệu = 2.330 ÷ (12 × 0,75) ≈ 258,9 kg.
Đây không phải mức tiêu hao cam kết. Nếu hiệu suất được sử dụng đã bao gồm một loại tổn thất thì không cộng lại chính tổn thất đó lần nữa. Khi chưa biết hiệu suất thực, nên ghi rõ là ước tính thay vì trình bày như kết quả đo.
Những dữ liệu cần kiểm tra trước khi áp dụng cho nhà máy
- Đang tính việc gì? Làm nóng một mẻ nước, tạo hơi tại lò hay cấp nhiệt hữu ích tại thiết bị sử dụng?
- Đầu vào có cùng kỳ không? Khối lượng nhiên liệu và sản lượng hơi cần đối chiếu trong cùng thời gian, không lấy hai ca có điều kiện khác nhau.
- Đã rõ trạng thái hơi chưa? Có áp suất, nhiệt độ khi cần, chất lượng hơi và vị trí đo phù hợp.
- Đã rõ nước cấp chưa? Nhiệt độ nước cấp và tỷ lệ nước ngưng hồi về ảnh hưởng đến nhiệt cần bổ sung.
- Đã rõ nhiên liệu chưa? Độ ẩm, cơ sở nhiệt trị, lô mẫu và mức phù hợp với hệ thống đốt.
- Đang tính năng lượng hay tiền? Nhiên liệu mới là một khoản; điện, nhân công, nước, bảo dưỡng và các khoản khác cần được tách riêng.
Đốt một lượng củi rồi chỉ đo nước nóng lên bao nhiêu chưa đủ để kết luận nhiệt trị của củi. Phép đo đó còn chịu ảnh hưởng của bồn, lò, khói, hơi thoát và các tổn thất chưa ghi nhận.
Khi cần chuyển từ kỹ thuật sang dự toán, anh chị có thể dùng hướng dẫn tính đủ chi phí sản xuất 1 tấn hơi. Mục đích là nhìn đúng khoản đang tốn tiền, không phải làm phép tính thật đẹp nhưng thiếu dữ liệu.
Nếu nhà máy muốn đánh giá phương án thuê vận hành, hãy chuẩn bị nhu cầu hơi, áp suất, nhiên liệu, thời gian chạy và địa điểm để trao đổi về dịch vụ vận hành lò hơi và bán hơi công nghiệp. Những phép tính trong bài giúp hiểu nguyên tắc, không thay thế khảo sát hoặc hồ sơ thiết kế hệ thống.
