Bố cục đường hồi ngưng tụ

Các cân nhắc xung quanh thiết kế và bố cục đường ống hồi ngưng tụ, bao gồm đường thoát nước đến bẫy hơi, đường xả từ bẫy hơi, đường hồi chung và đường hồi bơm. Bao gồm ảnh hưởng của loại bẫy hơi sử dụng, ảnh hưởng của các áp suất khác nhau và xả ngưng tụ vào đường ống chính ngập nước.

Bố cục đường hồi ngưng tụ

Không có bộ khuyến nghị đơn lẻ nào có thể bao quát bố cục đường ống ngưng tụ. Nhiều thứ phụ thuộc vào áp suất ứng dụng, đặc tính bẫy hơi, vị trí của đường hồi ngưng tụ chính so với nhà máy, và áp suất trong đường hồi ngưng tụ chính. Vì lý do này, tốt nhất là bắt đầu bằng cách xem xét những gì phải đạt được, và thiết kế một bố cục sẽ đảm bảo rằng thực hành tốt cơ bản được đáp ứng. Các mục tiêu chính là:

• Ngưng tụ không được phép tích tụ trong nhà máy, trừ khi thiết bị sử dụng hơi nước được thiết kế đặc biệt để hoạt động theo cách này. Thông thường thiết bị được thiết kế để hoạt động không ngập nước, và trong trường hợp này, ngưng tụ tích tụ sẽ ức chế hiệu suất, và khuyến khích sự ăn mòn của ống, phụ kiện và thiết bị.
• Ngưng tụ không được phép tích tụ trong đường hơi chính. Ở đây nó có thể bị hơi nước tốc độ cao cuốn đi, dẫn đến xói mòn và búa nước trong đường ống. Chủ đề đường ống ngưng tụ sẽ tự nhiên chia thành bốn loại cơ bản trong đó các yêu cầu và cân nhắc của mỗi loại sẽ khác nhau. Bốn loại cơ bản này được định nghĩa và minh họa trong Hình 14.2.1.

Đường thoát nước đến bẫy hơi

Trong đường thoát nước, ngưng tụ và bất kỳ khí không ngưng tụ nào phải chảy từ đầu ra thoát nước của nhà máy đến bẫy hơi. Trong đường thoát nước có kích thước phù hợp, thiết bị đang được xả và thân bẫy hơi hầu như ở cùng áp suất và, vì lý do này, ngưng tụ không flash trong đường này. Trọng lực là lực đẩy và được dựa vào để tạo ra dòng chảy dọc theo ống. Vì lý do này, hợp lý khi đặt bẫy hơi bên dưới đầu ra của thiết bị đang được xả, và ống xả bẫy hơi kết thúc bên dưới bẫy hơi. (Ngoại lệ cho điều này là cuộn sưởi bình được thảo luận trong Chương 2.10). Loại bẫy hơi sử dụng (nhiệt tĩnh, nhiệt động hoặc cơ khí) có thể ảnh hưởng đến bố cục đường ống. Bẫy hơi nhiệt tĩnh Bẫy hơi nhiệt tĩnh sẽ làm nguội ngưng tụ dưới nhiệt độ bão hòa trước khi xả. Điều này effectivelylàm ngập đường thoát nước, thường cho phép ngưng tụ dâng lên và ngập nhà máy. Có một số ứng dụng mà việc làm nguội ngưng tụ có những ưu điểm đáng kể và được khuyến khích. Ít hơi nước flash hơn được tạo ra trong đường xả bẫy hơi, và việc đưa ngưng tụ vào đường ngưng tụ chính nhẹ nhàng hơn. Bẫy hơi nhiệt tĩnh xả qua đường ống hở sẽ ít lãng phí năng lượng hơn so với bẫy hơi cơ khí vì nhiều nhiệt cảm biến hơn trong ngưng tụ ngập nước truyền nhiệt cho quá trình; một ví dụ điển hình là đường theo dõi hơi. Bẫy hơi nhiệt tĩnh không nên được sử dụng để xả đường hơi chính hoặc bộ trao đổi nhiệt, trừ khi được xem xét đúng đắn đường thoát nước dài hơn và/hoặc lớn hơn để hoạt động như bể chứa và tỏa nhiệt ra môi trường. Chiều dài bổ sung hoặc đường kính lớn hơn của đường thoát nước cần thiết để làm điều này thường không thực tế, như thể hiện trong Ví dụ 14.2.1. Ví dụ 14.2.1 Một bộ sưởi khí 30 kW sẽ được trang bị bẫy hơi nhiệt tĩnh DN15, xả ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn 13°C so với nhiệt độ bão hòa. Áp suất làm việc bình thường là 3 bar g, nhiệt độ môi trường là 15°C, và tổn thất nhiệt từ đường thoát nước ra môi trường ước tính là 20 W/m2 °C. Xác định chiều dài tối thiểu cần thiết của đường thoát nước 15 mm đến bẫy hơi nhiệt tĩnh. Từ bảng hơi nước, ở 3 bar g:

