Vòng lặp hơi nước và ngưng tụ

Hơi nước được tạo ra, phân phối, kiểm soát và sử dụng như thế nào? Ngưng tụ được tái chế như thế nào? Tổng quan cơ bản về hệ thống hơi nước.

Mô-đun này của Vòng lặp hơi nước và ngưng tụ nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan ngắn gọn, phi kỹ thuật về nhà máy hơi nước. Nó cung cấp giải pháp tổng thể về cách các phần khác nhau của nhà máy hơi nước liên quan đến nhau - và là bài đọc hữu ích cho bất kỳ ai chưa quen thuộc với chủ đề này, trước khi tiến đến Khối tiếp theo, hoặc, thực vậy, trước khi thực hiện bất kỳ hình thức nghiên cứu chi tiết nào về lý thuyết hơi nước hoặc thiết bị nhà máy hơi nước.

Nhà lò hơi

Lò hơi Lò hơi là trái tim của hệ thống hơi nước. Lò hơi đóng gói hiện đại điển hình được cung cấp năng lượng bởi đầu đốt truyền nhiệt vào các ống lò hơi. Khí nóng từ đầu đốt đi qua lại lên đến 3 lần qua một loạt ống để đạt được truyền nhiệt tối đa qua bề mặt ống vào nước lò hơi xung quanh. Khi nước đạt đến nhiệt độ bão hòa (nhiệt độ mà nó sẽ sôi ở áp suất đó) bong bóng hơi nước được tạo ra, nổi lên bề mặt nước và vỡ. Hơi nước được giải phóng vào không gian phía trên, sẵn sàng đi vào hệ thống hơi nước. Van đóng hoặc van đỉnh cô lập lò hơi và áp suất hơi nước của nó khỏi quy trình hoặc nhà máy. Nếu hơi nước được nén, nó sẽ chiếm ít không gian hơn. Lò hơi hơi nước thường hoạt động dưới áp suất, để nhiều hơi nước hơn có thể được tạo ra bởi lò hơi nhỏ hơn và được truyền đến điểm sử dụng bằng đường ống nhỏ. Khi cần, áp suất hơi nước được giảm tại điểm sử dụng. Miễn là lượng hơi nước được tạo ra trong lò hơi lớn bằng lượng rời khỏi lò hơi, lò hơi sẽ vẫn được nén. Đầu đốt sẽ hoạt động để duy trì áp suất đúng. Điều này cũng duy trì nhiệt độ hơi nước đúng, vì áp suất và nhiệt độ của hơi nước bão hòa có liên quan trực tiếp. Lò hơi có nhiều phụ kiện và điều khiển để đảm bảo nó hoạt động an toàn, kinh tế, hiệu quả và ở áp suất ổn định. Nước cấp Chất lượng nước được cung cấp vào lò hơi là quan trọng. Nó phải ở nhiệt độ đúng, thường khoảng 80°C, để tránh sốc nhiệt cho lò hơi, và để giữ cho nó hoạt động hiệu quả. Nó cũng phải có chất lượng đúng để tránh hư hại lò hơi. Nước uống thông thường chưa qua xử lý không hoàn toàn phù hợp cho lò hơi và có thể nhanh chóng gây ra hiện tượng tạo bọt và đóng cặn. Lò hơi sẽ trở nên kém hiệu quả hơn và hơi nước sẽ trở nên bẩn và ướt. Tuổi thọ của lò hơi cũng sẽ bị giảm. Nước phải được xử lý bằng hóa chất để giảm tạp chất chứa trong nó. Cả xử lý nước cấp và gia nhiệt đều diễn ra trong bể nước cấp, thường nằm cao trên lò hơi. Bơm nước cấp sẽ thêm nước vào lò hơi khi cần. Gia nhiệt nước trong bể nước cấp cũng giảm lượng oxy hòa tan trong đó. Điều này quan trọng, vì nước có oxy gây ăn mòn. Xả đáy Định lượng hóa học nước cấp lò hơi sẽ dẫn đến sự hiện diện của chất rắn lơ lửng trong lò hơi. Chúng sẽ không thể tránh khỏi tập trung ở đáy lò hơi dưới dạng bùn, và được loại bỏ bằng quá trình gọi là xả đáy. Điều này có thể được thực hiện thủ công - người vận hành lò hơi sẽ sử dụng chìa khóa để mở van xả đáy trong một khoảng thời gian nhất định, thường hai lần một ngày. Các tạp chất khác vẫn留在 trong nước lò hơi sau khi xử lý dưới dạng chất rắn hòa tan. Nồng độ của chúng sẽ tăng lên khi lò hơi tạo hơi nước và do đó lò hơi cần được xả định kỳ một phần nội dung để giảm nồng độ. Điều này gọi là kiểm soát tổng chất rắn hòa tan (kiểm soát TDS). Quá trình này có thể được thực hiện bằng hệ thống tự động sử dụng either đầu dò bên trong lò hơi, hoặc buồng cảm biến nhỏ chứa mẫu nước lò hơi, để đo mức TDS trong lò hơi. Khi mức TDS đạt đến điểm đặt, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho van xả đáy mở trong một khoảng thời gian nhất định. Nước mất đi được thay thế bằng nước cấp có nồng độ TDS thấp hơn, do đó TDS tổng thể của lò hơi được giảm. Kiểm soát mức nước Nếu mức nước bên trong lò hơi không được kiểm soát cẩn thận, hậu quả có thể là thảm khốc. Nếu mức nước giảm quá thấp và ống lò hơi bị lộ ra, ống lò hơi có thể quá nhiệt và hỏng, gây ra nổ. Nếu mức nước trở nên quá cao, nước có thể đi vào hệ thống hơi nước và làm gián đoạn quy trình. Vì lý do này, điều khiển mức nước tự động được sử dụng. Để tuân thủ quy định, hệ thống kiểm soát mức nước cũng tích hợp chức năng cảnh báo sẽ hoạt động để tắt lò hơi và cảnh báo nếu có vấn đề với mức nước. Một phương pháp phổ biến để kiểm soát mức nước là sử dụng đầu dò cảm nhận mức nước trong lò hơi. Ở một mức nhất định, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến bơm nước cấp sẽ hoạt động để khôi phục mức nước, tắt khi đạt đến mức đã định. Đầu dò sẽ tích hợp các mức mà bơm được bật và tắt, và mức mà cảnh báo nước thấp hoặc cao được kích hoạt. Hệ thống thay thế sử dụng phao.

