Hướng dẫn tính kích thước đường ống ngưng tụ đến và đi từ bẫy hơi, bao gồm ví dụ và tính toán sử dụng biểu đồ kích thước ống ngưng tụ.

Tính kích thước đường hồi ngưng tụ

Bốn loại đường ống ngưng tụ chính, như đã đề cập trong Mô-đun 14.2, được hiển thị trong Bảng 14.3.1:

Table 14.3.1 Bốn loại đường ống ngưng tụ cơ bản

Kích thước tất cả các đường ống ngưng tụ là một hàm số của:

• Áp suất - Sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu đường ống. Chênh lệch áp suất này có thể thúc đẩy dòng chảy hoặc làm một phần ngưng tụ bốc hơi thành hơi nước.
• Lưu lượng - Lượng ngưng tụ cần xử lý.
• Điều kiện - Ngưng tụ chủ yếu ở dạng lỏng hay hơi nước flash? Ngoại trừ các đường hồi bơm sẽ được thảo luận trong Mô-đun 14.4, ba loại đường ống ngưng tụ chính còn lại và cách tính kích thước của chúng sẽ được đề cập trong Mô-đun này.

Tính kích thước đường dẫn nước đến bẫy

Không nên giả định rằng đường dẫn nước (và bẫy) phải có cùng kích thước với đầu ra thiết bị. Thiết bị có thể hoạt động ở nhiều áp suất và lưu lượng vận hành khác nhau, đặc biệt khi được điều khiển bằng nhiệt độ. Tuy nhiên, khi bẫy đã được tính kích thước chính xác, thường thì đường dẫn nước sẽ có cùng kích thước với đầu vào bẫy (xem Hình 14.3.1).

Về điều kiện bên trong đường dẫn nước, vì không có sụt áp đáng kể giữa thiết bị và bẫy, không có hơi nước flash trong đường ống, và nó có thể được tính kích thước chỉ để mang ngưng tụ.

Khi tính kích thước đường dẫn nước, cần xem xét các yếu tố sau:

• Tỷ lệ ngưng tụ của thiết bị đang được thoát nước ở chế độ tải đầy đủ.
• Tỷ lệ ngưng tụ của thiết bị khi khởi động. Khi khởi động thiết bị, tốc độ ngưng tụ có thể gấp ba lần tải vận hành – đây là nơi chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước và sản phẩm lạnh ở mức tối đa. Đường dẫn nước, bẫy và đường xả cũng phải mang theo không khí bị đẩy ra bởi hơi nước đến trong thời gian này. Quy trình tính kích thước bẫy hơi sẽ phải xem xét cả hai biến số này, tuy nhiên, nói chung:
• Đối với thoát nước đường ống hơi chính, tải ngưng tụ cho mỗi bẫy thoát nước thường là 1% công suất hơi của đường ống chính dựa trên các điểm thoát nước cách nhau 50 m, với cách nhiệt tốt. Đối với hầu hết các điểm thoát nước, tính kích thước bẫy để cho phép gấp đôi tải vận hành ở áp suất làm việc (trừ bất kỳ áp suất ngược nào) sẽ giúp bẫy đối phó được với tải khởi động.
• Đối với các quy trình áp suất hơi không đổi như máy ép, máy ủi, thiết bị sưởi đơn vị, tấm bức xạ và chảo đun sôi, tính kích thước bẫy dựa trên khoảng gấp đôi tải vận hành ở áp suất làm việc (trừ áp suất ngược) sẽ cung cấp đủ công suất để đối phó với tải khởi động.
• Đối với các ứng dụng điều khiển bằng nhiệt độ, áp suất hơi, tỷ lệ giảm tải của thiết bị, nhiệt độ cài đặt và vị trí bẫy hơi cần được xem xét chi tiết, và bẫy cần được tính kích thước để phục vụ cả điều kiện tải đầy đủ và tải tối thiểu. Nếu các điều kiện này không được biết, nên tính kích thước bẫy hơi dựa trên 3 lần tải vận hành ở chênh lệch áp suất vận hành. Điều này sẽ đáp ứng điều kiện khởi động và cung cấp thoát nước đúng cách ở tải tối thiểu. Khi bẫy được tính kích thước theo cách này, nó cũng sẽ phục vụ tải khởi động. Do đó, nếu đường dẫn nước đến bẫy được tính kích thước dựa trên kích thước bẫy, nó sẽ không bao giờ bị thiếu kích thước. Về mặt thực tế, khi đường dẫn nước ngắn hơn 10 m, nó có thể có cùng kích thước ống với bẫy hơi được chọn cho ứng dụng. Các đường dẫn nước ngắn hơn 10 m cũng có thể được kiểm tra theo Phụ lục 14.3.1 và nên chọn kích thước ống sao cho tổn thất áp suất ở lưu lượng tối đa không quá 200 Pa trên mỗi mét chiều dài, và vận tốc không vượt quá 1,5 m/s. Bảng 14.3.2 là trích xuất từ Phụ lục 14.3.1. Đối với các đường dẫn nước dài hơn (trên 10 m), tổn thất áp suất ở lưu lượng tối đa không nên vượt quá 100 Pa/m, và vận tốc không vượt quá 1 m/s.

