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

Việc đạt được cân bằng nhiệt không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống lò hơi mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng, tiết kiệm chi phí vận hành. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về ý nghĩa của cân bằng nhiệt trong công nghiệp lò hơi và các biện pháp duy trì cân bằng nhiệt để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống này.

1. Cân bằng nhiệt là gì?

Cân bằng nhiệt là trạng thái khi tổng lượng nhiệt vào (cung cấp) bằng với tổng nhiệt lượng ra (tiêu thụ hoặc thất thoát) trong một hệ thống. Trong kỹ thuật nhiệt, khái niệm này được sử dụng để tính toán, kiểm tra hiệu suất hoạt động và tối ưu hóa quá trình sử dụng nhiệt.

Cân bằng nhiệt là trạng thái khi lượng nhiệt cung cấp bằng với lượng nhiệt tiêu thụ

2. Phương trình cân bằng nhiệt 

Khi hai vật có sự trao đổi nhiệt với nhau, phương trình cân bằng nhiệt được biểu diễn dưới dạng:

 Qtỏa = Qthu = m × c × Δt

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng (đơn vị: Jun – J)

• m là khối lượng của vật (kg)

• c là nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật (J/kg.K)

• Δt là độ chênh lệch nhiệt độ

Cách tính Δt phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt:

• Với vật thu nhiệt: Δt = t₂ - t₁ (trong đó t₁ là nhiệt độ ban đầu, t₂ là nhiệt độ sau khi thu nhiệt - nhiệt độ vật tăng lên)

• Với vật tỏa nhiệt: Δt = t₁ - t₂ (t₁ là nhiệt độ ban đầu, t₂ là nhiệt độ sau khi tỏa nhiệt - nhiệt độ vật giảm xuống)

Trong trường hợp hệ thống gồm nhiều vật cùng tham gia trao đổi nhiệt, cần xác định rõ vật nào đang tỏa nhiệt và vật nào đang thu nhiệt. Tiếp theo, ta tính riêng nhiệt lượng của từng vật rồi áp dụng phương trình cân bằng nhiệt tổng quát như sau: 

Tổng nhiệt lượng tỏa ra = Tổng nhiệt lượng thu vào

⇔  Qtỏa 1 + Qtỏa 2 + ... + Qtỏa n = Qthu 1 + Qthu 2 + ... + Qthu n’

Phương trình cân bằng nhiệt

3. Vai trò cân bằng nhiệt trong công nghiệp lò hơi

Cân bằng nhiệt đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của lò hơi, giảm thiểu thất thoát năng lượng và đảm bảo quá trình vận hành an toàn. Khi nhiệt được điều tiết hợp lý, hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng đáng kể.

3.1. Tăng hiệu suất lò hơi

Duy trì cân bằng nhiệt giúp hệ thống truyền nhiệt hoạt động hiệu quả, đảm bảo nguồn nhiệt được chuyển giao tối đa từ nhiên liệu sang môi chất làm việc. Điều này giúp lò hơi đạt hiệu suất cao nhờ quá trình truyền nhiệt diễn ra ổn định và đồng đều, tránh thất thoát nhiệt không cần thiết.

3.2. Hạn chế hao hụt nhiệt

Việc không duy trì cân bằng nhiệt có thể dẫn đến tổn thất nhiệt qua các bề mặt không cách nhiệt tốt, qua khí thải, bức xạ,... Theo nghiên cứu, tổn thất nhiệt qua khí thải có thể chiếm 10-20% tổng năng lượng trong lò hơi không được tối ưu hóa. Bằng cách cân bằng nhiệt đúng cách, hệ thống sẽ sử dụng năng lượng hợp lý hơn, giảm thiểu hao phí và tiết kiệm chi phí vận hành.

3.3. Đảm bảo an toàn

Khi hệ thống lò hơi mất cân bằng nhiệt, các yếu tố như nhiệt độ và áp suất có thể thay đổi đột ngột, gây ra rủi ro về kỹ thuật hoặc tai nạn. Cân bằng nhiệt ổn định giúp lò hơi hoạt động trong điều kiện kiểm soát, đảm bảo an toàn cho thiết bị, người vận hành và môi trường làm việc.