Dòng chảy hơi nước đến nhà máy

Khi hơi nước ngưng tụ, thể tích của nó giảm đáng kể, dẫn đến giảm áp suất cục bộ. Sự giảm áp suất này qua hệ thống tạo ra dòng chảy hơi nước qua các đường ống. Hơi nước được tạo ra trong lò hơi phải được vận chuyển qua đường ống đến nơi năng lượng nhiệt của nó được yêu cầu. Ban đầu sẽ có một hoặc nhiều đường ống chính mang hơi nước từ lò hơi theo hướng chung của nhà máy sử dụng hơi nước. Các đường ống nhánh nhỏ hơn sau đó có thể phân phối hơi nước đến từng thiết bị. Hơi nước ở áp suất cao chiếm thể tích thấp hơn ở áp suất khí quyển. Áp suất càng cao, đường kính ống cần thiết để phân phối một khối lượng hơi nước nhất định càng nhỏ. Chất lượng hơi nước Điều quan trọng là đảm bảo hơi nước rời khỏi lò hơi được cung cấp cho quy trình trong điều kiện đúng. Để đạt được điều này, đường ống mang hơi nước quanh nhà máy thường tích hợp bộ lọc, bộ tách và bẫy hơi. Bộ lọc là một dạng sàng trong đường ống. Nó chứa lưới mà hơi nước phải đi qua. Bất kỳ mảnh vụn nào đi qua sẽ bị giữ lại bởi lưới. Bộ lọc nên được vệ sinh định kỳ để tránh tắc nghẽn. Mảnh vụn nên được loại bỏ khỏi dòng chảy hơi nước vì nó có thể gây hư hại nghiêm trọng cho nhà máy, và cũng có thể gây ô nhiễm sản phẩm cuối cùng. Hơi nước phải khô nhất có thể để đảm bảo nó mang nhiệt hiệu quả. Bộ tách là thân trong đường ống chứa một loạt các tấm hoặc lá chắn làm gián đoạn đường đi của hơi nước. Hơi nước chạm vào các tấm, và bất kỳ giọt hơi nước nào trong hơi nước tập trung trên chúng, trước khi thoát ra đáy bộ tách. Hơi nước đi từ lò hơi vào đường ống chính. Ban đầu đường ống lạnh và nhiệt được truyền từ hơi nước vào nó. Không khí xung quanh ống cũng mát hơn hơi nước, nên đường ống sẽ bắt đầu mất nhiệt vào không khí. Cách nhiệt lắp xung quanh ống sẽ giảm tổn thất nhiệt này đáng kể. Khi hơi nước từ hệ thống phân phối đi vào thiết bị sử dụng hơi nước, hơi nước sẽ lại giải phóng năng lượng bằng cách: a) làm nóng thiết bị và b) tiếp tục truyền nhiệt cho quy trình. Khi hơi nước mất nhiệt, nó biến trở lại thành nước. Không thể tránh khỏi, hơi nước bắt đầu làm điều này ngay khi nó rời

