Lý Thuyết Xả Khí

Ảnh hưởng của không khí

Nếu không khí trộn với hơi và chảy cùng với nó, các túi không khí sẽ còn lại tại bề mặt trao đổi nhiệt nơi hơi ngưng tụ. Dần dần, một lớp mỏng tích tụ tạo thành lớp cách nhiệt, cản trở quá trình truyền nhiệt như trong Hình 11.12.1. Không khí được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách nhiệt do độ dẫn nhiệt thấp của nó (ví dụ, cửa sổ hai lớp kính trong xây dựng hiện đại chỉ đơn giản là hai lớp kính với lớp không khí cách nhiệt ở giữa). Tương tự, không khí được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt từ ống hơi. Hầu hết vật liệu cách nhiệt được cấu tạo từ hàng triệu tế bào không khí vi mô, trong ma trận sợi thủy tinh, len khoáng, hoặc vật liệu dạng polyme. Không khí là chất cách nhiệt và vật liệu rắn chỉ đơn giản giữ nó ở vị trí. Tương tự, một lớp phim không khí phía hơi của bề mặt trao đổi nhiệt cản trở dòng chảy nhiệt, giảm tốc độ truyền nhiệt.

Độ dẫn nhiệt của không khí là 0,025 W/m °C, trong khi con số tương ứng cho nước thường là 0,6 W/m °C, cho sắt khoảng 75 W/m °C và cho đồng khoảng 390 W/m °C. Một lớp không khí chỉ dày 1 mm cung cấp sức cản đối với dòng nhiệt tương đương với bức tường đồng dày khoảng 15 mét! Không chắc rằng không khí tồn tại dưới dạng lớp đồng đều bên trong thiết bị trao đổi nhiệt. Nhiều khả năng, nồng độ không khí cao hơn gần bề mặt ngưng tụ, và thấp hơn ở xa hơn. Tuy nhiên, thuận tiện khi xử lý nó như một lớp đồng nhất khi cố gắng cho thấy sức cản của nó đối với dòng nhiệt.

Khi không khí được thêm vào hơi, nhiệt dung của một thể tích hỗn hợp thấp hơn so với cùng thể tích hơi nguyên chất, vì vậy nhiệt độ hỗn hợp bị giảm.

Định luật Dalton về Á suất Riêng phần phát biểu rằng; ‘Trong hỗn hợp hơi và không khí, tổng áp suất là tổng của áp suất riêng phần mà mỗi khí sẽ tạo ra, khi chiếm toàn bộ thể tích một mình’.

Ví dụ, nếu tổng áp suất của hỗn hợp hơi/không khí ở 2 bar (tuyệt đối) gồm 3 phần hơi trên 1 phần không khí theo thể tích, thì: Á suất riêng phần của không khí = ¼ x 2 bar a = 0,5 bar a Á suất riêng phần của hơi = ¾ x 2 bar a = 1,5 bar a Tổng áp suất của hỗn hợp = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar g) Đồng hồ áp suất sẽ chỉ áp suất 1 bar g, suy ra nhiệt độ tương ứng là 120°C cho người quan sát. Tuy nhiên, áp suất riêng phần do lượng hơi có trong hỗn hợp chỉ là 0,5 bar g (1,5 bar a), đóng góp nhiệt độ chỉ 112°C. Do đó, sự hiện diện của không khí có hiệu ứng kép:

• Nó cung cấp sức cản đối với truyền nhiệt qua hiệu ứng tạo lớp.
• Nó giảm nhiệt độ không gian hơi do đó giảm gradient nhiệt qua bề mặt trao đổi nhiệt. Hiệu ứng tổng thể là giảm tốc độ truyền nhiệt xuống dưới mức có thể được yêu cầu bởi quy trình quan trọng, và trong trường hợp xấu nhất có thể ngăn cản đạt được nhiệt độ quy trình cuối cùng cần thiết.

Trong nhiều quy trình, nhiệt độ tối thiểu là cần thiết để đạt được thay đổi hóa học hoặc vật lý trong sản phẩm, giống như nhiệt độ tối thiểu là thiết yếu trong máy tiệt trùng. Sự hiện diện của không khí đặc biệt có vấn đề vì nó sẽ khiến đồng hồ áp suất cho thông tin sai. Theo đó, nhiệt độ không thể được suy ra từ áp suất.