Table 14.3.2 Dòng nước trong đường ống thép dày

Ví dụ 14.3.1 Một thiết bị nhà máy, sử dụng hơi nước ở áp suất không đổi, ngưng tụ 470 kg hơi nước mỗi giờ ở tải đầy đủ. Đường ống giữa thiết bị và bẫy hơi có chiều dài tương đương 2 m. Xác định kích thước ống cần sử dụng. Tải điều chỉnh cho phép khởi động = 470 kg/h x 2 = 940 kg/h. Vì chiều dài ống nhỏ hơn 10 mét, sụt áp tối đa cho phép là 200 Pa/m. Sử dụng Bảng 14.3.1, nhìn ngang từ 200 Pa/m có thể thấy ống 25 mm có công suất 1 141 kg/h, và do đó phù hợp với tải khởi động dự kiến là 940 kg/h. Kiểm tra thêm lên cột 25 mm, có thể thấy lưu lượng 940 kg/h sẽ gây ra sụt áp thực tế chỉ nhỏ hơn 140 Pa/m khi chảy qua ống 25 mm.

Tính kích thước đường xả từ bẫy

Phần đường ống phía sau bẫy sẽ mang cả ngưng tụ và hơi nước flash ở cùng áp suất và nhiệt độ. Đây được gọi là dòng chảy hai pha, và hỗn hợp chất lỏng và hơi sẽ có đặc tính của cả hơi nước và nước theo tỷ lệ của mỗi loại. Xem xét ví dụ sau. Ví dụ 14.3.2 Một thiết bị nhà máy sử dụng hơi nước ở áp suất không đổi 4 bar g. Một bẫy hơi cơ khí được lắp đặt, và ngưng tụ ở nhiệt độ bão hòa được xả vào đường ống ngưng tụ chính hoạt động ở 0,5 bar g. Xác định tỷ lệ theo khối lượng và theo thể tích của nước và hơi nước trong đường ống ngưng tụ chính. Phần 1 - Xác định tỷ lệ theo khối lượng Từ bảng hơi nước:

Rõ ràng, nếu 7,9% đang bốc hơi thành hơi nước, 100 – 7,9 = 92,1% còn lại của lưu lượng khối lượng ban đầu sẽ vẫn ở dạng nước. Phần 2 - Xác định tỷ lệ theo thể tích Dựa trên khối lượng ban đầu là 1 kg ngưng tụ được xả ở nhiệt độ bão hòa 4 bar g, khối lượng hơi nước flash là 0,079 kg và khối lượng ngưng tụ là 0,921 kg (đã xác định từ Phần 1). Nước: Mật độ của nước bão hòa ở 0,5 bar g là 950 kg/m3,

Từ điều này, suy ra rằng chất lỏng hai pha trong đường xả bẫy sẽ có nhiều điểm chung với hơi nước hơn là nước, và hợp lý khi tính kích thước dựa trên vận tốc hơi nước hợp lý rather than sử dụng thể tích ngưng tụ tương đối nhỏ làm cơ sở tính toán. Nếu đường ống bị thiếu kích thước, vận tốc hơi nước flash và áp suất ngược sẽ tăng, có thể gây ra búa nước, giảm công suất bẫy, và làm ngập quy trình.

