Bộ tách

Hơi nước ‘ướt’ là mối quan tâm lớn trong hệ thống hơi nước vì nó có thể gây ra các vấn đề quy trình và bảo trì, bao gồm giảm năng suất, xói mòn và ăn mòn. Bộ tách được thiết kế để loại bỏ hiệu quả hơi ẩm khỏi dòng hơi nước. Ứng dụng và lựa chọn các loại khác nhau được xem xét tại đây.

Hơi nước ướt là hơi nước chứa một lượng nước nhất định, và là một trong những mối quan tâm chính trong bất kỳ hệ thống hơi nước nào. Nó có thể giảm năng suất nhà máy và chất lượng sản phẩm, và có thể gây hư hỏng cho hầu hết các thiết bị nhà máy. Mặc dù thoát nước và bẫy hơi cẩn thận có thể loại bỏ hầu hết nước, nhưng nó không xử lý được các hạt nước lơ lửng trong hơi nước. Để loại bỏ các hạt nước lơ lửng này, bộ tách được lắp đặt trong đường ống hơi nước.

Hơi nước được tạo ra trong lò hơi thiết kế để tạo hơi bão hòa vốn dĩ là ướt. Mặc dù độ khô sẽ thay đổi theo loại lò hơi, hầu hết lò hơi hơi nước dạng vỏ sẽ tạo ra hơi nước có độ khô từ 95 đến 98%. Hàm lượng nước của hơi nước được tạo ra bởi lò hơi sẽ tăng thêm nếu hiện tượng sôi trào và mang nước xảy ra. Luôn có một mức độ tổn thất nhiệt nhất định từ đường ống phân phối, gây ra hơi nước ngưng tụ. Các phân tử nước ngưng tụ cuối cùng sẽ di chuyển xuống đáy ống tạo thành màng nước. Hơi nước chảy qua lớp nước này có thể tạo ra sóng gợn tích tụ thành sóng. Đỉnh sóng có xu hướng vỡ ra, ném các giọt ngưng tụ vào dòng hơi nước. Sự hiện diện của nước trong hơi nước có thể gây ra nhiều vấn đề:

• Vì nước là rào cản rất hiệu quả đối với truyền nhiệt, sự hiện diện của nó có thể giảm năng suất nhà máy và chất lượng sản phẩm. Điều này có thể thấy trong Hình 12.5.1, cho thấy phân bố nhiệt độ qua bề mặt trao đổi nhiệt điển hình.

• Các hạt nước di chuyển với tốc độ hơi nước cao sẽ xói mòn ghế van và phụ kiện, tình trạng này được gọi là xói mòn dòng chảy. Các hạt nước cũng sẽ tăng lượng ăn mòn.
• Tăng cặn bám trên đường ống và bề mặt gia nhiệt từ các tạp chất mang theo trong các hạt nước.
• Hoạt động không ổn định của van điều khiển và đồng hồ đo lưu lượng.
• Hỏng van và đồng hồ đo lưu lượng do mòn nhanh hoặc va đập nước. Mặc dù có nhiều thiết kế bộ tách khác nhau, tất cả đều cố gắng loại bỏ hơi ẩm còn lơ lửng trong dòng hơi nước, không thể loại bỏ bằng thoát nước và bẫy hơi. Có ba loại bộ tách thường được sử dụng trong hệ thống hơi nước:

Loại vách ngăn -

Bộ tách loại vách ngăn hoặc cánh dẫn bao gồm nhiều tấm vách ngăn, khiến dòng chảy thay đổi hướng nhiều lần khi đi qua thân bộ tách. Các hạt nước lơ lửng có khối lượng lớn hơn và quán tính lớn hơn hơi nước; do đó, khi có sự thay đổi hướng dòng chảy, hơi nước khô chảy quanh vách ngăn và các hạt nước tích tụ trên vách ngăn. Hơn nữa, vì bộ tách có tiết diện lớn, tốc độ chất lỏng giảm tương ứng. Điều này giảm động năng của các hạt nước, và hầu hết chúng sẽ rơi ra khỏi trạng thái lơ lửng. Ngưng tụ tích tụ ở đáy bộ tách, nơi nó được thoát ra qua bẫy hơi.

Loại xoáy -

Bộ tách loại xoáy hoặc ly tâm sử dụng một loạt cánh dẫn để tạo ra dòng chảy xoáy tốc độ cao. Tốc độ của hơi nước khiến nó xoay quanh thân bộ tách, ném nước nặng hơn, lơ lửng vào thành, nơi nó thoát xuống bẫy hơi được lắp bên dưới thiết bị.