lò hơi. Nước hình thành được gọi là ngưng tụ, có xu hướng chảy xuống đáy ống và được mang theo dòng chảy hơi nước. Điều này phải được loại bỏ từ các điểm thấp nhất trong đường ống phân phối vì một số lý do:

• Ngưng tụ không truyền nhiệt hiệu quả. Lớp ngưng tụ bên trong thiết bị sẽ giảm hiệu quả truyền nhiệt.
• Khi không khí hòa tan vào ngưng tụ, nó trở nên gây ăn mòn.
• Ngưng tụ tích lũy có thể gây ra nước va ồn ào và gây hư hại.
• Thoát nước không đầy đủ dẫn đến rò rỉ mối nối. Thiết bị được gọi là bẫy hơi được sử dụng để giải phóng ngưng tụ từ đường ống trong khi ngăn hơi nước thoát khỏi hệ thống. Nó có thể làm điều này theo một số cách:
• Bẫy phao sử dụng sự khác biệt về mật độ giữa hơi nước và ngưng tụ để vận hành van. Khi ngưng tụ đi vào bẫy, phao được nâng lên và cơ chế đòn bẩy phao mở van chính để cho phép ngưng tụ thoát. Khi dòng ngưng tụ giảm, phao hạ xuống và đóng van chính, do đó ngăn hơi nước thoát ra.
• Bẫy nhiệt động chứa đĩa mở với ngưng tụ và đóng với hơi nước.
• Trong bẫy tĩnh nhiệt lưỡng kim, phần tử lưỡng kim sử dụng sự khác biệt về nhiệt độ giữa hơi nước và ngưng tụ để vận hành van chính.
• Trong bẫy tĩnh nhiệt áp suất cân bằng, viên nang nhỏ chứa chất lỏng nhạy với nhiệt vận hành van. Khi hơi nước đã được sử dụng trong quy trình, ngưng tụ kết quả cần được thoát khỏi nhà máy và trả về nhà lò hơi. Quá trình này sẽ được xem xét sau trong Mô-đun này. Giảm áp suất Như đã đề cập trước đó, hơi nước thường được tạo ra ở áp suất cao, và áp suất có thể phải được giảm tại điểm sử dụng, either do giới hạn áp suất của nhà máy, hoặc giới hạn nhiệt độ của quy trình. Điều này đạt được bằng cách sử dụng van giảm áp.