Các đường ống hơi được tính kích thước với sự chú ý đến vận tốc tối đa. Hơi bão hòa khô không nên di chuyển nhanh hơn 40 m/s. Hơi nước ướt nên di chuyển chậm hơn một chút (15 đến 20 m/s) vì nó mang theo độ ẩm có thể gây xói mòn và hư hỏng cho các phụ kiện và van. Các đường xả bẫy có thể được coi là đường ống hơi mang hơi nước rất ướt, và nên được tính kích thước dựa trên vận tốc thấp tương tự. Các đường ống ngưng tụ xả từ bẫy nổi tiếng là khó tính kích thước hơn đường ống hơi do đặc tính dòng chảy hai pha. Về mặt thực tế, không thể (và thường không cần thiết) xác định chính xác điều kiện chất lỏng bên trong đường ống. Mặc dù lượng hơi nước flash tạo ra (xem Hình 14.3.2) liên quan đến sự chênh lệch áp suất qua bẫy, các yếu tố khác cũng sẽ có tác động.

Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy hai pha bên trong đường ống, bao gồm:

• Nếu ngưng tụ ở phía thượng nguồn của bẫy mát hơn nhiệt độ bão hòa (ví dụ: sử dụng bẫy hơi nhiệt tĩnh), lượng hơi nước flash sau bẫy sẽ giảm. Điều này có thể giảm kích thước đường ống cần thiết.
• Nếu đường ống dốc xuống từ bẫy đến điểm cuối, độ dốc sẽ ảnh hưởng đến dòng chảy ngưng tụ, nhưng ở mức độ nào, và làm thế nào để định lượng?
• Trên các đường ống dài hơn, tổn thất bức xạ từ đường ống có thể ngưng tụ một phần hơi nước flash, giảm thể tích và vận tốc, và có thể có lý do để giảm kích thước đường ống. Nhưng tại thời điểm nào nên giảm và giảm bao nhiêu?
• Nếu đường xả nâng lên đường hồi phía trên, sẽ có lúc đường nâng đầy ngưng tụ mát, và lúc hơi nước flash từ bẫy có thể bay hơi một phần hoặc toàn bộ ngưng tụ này. Đường xả nâng nên được tính kích thước dựa trên vận tốc hơi nước flash hay lượng ngưng tụ?
• Hầu hết các quy trình hoạt động dưới điều kiện tải đầy đủ trong phần lớn chu kỳ vận hành, điều này giảm hơi nước flash trong hầu hết thời gian. Do đó câu hỏi đặt ra: có cần thiết phải tính kích thước hệ thống dựa trên điều kiện tải đầy đủ, nếu thiết bị vĩnh viễn chạy ở tải vận hành thấp hơn?
• Đối với thiết bị điều khiển bằng nhiệt độ, chênh lệch áp suất qua bẫy sẽ tự thay đổi tùy thuộc vào tải nhiệt. Điều này sẽ ảnh hưởng đến lượng hơi nước flash được tạo ra trong đường ống. Khuyến nghị về đường xả bẫy Do số lượng biến số, tính toán chính xác kích thước đường ống sẽ phức tạp và có thể không chính xác. Kinh nghiệm cho thấy nếu đường xả bẫy được tính kích thước dựa trên vận tốc hơi nước flash từ 15 đến 20 m/s, và tuân thủ một số khuyến nghị, sẽ ít vấn đề phát sinh. Khuyến nghị:

1. Các đường xả bẫy được tính kích thước chính xác có độ dốc theo hướng dòng chảy và mở hoặc thông hơi tại bộ thu, sẽ không bị ngập và cho phép hơi nước flash đi qua tự do phía trên ngưng tụ (Hình 14.3.3). Độ dốc tối thiểu khuyến nghị là 1 trên 70 (150 mm giảm mỗi 10 m). Kiểm tra trực quan đơn giản thường sẽ xác nhận đường ống có dốc hay không - nếu không thấy dốc rõ ràng thì không đủ dốc!

