Các loại bộ khử quá nhiệt cơ bản

Bộ khử quá nhiệt

Loại bộ khử quá nhiệt đơn giản nhất là đoạn ống không cách nhiệt, nơi nhiệt có thể bức xạ ra môi trường. Tuy nhiên, ngoài nguy cơ rõ ràng về thương tích cho nhân viên từ thiết bị nóng như vậy, và sự lãng phí năng lượng tốn kém, cách tiếp cận này không điều chỉnh để bù trừ cho sự thay đổi điều kiện môi trường, nhiệt độ hơi hoặc lưu lượng hơi. Một số thiết kế bộ khử quá nhiệt có sẵn và nên xem xét các thuộc tính sau khi định cỡ và chọn trạm phù hợp cho một ứng dụng nhất định:

• Tỷ lệ turndown - turndown được sử dụng để mô tả phạm vi lưu lượng mà bộ khử quá nhiệt sẽ hoạt động, như thể hiện trong Phương trình 4.2.1. Đây là tham số quan trọng, vì bất kỳ thay đổi nào trong áp suất, nhiệt độ hoặc lưu lượng đầu vào sẽ gây ra thay đổi trong nhu cầu chất lỏng làm mát.

Nói chung, hai giá trị turndown có thể được chỉ định cho một bộ khử quá nhiệt cụ thể:

Tỷ lệ turndown hơi - Phản ánh phạm vi lưu lượng hơi mà thiết bị có thể khử quá nhiệt hiệu quả.

Tỷ lệ turndown nước làm mát - Phản ánh phạm vi lưu lượng làm mát có thể được sử dụng.

Mặc dù điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ turndown hơi, mối quan hệ phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi quá nhiệt, nước làm mát và hơi khử quá nhiệt kết quả. Phương trình 15.1.1 là phương trình cân bằng khối lượng/nhiệt cho ứng dụng này: Cần lưu ý rằng lưu lượng hơi và nước tỷ lệ thuận với nhau; hằng số tỷ lệ k phụ thuộc vào entanpi của hơi quá nhiệt, nước làm mát và hơi khử quá nhiệt yêu cầu. Nếu turndown yêu cầu không thể đạt được bằng một bộ khử quá nhiệt, hai bộ khử quá nhiệt có thể được lắp song song, với việc chuyển đổi vận hành từ bộ này sang bộ khác; hoặc cả hai có thể vận hành tùy thuộc vào nhu cầu hơi. Cần lưu ý rằng bản thân bộ khử quá nhiệt chỉ là một phần của trạm khử quá nhiệt, sẽ bao gồm hệ thống điều khiển cần thiết cho vận hành chính xác.

• Áp suất và nhiệt độ vận hành.
• Lưu lượng hơi và nước.
• Lượng quá nhiệt trước, và lượng hơi khử quá nhiệt yêu cầu sau quy trình.
• Áp suất nước có sẵn (có thể cần máy bơm tăng áp).
• Độ chính xác yêu cầu của nhiệt độ cuối cùng.
• Trong trường hợp bộ khử quá nhiệt nội tuyến, khoảng cách hơi đi trước khi khử quá nhiệt hoàn toàn cũng là cân nhắc quan trọng. Điều này được gọi là chiều dài hấp thụ. Các phần sau bao gồm mô tả các loại bộ khử quá nhiệt phổ biến có sẵn, giới hạn và ứng dụng điển hình của chúng.

Bộ khử quá nhiệt tiếp xúc gián tiếp

Bộ khử quá nhiệt loại bó ống Loại bộ khử quá nhiệt này (Hình 15.2.2) bao gồm bộ trao đổi nhiệt, thường là vỏ và ống, với hơi quá nhiệt ở một bên, và chất làm mát ở bên kia. Vỏ của bộ trao đổi nhiệt đầu tiên (chứa nước làm mát) được cố định ở cả hai đầu ở phía đầu vào, trong khi ở phía đầu ra, nó được cố định ở dưới và mở ở trên. Đầu nổi cho phép áp suất trong hai phần của vỏ cân bằng. Chất làm mát là nước ở nhiệt độ và áp suất bão hòa. Khi hơi quá nhiệt đi vào bộ ống đầu tiên và sau đó bộ thứ hai, nó tỏa nhiệt cho nước, một phần sẽ bị bốc hơi bởi sự bổ sung năng lượng này. Nước làm mát bốc hơi đi qua đầu nổi và sẽ tích lũy ở phía đầu ra của vỏ. Sau đó nó đi qua đầu mở của vỏ nơi nó được trộn với hơi khử quá nhiệt. Ưu điểm:

