Chất lượng Hơi

Hơi phải có sẵn tại điểm sử dụng với đúng lưu lượng, ở đúng áp suất, sạch, khô và không chứa không khí và các khí không ngưng tụ khác. Hướng dẫn này giải thích tại sao điều này là cần thiết, và làm thế nào chất lượng hơi được đảm bảo.

Lưu lượng hơi đúng

Lưu lượng hơi đúng phải được cung cấp cho bất kỳ quá trình gia nhiệt nào để đảm bảo đủ dòng nhiệt được cung cấp cho truyền nhiệt. Tương tự, lưu lượng đúng cũng phải được cung cấp để không có hư hỏng sản phẩm hoặc giảm tốc độ sản xuất. Tải trọng hơi phải được tính toán đúng và đường ống phải được định cỡ chính xác để đạt lưu lượng cần thiết.

Áp suất và nhiệt độ hơi đúng

Hơi phải đến điểm sử dụng ở áp suất cần thiết và cung cấp nhiệt độ mong muốn cho mỗi ứng dụng, nếu không hiệu suất sẽ bị ảnh hưởng. Việc định cỡ đúng đường ống và thiết bị phụ trợ đường ống sẽ đảm bảo đạt được điều này. Tuy nhiên, ngay cả khi đồng hồ áp suất hiển thị đúng áp suất mong muốn, nhiệt độ bão hòa tương ứng có thể không có sẵn nếu hơi chứa không khí và/hoặc khí không ngưng tụ.

Không khí và các khí không ngưng tụ khác

Không khí có mặt trong đường ống cung cấp hơi và thiết bị khi khởi động. Ngay cả khi hệ thống được đổ đầy hơi tinh khiết lần trước khi sử dụng, hơi sẽ ngưng tụ khi tắt, và không khí sẽ bị hút vào bởi chân không hình thành. Khi hơi đi vào hệ thống, nó sẽ đẩy không khí về phía điểm xả, hoặc đến điểm xa nhất từ đầu vào hơi, được gọi là điểm xa. Do đó, bẫy hơi có đủ khả năng xả không khí nên được lắp tại các điểm xả này, và van xả không khí tự động nên được lắp tại tất cả các điểm xa. Tuy nhiên, nếu có bất kỳ sự rối loạn nào, hơi và không khí sẽ trộn lẫn và không khí sẽ được mang đến bề mặt truyền nhiệt. Khi hơi ngưng tụ, một lớp cách nhiệt không khí để lại trên bề mặt, hoạt động như rào cản truyền nhiệt.

Hỗn hợp hơi và không khí

Trong hỗn hợp không khí và hơi, sự hiện diện của không khí sẽ khiến nhiệt độ thấp hơn dự kiến. Tổng áp suất của hỗn hợp khí bao gồm tổng các áp suất riêng phần của các thành phần trong hỗn hợp. Điều này được gọi là Định luật Dalton về Áp suất Riêng phần. Áp suất riêng phần là áp suất do mỗi thành phần tạo ra nếu nó chiếm cùng thể tích như hỗn hợp:

Lưu ý: Đây là quan hệ nhiệt động lực học, nên tất cả áp suất phải được biểu thị bằng bar a.

Ví dụ 2.4.1

Xem xét hỗn hợp hơi/không khí gồm ¾ hơi và ¼ không khí theo thể tích. Tổng áp suất là 4 bar a.

Do đó hơi chỉ có áp suất hiệu dụng 3 bar a so với áp suất biểu kiến 4 bar a. Hỗn hợp sẽ chỉ có nhiệt độ 134 °C thay vì nhiệt độ bão hòa dự kiến 144 °C.

Hiện tượng này không chỉ quan trọng trong các ứng dụng trao đổi nhiệt (nơi tốc độ truyền nhiệt tăng theo sự tăng chênh lệch nhiệt độ), mà còn trong các ứng dụng quá trình nơi nhiệt độ tối thiểu có thể cần thiết để đạt thay đổi hóa học hoặc vật lý trong sản phẩm. Ví dụ, nhiệt độ tối thiểu là cần thiết trong thiết bị khử trùng để tiêu diệt vi khuẩn.