2. Nếu không thể tránh khỏi, các đường nâng không dùng bơm (Hình 14.3.4) nên được giữ ngắn nhất có thể và lắp van một chiều để ngăn ngưng tụ rơi trở lại bẫy. Các đường nâng nên xả vào đỉnh của đường hồi phía trên. Điều này ngăn ngưng tụ chảy ngược trở lại đường nâng từ đường hồi chính sau khi bẫy đã xả, để hỗ trợ hơi nước flash đi lên dễ dàng.

Nên xem xét sử dụng đường nâng lớn hơn một chút, sẽ tạo ra vận tốc hơi nước flash thấp hơn.

Điều này sẽ giảm nguy cơ búa nước và tiếng ồn do hơi nước cố gắng ép đường đi qua ngưng tụ lỏng trong đường nâng. Quan trọng: Đường nâng chỉ nên được sử dụng khi áp suất hơi quy trình được đảm bảo cao hơn áp suất ngược ngưng tụ tại đầu ra bẫy. Nếu không, quy trình sẽ bị ngập nước trừ khi sử dụng bẫy bơm hoặc tổ hợp bẫy-bơm để cung cấp thoát nước đúng cách chống lại áp suất ngược. 3. Các đường hồi chung cũng nên dốc xuống và không bị ngập (Hình 14.3.4). Để tránh hơi nước flash xảy ra trong các đường hồi dài, ngưng tụ nóng từ đường xả bẫy nên chảy vào bộ thu có thông hơi (hoặc bình tách hơi flash nếu phù hợp), từ đó có thể được bơm đến đích cuối cùng, thông qua đường ngập ở nhiệt độ thấp hơn. Bơm ngưng tụ được giải thích chi tiết hơn trong Mô-đun 14.4.

Biểu đồ kích thước ống ngưng tụ

Biểu đồ kích thước ống ngưng tụ (Hình 14.3.5) có thể được sử dụng để tính kích thước bất kỳ loại đường ống ngưng tụ nào, bao gồm:

• Đường dẫn nước không chứa hơi nước flash.
• Đường ống bao gồm dòng chảy hai pha, như đường xả bẫy, được chọn theo áp suất ở hai bên bẫy. Biểu đồ (Hình 14.3.5):
• Hoạt động dựa trên vận tốc hơi nước flash chấp nhận được từ 15 - 20 m/s, tùy theo kích thước ống và tỷ lệ hơi nước flash hình thành.
• Có thể được sử dụng với nhiệt độ ngưng tụ thấp hơn nhiệt độ bão hòa hơi nước, như trường hợp sử dụng bẫy hơi nhiệt tĩnh.
• Được sử dụng để tính kích thước đường xả bẫy ở điều kiện tải đầy đủ. Không cần xem xét bất kỳ hệ số quá khổ nào cho tải khởi động hoặc loại bỏ khí không ngưng tụ.
• Cũng có thể được sử dụng để ước tính kích thước cho các đường bơm chứa ngưng tụ dưới 100°C. Điều này sẽ được thảo luận trong Mô-đun 14.4.