1. Turndown chỉ bị giới hạn bởi các điều khiển được lắp.
2. Thiết kế này có khả năng tạo hơi khử quá nhiệt trong vòng 5C của nhiệt độ bão hòa.
3. Nhiệt độ và áp suất vận hành tối đa cao, thường khoảng 60 bar và 450C.
4. Phản ứng nhanh. Nhược điểm:
5. Cồng kềnh - vì hiện có nhiều thiết bị nội tuyến, chúng đã bị thay thế phần lớn.
6. Chi phí.
7. Mối quan tâm quan trọng với loại bộ khử quá nhiệt này là hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt. Sự tích tụ không khí hoặc cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt có thể đóng vai trò rào cản cực kỳ hiệu quả cho truyền nhiệt. Ứng dụng:
8. Các ứng dụng trải qua biến đổi tải rộng.

Bộ khử quá nhiệt tiếp xúc trực tiếp

Bộ khử quá nhiệt loại bể nước Đây là dạng đơn giản nhất của bộ khử quá nhiệt tiếp xúc trực tiếp. Hơi quá nhiệt được bơm vào bể nước. Nhiệt bổ sung này sẽ khiến hơi bão hòa bốc hơi từ bề mặt bể. Bộ điều khiển áp suất duy trì áp suất không đổi trong bình, và do đó nhiệt độ và áp suất của hơi bão hòa trong đường ống hạ nguồn. Vì hơi quá nhiệt có nhiều năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng hơn hơi bão hòa, nhiều hơi hơn sẽ được bốc hơi so với thực tế đi vào bộ khử quá nhiệt. Do đó, mức nước sẽ giảm và do đó phải có dự phòng để duy trì mức này. Điều này thường yêu cầu máy bơm thiết kế tương tự như máy bơm nước cấp lò hơi, vì nước phải được bơm chống lại áp suất bình.

Cần có van một chiều tốt trong cấp hơi quá nhiệt để tránh nước từ bể bị hút vào hệ thống hơi quá nhiệt nếu áp suất trong đường ống hơi quá nhiệt giảm. Ưu điểm:

1. Đơn giản.
2. Hơi được tạo ra ở nhiệt độ bão hòa.
3. Hơi với độ khô 0,98 có thể được tạo ra.
4. Turndown chỉ bị giới hạn bởi các điều khiển được lắp.

---

Nhược điểm:

1. Cồng kềnh.
2. Không thực tế cho nhiệt độ cao.

---

Ứng dụng:

1. Biến đổi rộng trong lưu lượng.
2. Khi không thể chấp nhận bất kỳ quá nhiệt dư thừa nào.

Khử quá nhiệt bằng phun nước

Loại khử quá nhiệt này chiếm phần lớn các ứng dụng khử quá nhiệt. Trong bộ khử quá nhiệt phun nước, hơi quá nhiệt đi qua một đoạn ống được trang bị một hoặc nhiều vòi phun. Những vòi này bơm phun nước làm mát dạng sương mịn vào hơi quá nhiệt, khiến nước được chuyển thành hơi, giảm lượng quá nhiệt. Nước làm mát có thể được đưa vào hơi quá nhiệt theo nhiều cách; do đó, có nhiều loại bộ khử quá nhiệt phun nước khác nhau.