Các nguồn không khí khác trong vòng hơi và ngưng tụ

Không khí cũng có thể đi vào hệ thống dưới dạng hòa tan trong nước cấp lò hơi. Nước bổ sung và ngưng tụ, tiếp xúc với khí quyển, sẽ dễ dàng hấp thụ nitơ, oxy và carbon dioxide: các thành phần chính của không khí khí quyển. Khi nước được gia nhiệt trong lò hơi, các khí này được giải phóng cùng hơi và mang vào hệ thống phân phối. Không khí khí quyển gồm 78% nitơ, 21% oxy và 0,03% carbon dioxide, theo phân tích thể tích. Tuy nhiên, độ hòa tan của oxy gần gấp đôi nitơ, trong khi carbon dioxide có độ hòa tan khoảng 30 lần lớn hơn oxy! Điều này có nghĩa là ‘không khí’ hòa tan trong nước cấp lò hơi sẽ chứa tỷ lệ carbon dioxide và oxy lớn hơn nhiều: cả hai đều gây ăn mòn trong lò hơi và đường ống. Nhiệt độ bể cấp được duy trì ở nhiệt độ thường không thấp hơn 80 °C để oxy và carbon dioxide có thể được giải phóng trở lại khí quyển, vì độ hòa tan của các khí hòa tan này giảm khi nhiệt độ tăng.

Nồng độ carbon dioxide hòa tan cũng được giữ ở mức tối thiểu bằng cách khử khoáng và khử khí nước bổ sung tại giai đoạn xử lý nước bên ngoài. Nồng độ khí hòa tan trong nước có thể được xác định bằng Định luật Henry. Định luật này phát biểu rằng khối lượng khí có thể được hòa tan bởi một thể tích chất lỏng nhất định tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí. Điều này chỉ đúng nếu nhiệt độ không đổi, và không có phản ứng hóa học giữa chất lỏng và khí.

Độ sạch của hơi

Các lớp cặn trên thành ống có thể do sự hình thành gỉ trong hệ thống hơi cũ, hoặc do kết tủa carbonat trong vùng nước cứng. Các loại bụi bẩn khác có thể có trong đường ống cung cấp hơi bao gồm xỉ hàn và vật liệu nối áp dụng sai hoặc quá mức, có thể để lại trong hệ thống khi đường ống ban đầu được lắp đặt. Các mảnh vỡ này sẽ có tác dụng tăng tốc độ xói mòn trong các uốn cong ống và các lỗ nhỏ của bẫy hơi và van. Vì lý do này, thực hành kỹ thuật tốt là lắp bộ lọc đường ống (như thể hiện trong Hình 2.4.2). Điều này nên được lắp thượng lưu của mọi bẫy hơi, đồng hồ đo lưu lượng, van giảm áp và van điều khiển.

Hơi chảy từ đầu vào A qua màn hình lỗ B đến đầu ra C. Trong khi hơi và nước sẽ đi qua màn hình dễ dàng, bụi bẩn sẽ bị giữ lại. Nắp D có thể được tháo ra, cho phép màn hình được rút ra và vệ sinh định kỳ.

Khi bộ lọc được lắp trong đường ống hơi, chúng nên được lắp nằm ngang để tránh tích tụ ngưng tụ và vấn đề va đập nước. Hướng này cũng sẽ lộ diện tích màn hình lọc tối đa cho dòng chảy. Lớp cặn cũng có thể có trên bề mặt truyền nhiệt, hoạt động như rào cản bổ sung cho truyền nhiệt. Các lớp cặn thường là kết quả của:

• Vận hành lò hơi không đúng, gây ra tạp chất được mang theo từ lò hơi trong các giọt nước.
• Xử lý nước không đúng trong nhà lò hơi. Tốc độ tích tụ lớp này có thể được giảm bằng cách chú ý đến vận hành lò hơi và loại bỏ bất kỳ giọt hơi ẩm nào.