Sử dụng biểu đồ kích thước ống ngưng tụ (Cũng có trong Phụ lục 14.3.2) Xác định điểm giao nhau giữa áp suất hơi nước và ngưng tụ (phần dưới của biểu đồ, Hình 14.3.5). Từ điểm này, đi thẳng lên phần biểu đồ phía trên để gặp lưu lượng ngưng tụ yêu cầu. Nếu đường xả dốc xuống (không ngập nước) và lựa chọn nằm trên hoặc giữa các đường, chọn kích thước đường nhỏ hơn. Nếu đường xả dốc lên và do đó có thể bị ngập nước, chọn kích thước đường lớn hơn. Lưu ý: Nguyên lý tính kích thước bẫy hơi khác với nguyên lý dùng cho đường xả, và hoàn toàn bình thường khi đường xả bẫy hơi có kích thước khác với bẫy mà nó phục vụ. Tuy nhiên, khi bẫy được tính đúng kích thước, các thiết bị phụ trợ thông thường đi kèm trạm bẫy hơi, như van cô lập, bộ lọc, buồng thử bẫy và van một chiều, có thể cùng kích thước với thiết bị bẫy đã chọn, bất kể kích thước đường xả.

Ví dụ 14.3.3 1 Trên biểu đồ (Hình 14.3.6)

Bẫy hơi xả tải đầy 1000 kg/h ở áp suất hơi bão hòa 6 bar g qua đường xả dốc xuống đến bình thoáng ở 1.7 bar g. Vì đường xả không ngập nước, kích thước nhỏ hơn 25 mm được chọn từ biểu đồ (Hình 14.3.5).

Ví dụ 14.3.4 2 Trên biểu đồ (Hình 14.3.7)

Bẫy hơi xả tải đầy 1 000 kg/h ở áp suất hơi bão hòa 18 bar g qua đường xả dốc lên 5 m đến đường hồi ngưng tụ có áp suất 3.5 bar g. Cộng áp suất tĩnh 0.5 bar (cột nước 5 m) với áp suất ngưng tụ 3.5 bar để được áp suất ngược 4 bar g. Vì đường xả dốc lên và do đó bị ngập nước, kích thước lớn hơn 32 mm được chọn từ biểu đồ, (Hình 14.3.5).

Ví dụ 14.3.5 3 Trên biểu đồ (Hình 14.3.8)

Bẫy hơi xả tải đầy 200 kg/h ở áp suất hơi bão hòa 2 bar g qua đường xả dốc xuống đến bể thu ngưng tụ hở ở áp suất khí quyển (0 bar g). Vì đường ống không ngập nước, kích thước nhỏ hơn 20 mm được chọn từ biểu đồ, (Hình 14.3.5).

Ví dụ 14.3.6 4 Trên biểu đồ (Hình 14.3.9)

Bơm-bẫy xả tải đầy 200 kg/h ở áp suất buồng hơi bão hòa 4 bar g qua đường xả dốc lên 5 m đến đường hồi ngưng tụ không ngập nước ở áp suất khí quyển. Cột nước tĩnh 5 m đóng góp tổng áp suất ngược 0.5 bar g. Vì đường xả bẫy dốc lên, kích thước lớn hơn 25 mm được chọn từ biểu đồ, (Hình 14.3.5).

Ví dụ 14.3.7 5 Trên biểu đồ (Hình 14.3.10)

Xét tải ngưng tụ 200 kg/h đến bể thu và bơm. Trong trường hợp này, đường ngưng tụ dựa trên công suất tối đa của bơm để đạt cột nước mong muốn. Tính toán công suất bơm được đề cập trong Mô-đun 14.4 ‘Bơm ngưng tụ từ bể thu hở’, nhưng trong ví dụ này, giả sử tải ngưng tụ tối đa sẽ là 1 200 kg/h. Vì ngưng tụ đã mất phần hơi nước xả ra khí quyển qua lỗ thông bể thu, bơm sẽ chỉ bơm ngưng tụ dạng lỏng. Trong trường hợp này, chỉ cần sử dụng phần trên của biểu đồ trong Hình 14.3.5. Vì đường ống từ bơm dốc lên, kích thước lớn hơn 25 mm được chọn. Lưu ý: Nếu đường bơm dài hơn 100 m, phải chọn kích thước tiếp theo lớn hơn, trong ví dụ này sẽ là 32 mm. Mẹo hữu ích cho đường ống dài 100 m hoặc ít hơn là chọn đường xả có cùng kích thước với bơm. Chi tiết thêm tham khảo Mô-đun 14.4 ‘Bơm ngưng tụ từ bể thu hở’.