Vì bẫy hơi xả ở 131°C, đường thoát nước phải tỏa đủ nhiệt để ngưng tụ ở đầu ra bộ sưởi ở nhiệt độ bão hòa, và ngưng tụ sẽ không dâng lại vào bộ sưởi. Tổn thất nhiệt cần thiết từ đường thoát nước có thể được tính từ Phương trình 2.6.5.

Tổn thất nhiệt này sẽ đạt được từ nhiệt độ ngưng tụ trung bình dọc theo đường thoát nước. Nhiệt độ ngưng tụ trung bình trong đường thoát nước.

Diện tích bề mặt đường thoát nước để cung cấp tổn thất nhiệt cần thiết có thể được tính bằng Phương trình 2.5.3.

Lưu ý: sẽ là tốc độ truyền nhiệt trung bình (Q̇M) nếu ΔT là sự khác biệt nhiệt độ trung bình (ΔTLM hoặc ΔTAM)

ΔT trong Phương trình 2.5.3 là sự khác biệt giữa nhiệt độ ngưng tụ trung bình và nhiệt độ môi trường = 137.5°C - 15°C = 122.5°C Q = 0.768 kW U = 20 W/m2 °C Từ Phương trình 2.5.3 0.768 x 103 watt = 20 watt/m2 °C x A x 122.5°C Do đó, A = 0.313 m2 Chiều dài ống cần thiết để cung cấp diện tích bề mặt này có thể được tính bằng thông tin từ Bảng 2.10.3.

Chiều dài ống này (4.7 m) có lẽ không thực tế trong thực tế. Hai phương án còn lại. Một là tăng đường kính đường thoát nước, điều này vẫn thường không thực tế; phương án khác đơn giản hơn nhiều, lắp đúng bẫy hơi cho loại ứng dụng này; bẫy phao-nhiệt tĩnh xả ngưng tụ ở nhiệt độ hơi và do đó không cần chân làm mát.

Nếu bẫy hơi nhiệt tĩnh được coi là cần thiết, và lắp không quá 2 mét từ đầu ra bộ sưởi, sẽ cần phải tính toán đường kính đường thoát nước cần thiết. Tổn thất nhiệt cần thiết từ ống vẫn giữ nguyên, cùng với tổng diện tích bề mặt của ống, nhưng diện tích bề mặt trên mỗi mét chiều dài phải tăng.