Độ khô của hơi

Xử lý hóa học nước cấp không đúng và các giai đoạn tải trọng cao có thể gây ra hiện tượng priming và cuốn theo nước cấp lò hơi vào đường ống hơi chính, dẫn đến hóa chất và vật liệu khác được lắng trên bề mặt truyền nhiệt. Các chất lắng này sẽ tích tụ theo thời gian, dần dần giảm hiệu quả nhà máy. Ngoài ra, khi hơi rời khỏi lò hơi, một phần phải ngưng tụ do tổn thất nhiệt qua thành ống. Mặc dù các ống này có thể được cách nhiệt tốt, quá trình này không thể loại bỏ hoàn toàn. Kết quả tổng thể là hơi đến nhà máy tương đối ướt, và các giọt hơi ẩm mang theo hơi có thể xói mòn đường ống, phụ kiện và van đặc biệt nếu vận tốc cao. Đã được chỉ ra rằng sự hiện diện của giọt nước trong hơi giảm entanpi bay hơi thực tế, và cũng dẫn đến hình thành cặn trên thành ống và bề mặt truyền nhiệt. Các giọt nước bị cuốn trong hơi cũng có thể thêm vào màng nước kháng cự hình thành khi hơi ngưng tụ, tạo ra thêm rào cản cho quá trình truyền nhiệt. Bộ tách trong đường ống hơi sẽ loại bỏ các giọt hơi ẩm bị cuốn trong dòng hơi, và cũng bất kỳ ngưng tụ nào đã lắng xuống đáy ống. Trong bộ tách thể hiện trong Hình 2.4.3, hơi bị buộc thay đổi hướng nhiều lần khi chảy qua thân. Các vách ngăn tạo ra vật cản cho các giọt nước nặng hơn, trong khi hơi khô nhẹ hơn được cho phép chảy tự do qua bộ tách. Các giọt hơi ẩm chảy xuống các vách ngăn và xả qua kết nối đáy của bộ tách đến bẫy hơi. Điều này sẽ cho phép ngưng tụ xả từ hệ thống, nhưng sẽ không cho phép hơi đi qua.

Va đập nước

Khi hơi bắt đầu ngưng tụ do tổn thất nhiệt trong đường ống, ngưng tụ hình thành giọt trên bề mặt bên trong thành ống. Khi chúng bị cuốn theo dòng hơi, chúng hợp nhất thành màng. Ngưng tụ sau đó lắng xuống đáy ống, nơi màng bắt đầu tăng độ dày. Sự tích tụ giọt ngưng tụ dọc theo một đoạn đường ống hơi cuối cùng có thể hình thành một khối nước (như thể hiện trong Hình 2.4.4), sẽ được mang theo vận tốc hơi dọc theo đường ống (25 - 30 m/s).

Khối nước này đặc và không nén được, và khi di chuyển ở vận tốc cao, có lượng động năng đáng kể.

Các định luật nhiệt động lực học phát biểu rằng năng lượng không thể được tạo ra hay phá hủy, mà chỉ đơn giản chuyển đổi sang dạng khác. Khi bị cản trở, có thể bởi uốn cong hoặc chia ba trong đường ống, động năng của nước được chuyển đổi thành năng lượng áp suất và một xung áp suất được áp lên vật cản. Ngưng tụ cũng sẽ tích tụ tại các điểm thấp, và các khối ngưng tụ có thể bị cuốn theo dòng hơi và bị ném xuống phía sau tại van và phụ kiện đường ống.

Các điểm thấp này có thể bao gồm đường ống chính võng, có thể do giá đỡ ống không đầy đủ hoặc móc ống bị gãy. Các nguồn tiềm năng khác của va đập nước bao gồm sử dụng không đúng bộ giảm đồng tâm và bộ lọc, hoặc xả không đầy đủ trước khi dốc lên trong đường ống hơi chính. Một số trong những điều này được thể hiện trong Hình 2.4.5. Tiếng ồn và rung động do va chạm giữa khối nước và vật cản, được gọi là va đập nước. Va đập nước có thể giảm đáng kể tuổi thọ của thiết bị phụ trợ đường ống. Trong trường hợp nghiêm trọng, phụ kiện có thể bị gãy với hiệu ứng gần như nổ. Hậu quả có thể là mất hơi sống tại vị trí gãy, tạo ra tình huống nguy hiểm. Lắp đặt đường ống hơi được thảo luận chi tiết trong Khối 10, Phân phối Hơi.