Đường hồi chung - đường dốc xuống

Đôi khi cần kết nối nhiều đường xả bẫy hơi từ các quy trình riêng biệt vào một đường hồi chung. Sẽ không có vấn đề nếu đáp ứng các lưu ý sau:

• Đường chung không bị ngập nước và dốc theo hướng dòng chảy đến đầu hở hoặc bể thu hở, hoặc bình thoáng nếu điều kiện cho phép.
• Đường chung được tính kích thước dựa trên tổng kích thước các đường nhánh, và các đường nhánh được tính từ Hình 14.3.5. Ví dụ 14.3.8 Hình 14.3.11 cho thấy ba bộ trao đổi nhiệt, mỗi bộ được điều khiển riêng biệt và hoạt động cùng lúc. Các tải ngưng tụ hiển thị là tải đầy và xảy ra với 3 bar g trong buồng hơi. Đường chung dốc xuống đến bình thoáng ở 1.7 bar g, nằm trong cùng phòng thiết bị. Ngưng tụ trong bình thoáng chảy qua phao đến bể thu hở, từ đó được bơm trực tiếp đến nhà lò hơi. Các đường xả bẫy được tính kích thước theo tải đầy với áp suất hơi 3 bar g và áp suất ngưng tụ 1.5 bar g, và vì mỗi đường không bị ngập nước, kích thước đường nhỏ hơn được chọn từ đồ thị. Xác định kích thước đường ngưng tụ cho các đường xả dốc xuống và đường chung.

Đường hồi chung - đường dốc lên

Đôi khi không thể tránh khỏi việc đường xả và đường hồi ngưng tụ dốc lên tại một điểm nào đó giữa bẫy và điểm cuối. Khi đó, mỗi đường xả được tính kích thước bằng cách chọn kích thước tiếp theo lớn hơn trên biểu đồ, như đã thảo luận trước đó trong Mô-đun này. Ví dụ 14.3.9 Hình 14.3.12 cho thấy ba bộ trao đổi nhiệt giống như trong Ví dụ 14.3.8. Tuy nhiên, trong trường hợp này, đường chung dốc lên 15 m và kết thúc ở đường hồi ngưng tụ chính trên cao không ngập nước, cho cùng áp suất ngược 1.5 bar như trong Ví dụ 14.3.8. Mỗi đường xả được tính kích thước như đường dốc lên. Xác định kích thước đường ngưng tụ cho các đường xả và đường chung.

Ví dụ 14.3.10 - Đường chung dốc xuống

Tính kích thước đường chung cho ứng dụng trên Hình 14.3.12 dốc xuống đến điểm cuối:

Ví dụ 14.3.11 - Đường chung dốc lên

Tính kích thước đường chung cho ứng dụng trên Hình 14.3.14 dốc lên đến điểm cuối: Lưu ý rằng tải hơi giống như Ví dụ 14.3.10, nhưng các đường xả lớn hơn một kích thước do đường chung dốc lên.

Quy trình được trình bày trong Ví dụ 14.3.10 và 14.3.11 có thể được đơn giản hóa bằng cách sử dụng Phụ lục 14.3.3.

Ví dụ, tại điểm nối ống A và B (20 mm và 50 mm), đường kính ống tối thiểu yêu cầu được hiển thị là 54 mm. Rõ ràng, người dùng sẽ chọn kích thước thương mại lớn hơn tiếp theo, trừ khi đường kính tính toán gần với kích thước danh nghĩa của ống.

Phụ lục 14.3.1 Dòng nước trong đường ống thép dày

Phụ lục 14.3.3 Bảng kích thước ống chung D1 = Kích thước nhánh nối (N.B.) D2 = Kích thước ống chung