Loại ngưng tụ -

Bộ tách loại ngưng tụ cung cấp vật cản trong đường hơi nước. Vật cản thường là lớp đệm lưới dây (đôi khi được gọi là lớp khử sương mù), trên đó các phân tử nước bị giữ lại. Các phân tử nước này có xu hướng ngưng tụ, tạo ra các giọt quá lớn để được mang đi xa hơn bởi hệ thống khí. Khi kích thước giọt tăng lên, chúng trở nên quá nặng và cuối cùng rơi xuống đáy bộ tách. Thường thấy bộ tách kết hợp cả hoạt động ngưng tụ và xoáy. Bằng cách kết hợp hai phương pháp, hiệu quả tổng thể của bộ tách được cải thiện.

Hiệu quả bộ tách là thước đo trọng lượng nước được tách ra so với tổng trọng lượng nước mang vào bởi hơi nước. Ngoài phòng thí nghiệm, rất khó xác định hiệu quả chính xác của bộ tách, vì nó phụ thuộc vào độ khô đầu vào, tốc độ chất lỏng và mẫu dòng chảy. Tuy nhiên, xói mòn uốn cong ống, xói mòn dòng chảy và va đập nước là những dấu hiệu cho thấy sự hiện diện của hơi nước ướt trong đường ống.

Một trong những khác biệt chính về hiệu suất giữa bộ tách loại vách ngăn và loại xoáy/ngưng tụ là loại vách ngăn có thể duy trì mức hiệu quả cao trong phạm vi tốc độ đường ống rộng hơn. Bộ tách loại xoáy và ngưng tụ thường cho hiệu quả 98% ở tốc độ lên đến 13 m/s, nhưng giảm mạnh, và ở 25 m/s, hiệu quả thường khoảng 50%, theo nghiên cứu đại học tại Anh. Nghiên cứu này cũng đã chứng minh rằng, đối với bộ tách loại vách ngăn, hiệu quả gần 100% trong phạm vi 10 m/s đến 30 m/s. Kết luận là bộ tách loại vách ngăn phù hợp hơn với ứng dụng hơi nước, nơi thường có mức độ dao động tốc độ nhất định. Hơn nữa, hơi nước ướt sẽ chạy ở tốc độ trên 30 m/s nếu đường ống quá nhỏ. Một phương pháp để khắc phục vấn đề này là sử dụng bộ tách kích thước lớn hơn và tăng đường kính đường ống ngay phía trước bộ tách. Điều này sẽ có tác dụng giảm tốc độ hơi nước trước khi nó đi vào bộ tách.

Ví dụ 12.5.1

Nếu bộ tách có hiệu quả 90% được lắp vào đường ống chính chứa hơi nước có độ khô 0.95, độ khô phía sau sẽ là bao nhiêu? Nếu độ khô ban đầu là 0.95, mỗi kilogram (1000 g) hơi nước chứa:

Mặc dù cải thiện so với độ khô ban đầu 0.95, hơi nước vẫn sẽ chứa một lượng nước đáng kể.

Sụt áp qua bộ tách loại vách ngăn rất thấp do giảm tốc độ hơi nước, được tạo ra bởi sự tăng tiết diện lớn do thân bộ tách cung cấp. Sụt áp thường ít hơn độ dài tương đương của ống cùng đường kính danh nghĩa. So sánh, sụt áp qua bộ tách loại xoáy cao hơn đáng kể, vì tốc độ chất lỏng phải được duy trì để tạo ra hiệu ứng xoáy. Trên các ứng dụng không quan trọng, bộ tách loại vách ngăn thường được tính theo kích thước đường ống; tuy nhiên cần kiểm tra rằng kích thước đã chọn đảm bảo hiệu quả tách tối đa và sụt áp nằm trong giới hạn chấp nhận được. Trên các ứng dụng quan trọng, thường phổ biến hơn là chọn bộ tách dựa trên áp suất vận hành và lưu lượng, để cung cấp hiệu quả và sụt áp phù hợp. Tính kích thước bộ tách loại xoáy phức tạp hơn, vì cần đảm bảo rằng tốc độ qua bộ tách phù hợp để duy trì mức hiệu quả cao và sụt áp qua bộ tách chấp nhận được. Ví dụ 12.5.2 trình bày lựa chọn bộ tách loại vách ngăn từ biểu đồ thông số kỹ thuật điển hình của nhà sản xuất.

