Lý thuyết khử quá nhiệt cơ bản

Hơi quá nhiệt có những ưu điểm quan trọng trong một số ứng dụng nhất định, ví dụ, khi được sử dụng trong nhà máy phát điện để chạy turbine. Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả cho ứng dụng gia nhiệt, hơi phải được khử quá nhiệt. Hướng dẫn này xem xét lý thuyết và tính toán khử quá nhiệt cơ bản.

Hơi quá nhiệt là hơi ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa cho áp suất hơi. Ví dụ, hơi ở áp suất 3 bar g có nhiệt độ bão hòa 143,762C. Nếu nhiệt được thêm vào hơi này và áp suất vẫn ở 3 bar g, nó sẽ trở thành hơi quá nhiệt. Nhiệt bổ sung này tạo ra hơi:

• Có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa.
• Chứa nhiều năng lượng hơn hơi bão hòa.
• Có thể tích riêng lớn hơn hơi bão hòa. Mối quan hệ giữa ba thuộc tính này được ghi chép đầy đủ và có thể được tìm thấy trong hầu hết các tài liệu liên quan đến tính chất nhiệt động của hơi. Hơi quá nhiệt chủ yếu được sử dụng trong nhà máy phát điện làm lực truyền động cho turbine. Xem xét chu trình khí Rankine sẽ chứng minh rằng, để chạy turbine, hơi quá nhiệt có hiệu suất nhiệt cao hơn hơi bão hòa.

Quá nhiệt hơi có thêm những ưu điểm quan trọng:

• Hơi ướt trong turbine sẽ dẫn đến giọt nước và xói mòn các cánh turbine, cũng như tăng ma sát.
• Tốc độ đường ống cao hơn (lên đến 100 m/s) có thể được sử dụng. Điều này có nghĩa là đường ống phân phối nhỏ hơn có thể được sử dụng (miễn là giảm áp suất không quá mức).
• Đối với nhà máy chạy liên tục, hơi quá nhiệt có nghĩa là không có ngưng tụ trong hệ thống ống, do đó, chỉ cần xả ngưng tụ trong quá trình khởi động.

Sử dụng hơi quá nhiệt có một số nhược điểm:

Mặc dù hơi quá nhiệt chứa lượng lớn năng lượng nhiệt, năng lượng này ở ba dạng; entanpi của nước, entanpi bay hơi (nhiệt ẩn) và entanpi quá nhiệt. Phần lớn năng lượng nằm trong entanpi bay hơi, và năng lượng trong quá nhiệt chiếm tỷ lệ nhỏ hơn. Ví dụ, lấy hơi quá nhiệt ở 10 bar a và 300C, thì:

Entanpi của nước = 763 kJ/kg

Entanpi bay hơi = 2 015 kJ/kg

Entanpi quá nhiệt = 274 kJ/kg

• Hệ số truyền nhiệt khi sử dụng hơi quá nhiệt làm chất gia nhiệt là biến đổi, thấp và khó định lượng chính xác. Điều này làm cho việc định cỡ và điều khiển chính xác thiết bị truyền nhiệt trở nên khó khăn, và cũng sẽ dẫn đến bộ trao đổi nhiệt lớn hơn và đắt hơn. Khi hơi quá nhiệt được làm nguội đến nhiệt độ bão hòa, hệ số truyền nhiệt tăng đáng kể, và nhiệt độ mà hơi ngưng tụ trở lại thành nước là không đổi. Điều này hỗ trợ đáng kể việc định cỡ và điều khiển chính xác thiết bị truyền nhiệt. Sự hiện diện của hệ số truyền nhiệt cao liên quan đến hơi bão hòa dẫn đến bộ trao đổi nhiệt nhỏ hơn và rẻ hơn so với những bộ sử dụng hơi quá nhiệt.
• Một số quy trình (ví dụ, cột chưng cất) hoạt động kém hiệu quả hơn khi được cung cấp hơi quá nhiệt.
• Nhiệt độ cao hơn của hơi quá nhiệt có thể có nghĩa là thiết bị xếp hạng cao hơn, và do đó đắt hơn, được yêu cầu.
• Nhiệt độ cao hơn của hơi quá nhiệt có thể hư hại thiết bị nhạy cảm. Những nhược điểm này có nghĩa là hơi quá nhiệt thường không mong muốn cho ứng dụng quy trình nhiệt. Tuy nhiên, có những nhà máy mà hơi quá nhiệt được tạo ra cho phát điện, và có ý nghĩa kinh tế khi khử quá nhiệt một phần hơi này từ một điểm nào đó trong chu trình phát điện, và sau đó sử dụng cho ứng dụng quy trình. (Thông tin thêm về hơi quá nhiệt có thể được tìm thấy trong Module 2.3).

Cũng có những nhà máy mà lượng lớn chất thải được sử dụng làm nhiên liệu cho lò hơi. Nếu lượng chất thải đủ lớn, thì hơi quá nhiệt có thể được tạo ra cho phát điện.

Ví dụ về loại nhà máy này có thể được tìm thấy trong ngành sản xuất giấy và tinh chế đường.

Trong các nhà máy có hơi quá nhiệt sẵn có cho sử dụng quy trình, có ý nghĩa khi phân phối hơi quá nhiệt đến các điểm xa trong nhà máy, vì điều này sẽ đảm bảo hơi vẫn khô.

Điều này trở nên quan trọng nếu có các đoạn ống dài phân tách điểm tạo hơi và điểm sử dụng.