Diện tích bề mặt cần thiết/chiều dài mét = 0.157 m2 /m

Từ Bảng 2.10.3, có thể thấy rằng ống kích thước tối thiểu để cung cấp diện tích này trên mỗi mét là ống 50 mm, điều này, một lần nữa, có thể được coi là không thực tế và tốn kém để chế tạo. Bài học ở đây là thường dễ dàng và rẻ hơn để chọn đúng bẫy hơi cho công việc, hơn là có loại bẫy hơi sai và chế tạo giải pháp xung quanh nó. Bẫy hơi nhiệt động Bẫy hơi xả gián đoạn, chẳng hạn như bẫy hơi nhiệt động, sẽ tích tụ ngưng tụ giữa các lần xả. Tuy nhiên, chúng rất bền, chịu được nhiệt độ đóng băng và có diện tích bề mặt ngoài tương đối nhỏ, có nghĩa là tổn thất nhiệt ra môi trường được giảm thiểu. Chúng không phù hợp để xả ngưng tụ vào đường hồi ngập nước, như sẽ được giải thích sau trong Khối này. Bẫy hơi cơ khí Bẫy hơi cơ khí với đặc tính xả liên tục, ví dụ bẫy phao-nhiệt tĩnh, thường chứng tỏ là lựa chọn tốt nhất, và có thêm ưu điểm có thể xả khí. Hầu hết các bẫy phao có sẵn trong hai cấu hình dòng chảy cơ bản, either dòng chảy ngang hoặc dọc qua bẫy hơi. Một số bẫy xô đảo có kết nối đầu vào dưới và đầu ra trên. Rõ ràng, các kết nối bẫy hơi sẽ ảnh hưởng đến đường đi của đường ống kết nối. Đường thoát nước nên được giữ ở chiều dài tối thiểu, lý tưởng dưới 2 mét. Đường thoát nước dài từ nhà máy đến bẫy hơi có thể đầy hơi và ngăn ngưng tụ đến bẫy hơi. Hiệu ứng này được gọi là khóa hơi. Để giảm thiểu rủi ro này, đường thoát nước nên được giữ ngắn (xem Hình 14.2.2). Trong các tình huống mà đường thoát nước dài không thể tránh khỏi, vấn đề khóa hơi có thể được khắc phục bằng cách sử dụng bẫy phao với thiết bị giải phóng khóa hơi. Vấn đề khóa hơi nên được giải quyết bằng cách lắp đúng chiều dài ống ngay từ đầu, nếu có thể.

Các sắp xếp chi tiết cho việc bẫy hơi thiết bị sử dụng hơi và thoát nước đường hơi chính khác nhau như được giải thích trong các đoạn sau.

Với thiết bị sử dụng hơi, ống từ kết nối ngưng tụ nên rơi thẳng đứng khoảng 10 đường kính ống đến bẫy hơi. Giả sử bẫy phao có kích thước đúng được lắp, điều này sẽ đảm bảo rằng các đợt ngưng tụ không tích tụ ở đáy nhà máy với các rủi ro kèm theo về ăn mòn và búa nước. Nó cũng sẽ cung cấp một lượng nhỏ cột tĩnh để giúp loại bỏ ngưng tụ trong quá trình khởi động khi áp suất hơi có thể rất thấp. Đường ống sau đó nên chạy ngang, với độ dốc theo hướng dòng chảy để đảm bảo ngưng tụ chảy tự do (xem Hình 14.2.3).

Với thoát nước đường hơi chính, miễn là các túi thoát nước được lắp như khuyến nghị trong Chương 10.3, thì đường thoát nước giữa túi và bẫy hơi có thể nằm ngang. Nếu túi thoát nước không sâu như khuyến nghị, thì bẫy hơi nên được lắp ở khoảng cách tương ứng bên dưới nó (xem Hình 14.2.4).

