Ví dụ chọn bẫy hơi
Một ví dụ tính toán đầy đủ về cách xác định tình trạng nghẽn (stall) và lựa chọn giải pháp loại bỏ ngưng tụ cho ứng dụng trao đổi nhiệt.
Ví dụ 13.4.1 Chọn bẫy hơi Một nhà máy cần một bộ trao đổi nhiệt hơi/nước hoạt động ở áp suất danh định 4 bar g để gia nhiệt nước quy trình tuần hoàn với lưu lượng 1 L/s (1 kg/s) từ 10°C lên 80°C, cho tải nhiệt thiết kế 293 kW. Quy trình có tải nhiệt tối thiểu ở mức 60% tải nhiệt đầy đủ. Đây là dây chuyền hoạt động liên tục không có tăng tải trong tương lai. Hai nhà cung cấp được yêu cầu cung cấp bộ trao đổi nhiệt. Các thông tin sau rất quan trọng cho việc lựa chọn:
- Nhà cung cấp ‘X’ có thể cung cấp bộ trao đổi nhiệt với diện tích gia nhiệt 2 m2, giá trị ‘U’ là 2 500 W/m2 °C và công suất 350 kW khi vận hành với hơi ở 4 bar g và lưu lượng nước 1 L/s.
- Nhà cung cấp ‘Y’ có thể cung cấp bộ trao đổi nhiệt với diện tích gia nhiệt nhỏ hơn phù hợp hơn với tải nhiệt thiết kế 293 kW, khi vận hành với hơi ở 4 bar g và lưu lượng nước 1 L/s. Giá trị ‘U’ là 2500 W/m2 °C.
- Đường ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt sẽ nâng cao 5 mét đến đường ống hồi ngưng tụ đi xuống đến bình thu có thông khí, với tổng áp suất ngược là 0.5 bar g. Lưu ý: Cột nước cao một mét dưới áp suất khí quyển sẽ tạo áp suất ở đáy cột khoảng 10 kPa hoặc 0.1 bar g. Bất kỳ độ nâng nào trong đường xả ngưng tụ đều sẽ tạo ra lực nâng tĩnh do cột ngưng tụ trong đường ống, ngoài bất kỳ áp suất nào trong hệ thống ngưng tụ. Cần phải xác định điều kiện vận hành của hệ thống để chọn và định cỡ bẫy hơi phù hợp cho việc loại bỏ ngưng tụ từ cả hai bộ trao đổi nhiệt trong bất kỳ điều kiện tải vận hành nào.
Các câu hỏi sau cần được trả lời để loại bỏ ngưng tụ đúng cách:
(A) Tình trạng nghẽn (stall) có xảy ra trong quá trình vận hành bình thường không?
(B) Ở tải nào thì tình trạng nghẽn sẽ xảy ra?
Kiểm tra tải nhiệt của ứng dụng ở điều kiện thiết kế.
Từ phương trình lưu lượng truyền nhiệt (Phương trình 2.6.5):
Xem xét nhà cung cấp ‘X’
Bộ trao đổi nhiệt 350 kW với diện tích gia nhiệt 2 m2.
Áp suất không gian hơi trong thiết bị gia nhiệt này ở tải nhiệt thiết kế là bao nhiêu?
Trước tiên cần xác định LMTD (ΔTLM) cho diện tích gia nhiệt 2 m2.
Từ Phương trình 13.2.1:
Nhiệt độ thiết kế hơi bây giờ có thể được tính bằng Phương trình 2.5.5:
Nhiệt độ bão hòa này tương đương với áp suất hơi 0.45 bar g. Áp suất này thấp hơn áp suất ngược 0.5 bar g, và hệ thống sẽ bị nghẽn vĩnh viễn.
Trong trường hợp này, nếu lắp bẫy hơi dạng phao cầu, ngưng tụ sẽ liên tục tràn ngập bộ trao đổi nhiệt, mực nước thay đổi theo tải. Hiệu suất vận hành có thể không đạt do nhiệt độ đầu ra thứ cấp sẽ dao động, và bộ trao đổi nhiệt có thể hỏng sớm do ăn mòn.
Nếu hệ thống vận hành liên tục trong điều kiện nghẽn, bẫy hơi dạng phao cầu là lựa chọn sai cho ứng dụng này, và nên thay thế bằng bẫy bơm (pump-trap). Xem xét nhà cung cấp ‘Y’ Để nhà sản xuất định cỡ diện tích gia nhiệt phù hợp nhất với điều kiện thiết kế, cần tìm diện tích gia nhiệt tối thiểu đáp ứng tải đầy đủ khi vận hành. Trước tiên cần xác định LMTD danh định cho bộ trao đổi nhiệt với áp suất không gian hơi 4 bar g (TS = 152°C).
Từ Phương trình 2.5.5:
Từ dải sản phẩm tiêu chuẩn, nhà cung cấp ‘Y’ có thể cung cấp bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đáp ứng thông số kỹ thuật với diện tích gia nhiệt 1.198 m2. Kích thước này vượt quá yêu cầu (khoảng 5%) và do đó áp suất hơi sẽ thấp hơn 4 bar g ở điều kiện vận hành tải đầy đủ.