Ví dụ 12.5.2

Sử dụng biểu đồ tính kích thước trong Hình 12.5.5, chọn bộ tách có kích thước phù hợp cho trạm giảm áp, với áp suất trước 12 bar g và dẫn 500 kg/h hơi nước qua đường ống 32 mm. Nếu lưu lượng tăng gấp đôi lên 1000 kg/h, kích thước bộ tách nên là bao nhiêu?

1. Đặt điểm A tại nơi áp suất hơi nước và lưu lượng giao nhau và vẽ đường ngang từ điểm này. Bất kỳ đường cong bộ tách nào bị đường này chia đôi trong vùng được tô sẽ hoạt động ở hiệu quả gần 100%.
2. Chọn bộ tách kích thước đường ống, tức là 32 mm tại điểm B.
3. Tốc độ đường ống cho bất kỳ kích thước nào có thể được xác định bằng cách thả đường đứng từ giao điểm này. Từ điểm B, đường này cắt trục tốc độ tại 18 m/s.
4. Để xác định sụt áp qua bộ tách, tại nơi đường đứng kéo dài từ điểm B cắt đường C-C, vẽ đường ngang. Sau đó thả đường đứng từ điểm A. Giao điểm D là sụt áp qua bộ tách.
5. Lặp lại quy trình này cho lưu lượng 1000 kg/h, tạo ra các điểm X, Y và Z. Có thể thấy rằng điểm Y nằm ngoài vùng được tô và bộ tách sẽ không hoạt động ở hiệu quả tối đa. Ở đây, nên sử dụng bộ tách kích thước lớn hơn; bộ tách DN40 sẽ được chọn, như thể hiện bởi điểm Z, cùng với sụt áp khoảng 0.07 bar tại điểm W.

Bảng 12.5.1 tóm tắt những khác biệt quan trọng trong hiệu suất của bộ tách loại vách ngăn và xoáy.

Bảng 12.5.1 So sánh bộ tách loại vách ngăn và loại ly tâm

Bẫy hơi phù hợp nên được lắp vào đầu ra ngưng tụ của bộ tách để đảm bảo loại bỏ ngưng tụ hiệu quả, mà không mất hơi nước sống. Loại bẫy hơi phù hợp nhất là loại phao bi, đảm bảo loại bỏ ngưng tụ ngay lập tức. Một số bộ tách bao gồm cơ chế bẫy hơi bên trong thân bộ tách.

Hầu hết bộ tách dọc có lỗ rẽ nhánh trên đỉnh thân. Điều này có thể được sử dụng cho van xả khí, tạo điều kiện loại bỏ không khí khỏi không gian hơi trong quá trình khởi động.

Cách nhiệt

Nếu bộ tách để không cách nhiệt, nó thực sự có thể tạo ra các hạt nước thay vì loại bỏ chúng, do diện tích bề mặt lớn tiếp xúc với môi trường. Hơn nữa, lượng nhiệt năng đáng kể có thể bị mất từ bề mặt bộ tách. Ví dụ, cách nhiệt bộ tách chứa hơi ở 150°C và tiếp xúc với nhiệt độ môi trường 15°C, sẽ tạo ra tiết kiệm năng lượng hàng năm là 8600 MJ (Dựa trên tổn thất nhiệt do bức xạ, giả sử điều kiện không khí tĩnh và 8.760 giờ vận hành mỗi năm). Bằng cách lắp áo cách nhiệt, tổn thất nhiệt này có thể giảm đáng kể và tiết kiệm năng lượng biện minh cho chi phí ban đầu của cách nhiệt trong thời gian rất ngắn. Nên sử dụng áo cách nhiệt được thiết kế để phù hợp với bộ tách cụ thể, vì hình dạng bộ tách, đặc biệt nếu nó có mặt bích, khiến việc cách nhiệt trở nên khó khăn. Nắp mặt bích tiêu chuẩn để lộ thân ra ngoài, và do đó có hiệu quả hạn chế trong việc giảm tổn thất nhiệt. Ngay cả với cách nhiệt tốt nhất, không thể loại bỏ hoàn toàn tổn thất nhiệt từ sản phẩm. Hiệu quả cách nhiệt bộ tách thường trên 90%. Quan trọng là sử dụng áo được thiết kế cho bộ tách cụ thể; nếu không, hiệu quả cách nhiệt sẽ giảm. Bộ tách được cách nhiệt đúng cách cũng giảm nguy cơ chấn thương cá nhân do bỏng.