Mặc dù vậy, hầu hết bộ khử quá nhiệt phun nước bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

• Kích thước hạt - Kích thước hạt nước càng nhỏ, tỷ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng càng lớn, và tốc độ truyền nhiệt càng cao. Vì nước được bơm trực tiếp vào hơi quá nhiệt đang di chuyển, kích thước hạt càng nhỏ, khoảng cách cần thiết cho trao đổi nhiệt càng ngắn. Nước được phân tách thành các hạt nhỏ bằng thiết bị cơ khí (như vòi lỗ cố định hoặc biến đổi) hoặc vòi phun sương bằng hơi.
• Dòng chảy hỗn loạn - Khi dòng chảy trong đường ống trở nên hỗn loạn hơn, các hạt nước bị cuốn theo cư trú lâu hơn trong bộ khử quá nhiệt, cho phép truyền nhiệt nhiều hơn. Ngoài ra, dòng chảy hỗn loạn khuyến khích trộn nước làm mát và hơi quá nhiệt. Tăng dòng chảy hỗn loạn dẫn đến khoảng cách ngắn hơn cần thiết để khử quá nhiệt hoàn toàn. Dòng chảy hỗn loạn có thể được tạo ra theo hai cách:
• Giảm áp suất qua vòi phun - Đưa nước làm mát chịu giảm áp suất cao hơn sẽ tăng tốc độ và gây ra dòng chảy hỗn loạn lớn hơn.
• Tốc độ - Bằng cách tăng tổng tốc độ của hỗn hợp nước và hơi, lượng dòng chảy hỗn loạn tự nhiên tăng. Tăng tốc độ thường đạt được bằng cách tạo hạn chế trong đường đi của hơi, tạo thêm dòng chảy hỗn loạn bằng tách xoáy. Ngoài các tốc độ cao này, nếu thực hành thiết kế ống kém được sử dụng, tốc độ của hơi quá nhiệt có thể về lý thuyết tiếp cận Mach 1. Ở tốc độ như vậy, nhiều vấn đề sẽ xảy ra (bao gồm tạo sóng xung kích). Tuy nhiên, điều này sẽ vượt quá tốc độ được sử dụng trong thiết kế ống tốt. Tốc độ điển hình của hơi đi vào bộ khử quá nhiệt nên vào khoảng 40 đến 60 m/s.
• Lưu lượng nước làm mát - Tốc độ mà nước làm mát có thể được thêm vào hơi quá nhiệt bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, được liên hệ bởi Phương trình 4.2.11: Nhớ rằng C và g là hằng số, xem xét Phương trình 4.2.11 cho thấy chỉ có hai yếu tố có thể được điều khiển để thay đổi lưu lượng nước làm mát, qv:

Thay đổi giảm áp suất qua lỗ (vòi phun), h - Biểu thị lưu lượng theo hàm giảm áp suất qua vòi phun: Điều này có nghĩa là nếu, ví dụ, lưu lượng tăng gấp 5 lần, áp suất khả dụng phải tăng gấp 52 = 25 lần. Tác dụng của mối quan hệ này là hạn chế nghiêm trọng tỷ lệ turndown. Ngoài việc ảnh hưởng đến lưu lượng nước làm mát, có hai cân nhắc quan trọng khác khi xác định áp suất nước làm mát cần thiết:

1. Áp suất nước làm mát phải lớn hơn áp suất hơi quá nhiệt tại điểm bơm.
2. Giảm áp suất qua vòi phun càng lớn, quá trình phun sương nước làm mát càng tốt. Thay đổi diện tích lỗ, A - Biểu thị lưu lượng theo hàm diện tích lỗ: V ∝ A Mối quan hệ trực tiếp này có nghĩa là nếu, ví dụ, lưu lượng tăng gấp 5 lần, diện tích khả dụng cũng phải tăng gấp 5 lần. Thay đổi này có thể đơn giản đạt được bằng lỗ, có khả năng thay đổi diện tích (xem Hình 15.2.4), hoặc bằng cách thay đổi số lỗ cho chất làm mát đi qua.