Cân bằng nhiệt giúp tăng hiệu suất lò hơi

4. Cách cân bằng nhiệt trong lò hơi

Để hệ thống lò hơi hoạt động ổn định, an toàn và đạt hiệu suất cao, việc giữ cho cân bằng nhiệt được duy trì là điều thiết yếu. Dưới đây là một số giải pháp kỹ thuật thường được áp dụng nhằm đảm bảo quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả:

• Điều chỉnh lưu lượng môi chất làm việc: Việc kiểm soát lưu lượng môi chất (như nước hoặc hơi) là yếu tố quan trọng để đảm bảo lượng nhiệt truyền đi không bị thất thoát. Các thiết bị như van điều khiển, cảm biến lưu lượng giúp người vận hành theo dõi và điều chỉnh kịp thời để phù hợp với tải vận hành.

• Duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định: Ứng dụng hệ thống điều khiển tự động cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ và áp suất trong lò. Việc giữ các thông số này ở mức ổn định giúp quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do quá nhiệt hoặc quá áp.

• Thực hiện bảo trì định kỳ: Việc kiểm tra, vệ sinh bề mặt truyền nhiệt, thay thế các linh kiện bị mài mòn hay hư hỏng giúp hạn chế tình trạng tích tụ cặn bẩn và giảm hiệu suất truyền nhiệt. Bảo trì định kỳ cũng giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn gây tổn thất nhiệt.

• Ứng dụng công nghệ hiện đại: Việc tích hợp các hệ thống giám sát và điều khiển tự động như SCADA, IoT hay AI giúp điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng theo thời gian thực. Các công nghệ này mang lại khả năng tối ưu hóa vận hành, tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

• Theo dõi và phân tích dữ liệu vận hành: Ghi nhận và phân tích liên tục các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và tổn thất nhiệt là cách để phát hiện sớm những bất thường, từ đó điều chỉnh kịp thời nhằm duy trì sự ổn định của quá trình truyền nhiệt.

Duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định là cách cân bằng nhiệt tốt nhất

5. Cách xác định hiệu suất lò hơi dựa vào cân bằng nhiệt

Hiệu suất hoạt động của lò hơi phản ánh mức độ chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu sang dạng năng lượng sử dụng được (hơi nước). Dưới đây là các phương pháp thường dùng để đánh giá hiệu suất này:

• Hiệu suất nhiệt tổng thể: Được tính bằng tỷ lệ giữa lượng nhiệt hữu ích sinh ra và tổng nhiệt năng cung cấp từ nhiên liệu. Đây là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng tận dụng nhiệt của hệ thống.

• Phân tích cân bằng nhiệt: Phân tích nhiệt lượng vào – ra giúp đánh giá mức độ tổn thất và khả năng tận dụng năng lượng. Cách làm này cho thấy rõ nhiệt lượng nào chuyển hóa thành hơi và phần nhiệt bị hao hụt do khí thải, bức xạ, truyền nhiệt kém...

• Hiệu suất cháy của nhiên liệu: Chỉ tiêu này thể hiện khả năng đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo ra nhiệt năng. Việc đốt cháy không hoàn toàn sẽ làm giảm hiệu suất và tăng lượng khí thải độc hại.

• Hiệu suất tạo hơi: Là tỷ lệ giữa lượng hơi nước thực tế sinh ra và lượng nhiên liệu tiêu thụ. Hiệu suất này phụ thuộc vào chất lượng nước cấp, điều kiện vận hành và thiết kế của lò hơi.

• Tỷ lệ tổn thất nhiệt: Đo lường lượng nhiệt thất thoát qua các kênh như khí xả, bề mặt lò hoặc rò rỉ hơi. Việc giảm tỷ lệ tổn thất này sẽ góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể của lò hơi.

Hy vọng rằng thông qua bài viết này quý vị sẽ có cái nhìn rõ ràng hơn về tầm quan trọng của cân bằng nhiệt trong công nghiệp lò hơi và áp dụng những giải pháp phù hợp để nâng cao hiệu quả hoạt động. Nếu quý vị đang tìm kiếm những hệ thống lò hơi chất lượng, Kim Trường Phúc luôn sẵn sàng hỗ trợ.