Hơi nước tại điểm sử dụng

Có nhiều loại thiết bị sử dụng hơi nước. Một số ví dụ được mô tả dưới đây:

• Nồi jacket - Nồi thép hoặc đồng lớn được sử dụng trong ngành thực phẩm và các ngành khác để nấu sôi các chất - bất cứ thứ gì từ tôm đến mứt. Những nồi lớn này được bao quanh bởi jacket chứa đầy hơi nước, có tác dụng làm nóng nội dung.
• Nồi hấp - Buồng chứa đầy hơi nước được sử dụng cho mục đích khử trùng, ví dụ thiết bị y tế, hoặc để thực hiện phản ứng hóa học ở nhiệt độ và áp suất cao, ví dụ lưu hóa cao su.
• Pin gia nhiệt - Để sưởi ấm, hơi nước được cung cấp vào các cuộn dây trong pin gia nhiệt. Không khí cần được làm nóng đi qua các cuộn dây.
• Gia nhiệt bể quy trình - Cuộn dây chứa đầy hơi nước trong bể chứa chất lỏng được sử dụng để làm nóng nội dung đến nhiệt độ mong muốn.
• Máy lưu hóa - Bình chứa lớn chứa đầy hơi nước được sử dụng để lưu hóa cao su.
• Máy uốn sóng - Một loạt trục được gia nhiệt bằng hơi nước được sử dụng trong quá trình uốn sóng trong sản xuất bìa cứng.
• Bộ trao đổi nhiệt - Để gia nhiệt chất lỏng cho sử dụng gia đình/công nghiệp. Kiểm soát quy trình Bất kỳ thiết bị sử dụng hơi nước nào cũng cần một số phương pháp để kiểm soát dòng chảy hơi nước. Dòng chảy hơi nước liên tục ở cùng áp suất và nhiệt độ thường không phải là điều cần thiết - dòng chảy tăng dần sẽ được yêu cầu khi khởi động để nhẹ nhàng làm nóng thiết bị, và khi quy trình đạt đến nhiệt độ mong muốn, dòng chảy phải được giảm. Van điều khiển được sử dụng để kiểm soát dòng chảy hơi nước. Bộ chấp hành, xem Hình 1.3.6, là thiết bị áp dụng lực để mở hoặc đóng van. Cảm biến giám sát điều kiện trong quy trình, và truyền thông tin đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh điều kiện quy trình với giá trị đặt và gửi tín hiệu điều chỉnh đến bộ chấp hành, điều chỉnh cài đặt van.

Có nhiều loại điều khiển:

• Van chấp hành khí nén - Khí nén được áp dụng lên màng trong bộ chấp hành để mở hoặc đóng van.
• Van chấp hành điện - Động cơ điện vận hành van.
• Tự hoạt động - Không có bộ điều khiển như vậy - cảm biến có chất lỏng nở ra và co lại để phản ứng với thay đổi nhiệt độ quy trình. Hành động này áp dụng lực để mở hoặc đóng van.

Loại bỏ ngưng tụ khỏi nhà máy

Thường thì ngưng tụ hình thành sẽ thoát dễ dàng ra khỏi nhà máy qua bẫy hơi. Ngưng tụ đi vào hệ thống thoát ngưng tụ. Nếu nó bị ô nhiễm, có lẽ sẽ được đưa ra cống. Nếu không, năng lượng nhiệt có giá trị mà nó chứa có thể được giữ lại bằng cách trả nó về bể nước cấp lò hơi. Điều này cũng tiết kiệm chi phí nước và xử lý nước. Đôi khi chân không có thể hình thành bên trong thiết bị sử dụng hơi nước. Điều này cản trở thoát nước ngưng tụ, nhưng thoát nước đúng từ không gian hơi nước duy trì hiệu quả của thiết bị. Ngưng tụ sau đó có thể phải được bơm ra. Bơm cơ học (bằng hơi nước) được sử dụng cho mục đích này. Những bơm này, hoặc bơm điện, được sử dụng để nâng ngưng tụ trở lại bể nước cấp lò hơi.

Bơm cơ học, xem Hình 1.3.7, được hiển thị đang thoát nước một thiết bị. Như có thể thấy, hệ thống hơi nước và ngưng tụ đại diện cho một vòng lặp liên tục.

Khi ngưng tụ đến bể nước cấp, nó trở nên sẵn có cho lò hơi để tái chế. Giám sát năng lượng ****Trong môi trường quan tâm đến năng lượng ngày nay, khách hàng thường giám sát tiêu thụ năng lượng của nhà máy. Lưu lượng kế hơi nước được sử dụng để giám sát tiêu thụ hơi nước, và sử dụng để phân bổ chi phí cho các bộ phận hoặc thiết bị riêng lẻ.