• Ống bảo vệ nhiệt - Cần kiểm soát cẩn thận phun để đảm bảo nước không rơi ra khỏi trạng thái lơ lửng vì điều này có thể dẫn đến ứng suất nhiệt được tạo ra trong đường ống và có thể xảy ra nứt. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, ống bảo vệ nhiệt bên trong có thể được sử dụng để bảo vệ. Ống bảo vệ nhiệt cũng cho phép hơi quá nhiệt lưu thông quanh vùng hình khuyên giữa ống và đường kính trong của ống. Điều này cung cấp bề mặt nóng mà nước bơm vào có thể bay hơi, thay vì các thành của bộ khử quá nhiệt, tất nhiên mát hơn.

Bộ khử quá nhiệt loại phun nước

Bộ khử quá nhiệt phun tiêm xuyên tâm một điểm Phương pháp đơn giản nhất để bơm nước làm mát là đưa vòi phun qua thành ống. Các hạt nước làm mát được phun ngang dòng hơi quá nhiệt. Lượng nước làm mát bơm vào được điều khiển bằng cách thay đổi vị trí van ở trung tâm vòi phun. Ưu điểm:

1. Vận hành đơn giản.
2. Hiệu quả chi phí.
3. Giảm áp suất hơi tối thiểu. Nhược điểm:
4. Tỷ lệ turndown thấp, thường tối đa 3:1 trên cả lưu lượng hơi và nước làm mát.
5. Nhiệt độ hơi khử quá nhiệt chỉ có thể giảm xuống 10C trên nhiệt độ bão hòa.
6. Chiều dài hấp thụ dài hơn loại phun sương bằng hơi.
7. Dễ gây hư hại xói mòn cho hệ thống ống bên trong nhất. Điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng ống bảo vệ nhiệt.
8. Kích thước ống giới hạn. Ứng dụng:
9. Tải hơi không đổi.
10. Nhiệt độ hơi không đổi.
11. Nhiệt độ chất làm mát không đổi. Tất cả đều có nghĩa là nhu cầu nước làm mát tương đối không đổi. Bộ khử quá nhiệt phun tiêm xuyên tâm nhiều điểm Đây là sự tiến bộ của bộ khử quá nhiệt phun tiêm xuyên tâm một điểm. Nước làm mát được phun vào từ nhiều lỗ quanh chu vi ống.

Bộ khử quá nhiệt phun tiêm trục

Đây cũng là bộ khử quá nhiệt phun nội tuyến đơn giản, nhưng điểm bơm được chuyển đến trục của đường ống. Nước làm mát được bơm vào dòng hơi qua một hoặc nhiều vòi phun sương (xem Hình 15.2.8). Thiết bị thường sử dụng ống bảo vệ nhiệt. Bơm nước làm mát theo trục cải thiện việc trộn nước và hơi quá nhiệt bằng hai phương pháp:

1. Vì nước được bơm dọc theo trung tâm đường ống, nó sẽ được phân phối đều hơn trong hơi quá nhiệt.
2. Ống cấp nước làm mát được đưa vào trong đường ống đóng vai trò chướng ngại vật, tạo thêm dòng chảy hỗn loạn tại điểm bơm nước do tách xoáy. Một sửa đổi của cách bố trí cơ bản này bao gồm quay vòi phun để nước làm mát được phun ngược dòng, chống lại dòng hơi. Tốc độ cao của hơi quá nhiệt đảo ngược mẫu phun nước và gửi nó trở lại qua buồng trộn. Điều này đạt được trộn hiệu quả hơn giữa nước và hơi trong chiều dài hấp thụ ngắn. Ưu điểm:
3. Vận hành đơn giản.
4. Không có bộ phận chuyển động.
5. Hiệu quả chi phí trên toàn bộ phạm vi kích thước.
6. Giảm áp suất hơi tối thiểu. Nhược điểm:
7. Tỷ lệ turndown thấp, thường tối đa 3:1 trên cả lưu lượng hơi và nước làm mát.
8. Nhiệt độ hơi khử quá nhiệt chỉ có thể giảm xuống 10C trên nhiệt độ bão hòa.
9. Chiều dài hấp thụ dài hơn loại phun sương bằng hơi, nhưng ít hơn loại xuyên tâm.
10. Dễ gây hư hại xói mòn cho hệ thống ống bên trong nhất. Điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng ống bảo vệ nhiệt. Ứng dụng:
11. Tải hơi không đổi.
12. Nhiệt độ hơi không đổi.
13. Nhiệt độ chất làm mát không đổi. Tất cả đều có nghĩa là nhu cầu nước làm mát tương đối không đổi.