Trong thực tế, bộ trao đổi nhiệt thường được chỉ định vượt công suất ít nhất 10%. Vì lý do này, áp suất hơi vận hành (không phải áp suất làm việc bình thường được ghi) luôn phải được xác định trước khi chọn và định cỡ thiết bị xả ngưng tụ. Nhà sản xuất uy tín sẵn sàng cung cấp thông tin này, hoặc ít nhất là diện tích gia nhiệt, giá trị ‘U’ và công suất nhiệt. Từ dữ liệu này, LMTD danh định có thể được tính, từ đó xác định được áp suất vận hành.
Tìm LMTD cho bộ trao đổi nhiệt với diện tích gia nhiệt 1.198 m²:
Nhiệt độ bão hòa này tương đương với áp suất hơi 3.4 bar g ở điều kiện thiết kế. Vì áp suất này lớn hơn áp suất ngược không đổi 0.5 bar g, hệ thống sẽ không bị nghẽn ở tải đầy đủ.
Lưu lượng hơi (ṁs) ở tải đầy đủ là bao nhiêu?
Lưu lượng khối lượng hơi sẽ phụ thuộc vào áp suất không gian hơi, là 3.4 bar g ở tải đầy đủ, với nhiệt bay hơi 2122 kJ/kg.
Từ Phương trình 2.8.1:
TDC là gì?
Bây giờ cần tìm tải nhiệt mà ở đó hệ thống sẽ bị nghẽn. Để làm điều đó, cần tính TDC cho bộ trao đổi nhiệt này từ điều kiện thiết kế.
Từ Phương trình 13.2.2:
Điều kiện nghẽn
Khi bị nghẽn, áp suất trong không gian hơi sẽ bằng áp suất ngược 0.5 bar g.
Nhiệt độ bão hòa của hơi ở 0.5 bar g là 111.6°C.
Từ Phương trình 13.2.4 có thể tìm nhiệt độ đầu vào:
Tải nhiệt khi bị nghẽn là bao nhiêu?
Từ phương trình lưu lượng truyền nhiệt (Phương trình 2.6.5):
Việc lựa chọn thiết bị xả ngưng tụ sẽ phụ thuộc vào việc tải nhiệt tối thiểu cao hơn hay thấp hơn tải nghẽn.
Tải tối thiểu được ghi nhận là 60% của tải đầy đủ 293 kW, do đó:
Tải tối thiểu = 0.6 x 293 kW = 176 kW
Tải nghẽn = 138 kW
Vì tải tối thiểu lớn hơn tải nghẽn, hệ thống sẽ không bao giờ bị nghẽn. Do đó việc lắp bẫy hơi dạng phao cầu là phù hợp, vì luôn có hiệu áp suất dương qua bẫy.
Tuy nhiên, bẫy hơi dạng phao cầu phải được định cỡ để chịu được cả tải đầy đủ và tải tối thiểu, và do đó cần tính lưu lượng hơi và áp suất không gian hơi tương ứng ở cả hai điều kiện.
Trước tiên cần tính nhiệt độ đầu vào thứ cấp ở tải tối thiểu. Điều này có thể dự đoán bằng Phương trình 13.4.1:
Điều kiện tải tối thiểu
Từ Phương trình 13.2.3:
Đây là nhiệt độ hơi ở tải tối thiểu 176 kW, tương đương với áp suất hơi 1.0 bar g. Áp suất ngưng tụ là 0.5 bar g. Hiệu áp suất qua bẫy hơi dạng phao cầu ở tải tối thiểu do đó bằng 1.0 bar g - 0.5 bar g = 0.5 bar.
Lưu lượng hơi (ṁ (min)) ở tải nhiệt tối thiểu 176 kW là bao nhiêu?
Lưu lượng hơi tối thiểu sẽ phụ thuộc vào áp suất không gian hơi, là 1.0 bar g với nhiệt bay hơi 2201.1 kJ/kg.
Từ Phương trình 2.8.1:
Vì đã xác định rằng hệ thống này sẽ không bị nghẽn, bẫy hơi dạng phao cầu là phù hợp. Bây giờ cần định cỡ bẫy hơi dạng phao cầu cho vận hành lên đến hiệu áp suất hệ thống tối đa 3.5 bar và cho phép thông qua …
a) tải đầy đủ 498 kg/h với hiệu áp suất 3.4 bar g - 0.5 bar g = 2.9 bar g.
b) tải tối thiểu 288 kg/h với hiệu áp suất 1.0 bar g - 0.5 bar g = 0.5 bar g.
Có thể thấy từ biểu đồ định cỡ bẫy hơi dạng phao cầu (Hình 13.4.1) rằng DN25 (1”) FT14-4.5 sẽ đáp ứng cả hai điều kiện này và có thể được chọn. Tuy nhiên, nếu tải nhiệt tối thiểu thấp hơn tải nghẽn, thì sẽ phải chọn bẫy bơm (pump-trap).
Các phương pháp lựa chọn thiết bị xả ngưng tụ được thảo luận thêm trong Mô-đun 13.8, ‘Các phương pháp thực tế để ngăn ngừa tình trạng nghẽn’.
