Nhiệt lượng là gì? Cân bằng nhiệt lượng trong lò hơi công nghiệp

Nhiệt lượng được hiểu là phần nhiệt năng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt. Nhiệt lượng của 1 vật thu vào để làm nóng lên phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:

• Khối lượng của vật: Nếu khối lượng của vật càng lớn thì nhiệt lượng của vật thu vào cũng càng lớn.
• Độ tăng nhiệt độ: Nếu độ tăng nhiệt của vật càng lớn thì nhiệt lượng mà vật thu vào cũng càng lớn.
• Chất cấu tạo nên vật.

Năng lượng nhiệt là gì?

Nhiệt là một dạng năng lượng dự trữ trong vật chất nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt cấu tạo nên vật chất. Các phân tử cấu tạo nên vật chất thường chuyển động hỗn loạn không ngừng và nhờ đó chúng có động năng. Nhiệt năng của vật là tổng các động năng: động năng chuyển động của khối tâm của phân tử + động năng trong dao động của các nguyên tử cấu tạo nên phân tử quanh khối tâm chung + động năng quay của phân tử quanh khối tâm.

Nhiệt năng có mối quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ. Theo đó, nhiệt độ của vật càng cao thì nhiệt năng của vật càng lớn do các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động nhanh. Nhiệt có thể trao đổi qua các quá trình bức xạ, dẫn nhiệt, đối lưu.

Công thức tính nhiệt lượng

Nhiệt lượng được tính bằng công thức sau:

       Q = m.c.∆t

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng mà vật thu vào hoặc toả ra. Có đơn vị là Jun (J).
• m là khối lượng của vật, được đo bằng kg.
• c là nhiệt dung riêng của chất, được đo bằng J/kg.K

Nhiệt dung riêng của 1 chất có thể cho biết nhiệt lượng cần thiết để có thể làm cho 1kg chất đó tăng thêm 1 độ C.

∆t là độ thay đổi nhiệt độ hay nói khác là biến thiên nhiệt độ ( Độ C hoặc K )

      ∆t = t2 – t1 

Trong đó:

• ∆t > 0 : vật toả nhiệt
• ∆t < 0 : vật thu nhiệt

Những đặc điểm nổi bật của nhiệt lượng

• Nhiệt lượng vật cần thu để phục vụ cho quá trình làm nóng lên phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng của vật, độ tăng nhiệt độ của vật cũng như nhiệt dung riêng của chất liệu làm ra vật.
• Nhiệt lượng riêng cao: Tức nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu trong bơm. 
• Nhiệt lượng riêng thấp: Tức nhiệt lượng riêng cao loại trừ nhiệt bốc hơi của nước được giải phóng và tạo thành trong cả quá trình đốt cháy mẫu nhiên liệu.
• Nhiệt dung của nhiệt lượng kế và lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng nhiệt lượng kế lên 1oC ở điều kiện tiêu chuẩn (còn gọi là giá trị nước của nhiệt lượng kế).

Cân bằng nhiệt lượng trong lò hơi

Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò

Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi chính là năng lượng do nhiên liệu và không khí mang vào:

     Qđv  = Qnl + Qkk 

Nhiệt lượng này một phần được sử dụng hữu ích để sinh hơi, còn một phần nhỏ hơn bị mất mát đi gọi là tổn thất nhiệt.

     Qđv  = Q1  + Q2  + Q3  + Q4  + Q5 + Q6

Trong đó:

• Q1 là nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh hơi, (Kj/kg)
• Q2 là lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi, (Kj/kg)
• Q3 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học, (Kj/kg)
• Q4 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, (Kj/kg)
• Q5 là lượng tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh, (Kj/kg)
• Q6 là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài, (Kj/kg).

Nhiệt lượng sinh ra do đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi chính bằng nhiệt lượngđược sử dụng hữu ích để sinh hơi và phần nhiệt bị tổn thất trong quá trình làm việc. Phương trình biểu diễn sự cân bằng này gọi là phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò.

Qđv  = Qnl  + Qkk   = Q1  + Q2  + Q3  + Q4  + Q5 + Q6

Xác định hiệu suất của lò hơi

Hiệu suất của lò hơi là tỉ số giữa lượng nhiệt sử dụng hữu ích và lượng nhiệt cung cấp vào lò hơi.

Hiệu suất: h = Q1/Qdv.100%

Hiệu suất của lò hơi có thể xác định bằng 2 phương pháp: phương pháp cân bằng thuận và phương pháp cân bằng nghịch.