Khử quá nhiệt hơi cơ bản

Khử quá nhiệt là quá trình mà hơi quá nhiệt được đưa trở lại trạng thái bão hòa, hoặc nhiệt độ quá nhiệt được giảm. Hầu hết các bộ khử quá nhiệt được sử dụng để khôi phục trạng thái bão hòa tạo ra nhiệt độ xả接近 bão hòa (thường trong vòng 3C của nhiệt độ bão hòa là tối thiểu). Thiết kế cho nhiệt độ xả vượt quá 3C trên bão hòa cũng khả thi và thường được sử dụng. Về cơ bản có hai loại bộ khử quá nhiệt rộng:

• Loại tiếp xúc gián tiếp - Chất trung gian được sử dụng để làm mát hơi quá nhiệt không tiếp xúc trực tiếp với nó. Chất lỏng hoặc khí mát hơn có thể được sử dụng làm chất làm mát, ví dụ, không khí xung quanh. Ví dụ về loại bộ khử quá nhiệt này là bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống. Ở đây hơi quá nhiệt được cung cấp cho một bên của bộ trao đổi nhiệt và chất trung gian mát hơn được cung cấp cho bên kia. Khi hơi quá nhiệt đi qua bộ trao đổi nhiệt, nhiệt bị mất từ hơi, và được hấp thụ bởi chất làm mát. Nhiệt độ của hơi khử quá nhiệt có thể được kiểm soát bằng either áp suất hơi quá nhiệt đầu vào hoặc lưu lượng nước làm mát. Kiểm soát dòng chảy hơi quá nhiệt cho mục đích này thường không thực tế và hầu hết các hệ thống điều chỉnh dòng chảy của chất làm mát.
• Loại tiếp xúc trực tiếp - Chất trung gian được sử dụng để làm mát hơi quá nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nó. Trong hầu hết các trường hợp, chất làm mát là cùng chất lỏng với hơi cần khử quá nhiệt, nhưng ở trạng thái lỏng. Ví dụ, trong trường hợp bộ khử quá nhiệt hơi, nước được sử dụng. Một trạm khử quá nhiệt tiếp xúc trực tiếp điển hình được thể hiện trong Hình 15.1.3. Khi bộ khử quá nhiệt vận hành, một lượng nước được đo được thêm vào hơi quá nhiệt qua hệ thống trộn bên trong bộ khử quá nhiệt. Khi đi vào bộ khử quá nhiệt, nước làm mát bay hơi bằng cách hấp thụ nhiệt từ hơi quá nhiệt. Do đó, nhiệt độ của hơi được giảm.

Kiểm soát lượng nước cần thêm thường đạt được bằng cách đo nhiệt độ của hơi phía hạ nguồn của bộ khử quá nhiệt. Nhiệt độ đặt của hơi khử quá nhiệt thường là 3C trên nhiệt độ bão hòa. Do đó, trong các hệ thống như vậy, áp suất đầu vào của hơi quá nhiệt phải được giữ không đổi.

Tính toán khử quá nhiệt

Lượng nước thêm vào phải đủ để làm mát hơi đến nhiệt độ mong muốn; quá ít nước và hơi sẽ không được làm mát đủ, quá nhiều và hơi bão hòa ướt sẽ được tạo ra sẽ cần được sấy khô qua bộ tách.

Sử dụng Phương trình 15.1.1, dựa trên bảo toàn năng lượng, nhu cầu chất lỏng làm mát có thể được xác định dễ dàng và nhanh chóng: Ví dụ 15.1.1 Xác định lưu lượng nước làm mát cần thiết cho các điều kiện trong Bảng sau:

Giải:

Thông tin cần thiết có thể được lấy hoặc nội suy từ bảng hơi bản cứng; các trích liên quan được thể hiện trong Bảng 15.1.1 và Bảng 15.1.2. Hoặc, bảng hơi trực tuyến Spirax Sarco có thể được sử dụng. Thông tin cần thiết để thỏa mãn Phương trình 15.1.1 là:

m_dot - body text.jpgs = Lưu lượng khối lượng hơi quá nhiệt = 10 000 kg/h

hs = Entanpi ở điều kiện quá nhiệt (Từ bảng hơi 300C ở 10 bar a) = 3 052 kJ/kg

hcw = Entanpi của chất lỏng làm mát = 4,2 kJ/kgC x 150C = 630 kJ/kg

Xác định entanpi ở điều kiện khử quá nhiệt, hd:

Từ bảng hơi, nhiệt độ bão hòa (Ts) ở 10 bar a là 180C, do đó ở điều kiện khử quá nhiệt yêu cầu, nhiệt độ sẽ là:

Ts + 5C = 185C

Nội suy giữa entanpi của hơi ở 10 bar a và nhiệt độ bão hòa, và ở 10 bar a và 200C:

Entanpi ở 10 bar a, Ts (bảng hơi bão hòa) = 2 778 kJ/kg

Entanpi ở 10 bar a, 200C (bảng hơi quá nhiệt) = 2 829 kJ/kg

Nội suy cho entanpi ở 10 bar a và 185C: Cuối cùng, áp dụng Phương trình 15.1.1: Lưu ý rằng hơi khử quá nhiệt được cung cấp với tốc độ: 10 000 + 1 208 kg/h = 11 208 kg/h

được cung cấp với tốc độ:

10 000 + 1 208 Nếu yêu cầu là 10 000 kg/h hơi khử quá nhiệt, lưu lượng hơi quá nhiệt ban đầu có thể được xác định bằng phương pháp tỷ lệ đơn giản:

---