Đường xả từ bẫy hơi

Các ống này sẽ mang ngưng tụ, khí không ngưng tụ, và hơi nước flash từ bẫy hơi đến hệ thống hồi ngưng tụ (Hình 14.2.5). Hơi nước flash được hình thành khi ngưng tụ được xả từ không gian áp suất cao trước bẫy hơi sang không gian áp suất thấp hơn của hệ thống hồi ngưng tụ. (Hơi nước flash được thảo luận ngắn gọn trong Chương 14.1, và chi tiết hơn trong Chương 2.2). Các đường này cũng nên dốc theo hướng dòng chảy để duy trì dòng chảy tự do của ngưng tụ. Trên các đường ngắn, độ dốc có thể nhận thấy bằng mắt thường. Trên các đường dài, độ dốc nên khoảng 1:70, tức là 100 mm mỗi 7 mét.

Xả vào đường hồi ngập nước

Xả bẫy hơi vào đường hồi ngập nước không được khuyến nghị, đặc biệt với bẫy hơi hành động nổ (loại nhiệt động hoặc xô đảo), loại xả ngưng tụ ở nhiệt độ bão hòa. Các ví dụ điển hình về đường ngưng tụ chính ngập nước là đường hồi bơm và đường ngưng tụ dâng lên. Chúng thường đi theo cùng đường với đường hơi, và thật hấp dẫn khi đơn giản kết nối các đường xả bẫy hơi thoát nước đường hơi chính vào chúng. Tuy nhiên, lượng lớn hơi nước flash được giải phóng vào các đường ngập nước dài sẽ đẩy nước mạnh dọc theo ống, gây ra búa nước, tiếng ồn và, theo thời gian, hỏng hóc cơ học của ống.

Đường hồi chung

Khi ngưng tụ từ nhiều hơn một bẫy hơi chảy đến cùng một điểm thu thập chẳng hạn như bộ thu có thông hơi, thường chạy một đường chung vào đó các đường xả bẫy hơi riêng lẻ được kết nối. Miễn là các bố cục được trình bày trong Hình 14.2.6/7/8 và 10 được quan sát, và đường ống được kích thước đầy đủ như chỉ ra trong Chương 14.3, đây không phải là vấn đề.

Bẫy hơi xả nổ

Nếu bẫy hơi xả nổ (loại nhiệt động hoặc xô đảo) được sử dụng, lực phản ứng và vận tốc có thể cao. Tee quét sẽ giúp giảm ứng suất cơ học và xói mòn tại điểm đường xả nối vào đường hồi chung (xem Hình 14.2.6).

Bẫy hơi xả liên tục

Nếu, vì lý do nào đó, tee quét không thể được sử dụng, bẫy phao-nhiệt tĩnh với hành động xả liên tục là lựa chọn tốt hơn (Hình 14.2.7). Đường ngập nước sẽ hấp thụ năng lượng dissipate từ dòng chảy liên tục (tương đối nhỏ) từ bẫy phao-nhiệt tĩnh, dễ dàng hơn. Nếu sự khác biệt áp suất giữa đường hơi và đường ngưng tụ rất cao, thì bộ khuếch tán sẽ giúp giảm xung xả, giảm cả xói mòn và tiếng ồn.

Một phương án thay thế khác là sử dụng bẫy hơi nhiệt tĩnh giữ ngưng tụ cho đến khi nó nguội dưới nhiệt độ bão hòa hơi; điều này giảm lượng hơi nước flash hình thành (Hình 14.2.8).

Để tránh ngập đường hơi chính, việc sử dụng túi thu thập rộng rãi trên đường chính, plus chân làm mát 2 đến 3 m ống không cách nhiệt đến bẫy hơi là cần thiết. Chân làm mát chứa ngưng tụ trong khi nó đang nguội đến nhiệt độ xả. Nếu có bất kỳ nguy cơ ngập đường hơi chính, bẫy hơi nhiệt tĩnh không nên được sử dụng.