Bộ khử quá nhiệt bơm tiêm trục nhiều vòi

Thay vì một vòi phun, bộ khử quá nhiệt bơm tiêm trục nhiều vòi cung cấp nhiều vòi phun qua dòng hơi quá nhiệt. Điều này cho phép phân tán tốt các giọt nước. Có ba loại chính của bộ khử quá nhiệt bơm tiêm trục nhiều vòi:

1. Loại diện tích cố định - Tất cả các vòi phun đều mở khi bộ khử quá nhiệt vận hành, và nước làm mát được điều chỉnh bởi van điều khiển nước phun.
2. Loại phun biến đổi - Nhiệt độ hạ nguồn xác định số vòi phun lộ ra. Nước làm mát đi vào bộ khử quá nhiệt qua áo nước đến vùng kín phía trên đĩa (xem Hình 15.2.12). Khi tăng nhiệt độ hơi hạ nguồn được phát hiện bởi hệ thống điều khiển nhiệt độ liên kết, bộ truyền động di chuyển thân xuống, dần dần lộ ra nhiều vòi phun hơn. Khi nhu cầu nước làm mát thay đổi, bộ phận thân và đĩa di chuyển lên xuống theo yêu cầu. Điều này có tác dụng thay đổi tổng diện tích lỗ.
3. Loại trợ lực lò xo - Về cơ bản là sự kết hợp của hai loại trước. Thay vì bộ phận thân và đĩa được điều khiển bởi bộ truyền động, loại trợ lực lò xo chứa piston dòng chảy tải lò xo, di chuyển để đáp ứng với thay đổi hiệu áp suất giữa chất làm mát và hơi quá nhiệt. Piston di động thay đổi số vòi phun mở, do đó điều chỉnh dòng chảy vào đường ống chính. Ngoài ra, nước làm mát được điều chỉnh bởi van điều khiển nước phun.

Có khả năng kiểm soát cả áp suất và lưu lượng của nước làm mát cho phép điều khiển chính xác lượng nước bơm vào hơi quá nhiệt. Tuy nhiên, loại này yêu cầu áp suất nước làm mát cao. Ưu điểm:

1. Tỷ lệ turndown lên đến 8:1 khả thi với loại diện tích cố định, lên đến 9:1 với loại trợ lực lò xo và 12:1 cho loại diện tích biến đổi.
2. Phân tán tốt hơn các giọt nước có nghĩa là chiều dài hấp thụ ít hơn các thiết bị một vòi phun.
3. Giảm áp suất hơi tối thiểu. Nhược điểm:
4. Nhiệt độ hơi khử quá nhiệt chỉ có thể giảm xuống 8C trên nhiệt độ bão hòa.
5. Chiều dài hấp thụ dài hơn loại phun sương bằng hơi.
6. Dễ gây hư hại xói mòn cho hệ thống ống bên trong nhất, nếu không sử dụng ống bảo vệ nhiệt.
7. Không phù hợp cho kích thước ống nhỏ.
8. Yêu cầu nước làm mát áp suất cao (đặc biệt đúng với loại trợ lực lò xo).
9. Loại diện tích biến đổi và trợ lực lò xo có thể đắt. Ứng dụng:
10. Ứng dụng yêu cầu tỷ lệ turndown cao hơn so với thiết bị một vòi phun, nhưng chi phí thiết bị tinh vi hơn không được chứng minh.
11. Tải hơi không đổi.
12. Nhiệt độ hơi không đổi.
13. Nhiệt độ chất làm mát không đổi. Tất cả đều yêu cầu tải khử quá nhiệt tương đối không đổi.