Phương pháp cân bằng thuận

Phương pháp xác định hiệu suất nhiệt theo phương trình gọi là phương pháp cân bằng thuận. Để tính hiệu suất của lò theo phương pháp cân bằng thuận cần tính lượng nhiệt sử dụng hữu ích Q1 và lượng nhiệt cung cấp vào lò hơi Qđv.

• Nhiệt sử dụng hữu ích hơi nhận được: Q1 + D(iqn - i'nc)                                                        
  • D là sản lượng hơi của lò hơi, (kg/h) iqn là entanpi hơi quá nhiệt, (Kj/kg)
  • i’nc là entanpi nước ở đầu vào bộ hâm nước, (Kj/kg)
• Lượng nhiệt do nhiên liệu sinh ra khi cháy (nếu bỏ qua nhiệt lượng do  không khí mang vào): Q    = BQ lv
  • B là lượng nhiên liệu lò hơi tiêu thụ trong 1h (kg/h).

Như vậy muốn xác định hiệu suất của lò theo phương pháp thuận cần xác định chính xác lượng tiêu hao nhiên liệu tương ứng vơi lượng hơi sản xuất ra. Đây là một điều khó khăn đối với các ló hơi lớn vì lượng tiêu hao nhiên liệu rất lớn nên rất khó xác  định  chính  xác  lượng  tiêu  hao  nhiên  liệu  của  lò.  Vì  vậy  phương  pháp  này  chỉ  dùng để xác định hiệu suất cho các lò hơi nhỏ, có lượng tiêu hao nhiên liệu ít có thể xác định được chính xác, còn sản lượng hơi đượcc xác định bằng cách đo lượng nước cấp vào lò. Đối với các lò lớn thì hiệu suất được xác định theo phương pháp cân bằng nghịch.

Phương pháp cân bằng nghịch

Từ phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò, ta có:

       Q1  =  Qđv  - Q2  - Q3  - Q4  - Q5 - Q6                                                                                

Phương pháp xác định hiệu suất nhiệt theo phương trình này gọi là phương pháp cân bằng nghịch. Để tính hiệu suất của lò theo phương pháp cân bằng nghịch cần tính các tổn thất nhiệt q1 , q2 , q3 , q4 , q5 , q6.

Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi q2 (%)

Khói được tạo thành trong quá trình cháy tức là từ không khí và nhiên liệu. Không khí vào lò có nhiệt độ khoảng 20-35oC, trong khi đó nhiệt độ khói thải ra khỏi lò thường lớn hơn 110oC, đặc biệt đối với các lò nhỏ không có bề mặt đốt phần đuôi thì nhiệt độ khói thoát có thể tới 400oC. Như vậy phải mất một lượng nhiệt để đốt nóng không khí và nhiên liệu từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ khói thải. Tổn thất này gọi là tổn thất nhiệt do khói thải, ký hiệu là q2 (%)

Hệ số không khí thừa ra khỏi lò hơi và nhiệt độ khói thải là 2 yếu tố ảnh hưởng rât lớn đến q2. Nhiệt độ khói thải càng cao thì tổn thất q2 càng lớn. Tuy nhiên khi nhiệt độ khói thải thấp hơn nhiệt độ đọng sương sẽ gây ngưng đọng sương hơi nước trong khói. Nươc ngưng đọng sẽ dễ hòa tan SO2  tạo thành H2SO4  gây hiện tượng ăn mòn kim loại. Vì vậy chúng ta phải tìm những biện pháp để giảm nhiệt độ khói thải đến mức hợp lý nhất.

Khi hệ số không khí thừa càng lớn thì nhiệt độ cháy lý thuyết của quá trình giảm, làm giảm lượng nhiệt hấp thu bằng bức xạ của buồng lửa, dẫn đến nhiệt độ khói sau buồng lửa tăng lên tức là nhiệt độ khói thoát tăng. Mặt khác hệ số không khí thừa càng lớn thì thể tích khói thải càng lớn và như vậy thì q2 cũng càng lớn. Vì vậy cần khống chế ( ở mức nhỏ nhất, đồng thời hạn chế không khí lạnh lọt vào lò hơi. Tổn thất nhiệt q2 thường trong khoảng từ 4-7%

Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học q3 (%)

Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn thì trong khói còn có các chất khí cháy không hoàn toàn như CO, H2, CH4  . Những khí này còn có thể cháy và sinh nhiệt được nhưng chưa cháy đã bị thải ra ngoài, gây nên tổn thất nhiệt gọi là tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học, ký hiệu là q3 (%). Nguyên nhân của tổn thất này là có thể do thiếu không khí hoặc không khí pha trộn không đều với nhiên liệu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến q3 bao gồm: Nhiệt độ buồng lửa, hệ số không khí thừa và phương thức xáo trộn giữa không khí với nhiên liệu trong buồng lửa. Hệ số không khí thừa lớn thì q3  càng nhỏ nhưng q2  lại tăng (Tuy nhiên hệ số không khí thừa quá lớn làm cho nhiệt độ buồng lưả quá thấp thì q3 lại tăng). Sự pha trộng giữa nhiên liệu và không khí càng tốt thì q3 càng nhỏ. Vì vậy phải tính chọn a sao cho tổng tổn thất nhiệt q2 + q3 là nhỏ nhất.

Khi đốt nhiên liệu rắn: đối với buồng lửa ghi tổn thất q3 có thể đạt đến 0,5- 1%, buồng đốt phun q3 có thể đạt đến 0,5% và với buồng lửa thủ công q3 có thể đạt đến 2% hoặc cao hơn. Khi đốt mazut thì q3 cao hơn vì khi cháy mazut cacbuahyđro dễ bị phân hủy tạo thành những liên kết khó phản ứng, thường q3 = 3%.

Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học q4 (%)

Nhiên liệu đưa vào lò có một phần chưa kịp cháy đã bị thải ra ngoài theo các đường: bay theo khói, lọt qua ghi lò hoặc rơi xuống đáy buồng lửa cùng với xỉ gây nên tổn thất nhiệt gọi là tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học.

Yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học là kích cỡ hạt, tính kết dính của tro, tốc độ và cách tổ chức cấp gió. ở lò ghi, khe hở của ghi càng lớn thì tổn thất q4 càng lớn. Nếu việc phân phối gió cấp I và II không tốt, sẽ thổi bay các hạt nhiên liệu chưa cháy hết ra khỏi buồng lửa. Kích thước hạt càng không đều thì q4 càng lớn. Buồng lửa phun có q4  bé nhất, đặc biệt là buồng lửa thải xỉ lỏng có thể coi q4 = 0. Đối với buồng đốt kiểu phun: q4 có thể đạt đến 4%; đối với buồng đốt ghi từ 2-14%.

Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh q5 (%)

Bề mặt tường xung quanh của lò luôn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, do đó luôn có sự tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò đến môi trường gây nên tổn thất, gọi là tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, ký hiệu là q5 (%). Tổn thất nhiệt q5 phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt xung quanh của tường lò, chất lượng lớp cách nhiệt tường lò. Tổn thất q5 tỷ lệ thuận với diện tích xung quanh, với nhiệt độ bề mặt ngoài của tường lò. Tuy nhiên, công suất  lò càng lớn thì diện tích bề mặt càng tăng nhưng độ tăng diện tích bề mặt xung quanh nhỏ hơn độ tăng sản lượng lò, do đó trị số q5 ứng với 1kg nhiên liệu sẽ giảm xuống. Đối với lò hơi lớn q5 khoảng 0,5%. Muốn giảm q5  phải thiết kế tường lò sao  cho hợp lý.

Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài lò hơi q6 (%)

Xỉ sinh ra từ nhiên liệu trong quá trình cháy, được thải ra khỏi lò ở nhiệt độ cao. Đối với lò hơi thải xỉ khô nhiệt độ xỉ ra khỏi lò khoảng 600 - 800oC, đối với lò hơi thải xỉ lỏng nhiệt độ xỉ khoảng 1300 - 1400oC, trong khi đó nhiên liệu vào lò có nhiệt độ khoảng 20-35oC. Như vậy lò hơi đã mất đi một lượng nhiệt để nâng nhiệt độ xỉ từ nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường lúc vào đến nhiệt độ xỉ lúc ra khỏi lò, gọi là tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài q6 (%).

Tổn thất q6 phụ thuộc vào độ tro của nhiên liệu, vào phương pháp thải xỉ ra khỏi buồng lửa. Đối với nhiên liệu càng nhiều tro thì q6  càng lớn. Các lò thải xỉ khô có q6 nhỏ hơn khi thải xỉ lỏng. Tổn thất q6 có thể đạt đến 5%.