Nhà máy kiểm soát nhiệt độ với bẫy hơi xả vào đường ngập nước

Các quá trình sử dụng kiểm soát nhiệt độ cung cấp một ví dụ nơi áp suất hơi cấp được tiết lưu qua van điều khiển. Tác dụng của điều này là giảm công suất bẫy hơi đến mức mà dòng ngưng tụ có thể dừng lại hoàn toàn, và hệ thống được gọi là đã tắc nghẽn. Chủ đề tắc nghẽn được thảo luận sâu hơn trong Khối 13. Tắc nghẽn xảy ra do áp suất hơi không đủ để xả ngưng tụ khỏi thiết bị hơi, và có nhiều khả năng hơn khi nhà máy có tỷ lệ quay đầu cao từ tải đầy đủ đến tải một phần. Không phải tất cả các hệ thống kiểm soát nhiệt độ đều sẽ tắc nghẽn, nhưng áp suất ngược gây ra bởi hệ thống ngưng tụ có thể có tác động bất lợi đến hiệu suất của bẫy hơi. Điều này, lần lượt, có thể làm suy giảm khả năng truyền nhiệt của quá trình (Hình 14.2.9). Các đường thoát ngưng tụ nên, do đó, được cấu hình sao cho ngưng tụ không thể ngập đường chính vào đó chúng đang xả như mô tả trong Hình 14.2.10.

Đường xả ở các áp suất khác nhau

Ngưng tụ từ nhiều hơn một quá trình kiểm soát nhiệt độ có thể nối vào đường chung, miễn là đường này:

• Được thiết kế để dốc theo hướng dòng chảy đến điểm thu thập.
• Được kích thước để xử lý các tác dụng tích lũy của bất kỳ hơi nước flash nào từ mỗi đường nhánh ở tải đầy đủ. Khái niệm kết nối xả từ bẫy hơi ở các áp suất khác nhau đôi khi bị hiểu lầm. Nếu các đường nhánh và đường chung được kích thước đúng, áp suất phía sau mỗi bẫy hơi sẽ hầu như giống nhau. Tuy nhiên, nếu các đường này có kích thước nhỏ, dòng chảy ngưng tụ và hơi nước flash sẽ bị hạn chế, do sự tích tụ áp suất ngược gây ra bởi tăng kháng trở dòng chảy trong ống. Ngưng tụ chảy từ bẫy hơi xả hệ thống áp suất thấp hơn sẽ có xu hướng bị hạn chế nhiều hơn. Mỗi phần của hệ thống đường ống xả nên được kích thước để mang bất kỳ hơi nước flash nào có mặt ở vận tốc hơi chấp nhận được. Xả từ bẫy hơi áp suất cao sẽ không can thiệp vào xả từ bẫy hơi áp suất thấp nếu đường xả và đường chung được kích thước và dốc đúng theo hướng dòng chảy. Chương 14.3, ‘Tính kích thước đường hồi ngưng tụ’ cung cấp thêm chi tiết.

Đường hồi bơm

Hơi nước flash có thể, tại một thời điểm nào đó, được tách khỏi ngưng tụ và sử dụng trong hệ thống thu hồi, hoặc đơn giản được xả ra khí quyển từ bộ thu phù hợp (Hình 14.2.11). Ngưng tụ nóng còn lại từ phía sau có thể được bơm đến bể thu thập phù hợp chẳng hạn như bể cấp lò hơi. Khi bơm được phục vụ từ bộ thu có thông hơi, đường hồi bơm sẽ được ngập hoàn toàn bằng ngưng tụ ở nhiệt độ dưới 100°C, có nghĩa là hơi nước flash ít có khả năng xảy ra trong đường.

Dòng chảy trong đường hồi bơm là gián đoạn, vì bơm bắt đầu và dừng theo nhu cầu. Tốc độ xả bơm sẽ cao hơn tốc độ ngưng tụ đi vào bơm. Do đó, tốc độ xả bơm xác định kích thước đường xả bơm, không phải là tốc độ ngưng tụ đi vào bơm.

Việc bơm ngưng tụ được thảo luận chi tiết hơn trong Chương 14.4, ‘Bơm ngưng tụ từ bộ thu có thông hơi’.