Không khí trong hệ thống

Không khí có mặt trong ống hơi và thiết bị hơi khi khởi động. Ngay cả khi hệ thống được đổ đầy hơi nguyên chất khi sử dụng, hơi ngưng tụ sẽ tạo chân không và hút không khí vào ống khi dừng.

Không khí cũng có thể xâm nhập vào hệ thống dưới dạng hòa tan trong nước cấp. Ở 80°C, nước có thể hòa tan khoảng 0,6% thể tích của nó là không khí. Độ hòa tan của oxy roughly gấp đôi nitơ, vì vậy ‘không khí’ hòa tan trong nước chứa gần một phần oxy trên hai phần nitơ thay vì một phần trên bốn phần trong không khí khí quyển. Carbon dioxide có độ hòa tan cao hơn, roughly 30 lần so với oxy.

Nước cấp lò hơi và ngưng tụ tiếp xúc với khí quyển có thể dễ dàng hấp thụ các khí này. Khi nước được đun nóng trong lò hơi, các khí được giải phóng cùng hơi và mang vào hệ thống phân phối. Trừ khi nước ‘bổ sung’ lò hơi được khử khoáng hoàn toàn và khử khí, nó thường chứa natri carbonat hòa tan từ quá trình trao đổi hóa học của xử lý nước. Natri carbonat có thể được giải phóng một phần trong lò hơi và một lần nữa carbon dioxide được tạo thành.

Với lò hơi áp suất cao hơn, nước cấp thường được dẫn qua thiết bị khử khí trước khi được bơm vào lò hơi. Thiết bị khử khí tốt nhất có thể giảm mức oxy xuống 3 phần triệu (ppm) trong nước. Lượng oxy dư thừa này sau đó có thể được xử lý bằng phương pháp hóa học. Tuy nhiên, lượng oxy này sẽ đi kèm với khoảng 6 ppm nitơ, mà phương pháp hóa học bỏ qua. Nếu lò hơi có kích thước trung bình sản xuất 10.000 kg hơi mỗi giờ, nó sử dụng khoảng 10.000 lít nước mỗi giờ, từ đó tạo ra 60 cm³ nitơ. Điều này sẽ tích lũy theo thời gian với ảnh hưởng đáng kể đến truyền nhiệt nếu không được loại bỏ khỏi hệ thống.

Ngay cả phương pháp xử lý vật lý và hóa học tốt nhất vẫn cho phép một số chất không ngưng tạp chưa được xử lý ra khỏi lò hơi cùng hơi. Không khí, thường không được ngờ tới, phổ biến hơn trong hệ thống hơi so với suy nghĩ và là nguyên nhân của cả hạn chế sản lượng và ăn mòn thiết bị.

Dấu hiệu của không khí

1. Sự suy giảm dần trong sản lượng của bất kỳ thiết bị sưởi bằng hơi nào.
2. Bong bóng không khí trong ngưng tụ.
3. Ăn mòn. Việc loại bỏ không khí khỏi hệ thống hơi là tối quan trọng. Các trang sau giải quyết vấn đề này bằng cách thảo luận về ứng dụng của van xả khí.

Loại bỏ không khí

Phương tiện xả khí hiệu quả nhất là với thiết bị tự động. Không khí trộn với hơi làm giảm nhiệt độ hỗn hợp. Điều này cho phép thiết bị nhiệt tĩnh (dựa trên nguyên lý cân bằng áp suất hoặc lưỡng kim) để xả hệ thống hơi. Van xả khí được lắp trên không gian hơi của bình (Hình 11.12.3) hoặc ở cuối đường ống hơi chính (Hình 11.12.4) sẽ mở khi có không khí. Để xả khí tối đa, dòng xả nên càng tự do càng tốt. Ống thường được lắp để dẫn dòng xả đến vị trí an toàn, tốt nhất không phải đường hoàn trả ngưng tụ, vì có thể hạn chế giải phóng không khí tự do và cũng có thể thúc đẩy ăn mòn. Khi van xả khí được lắp để bypass bẫy hơi (Hình 11.12.5), nó sẽ đóng vai trò bẫy hơi sau khi không khí được xả, và có thể thỉnh thoảng xả ngưng tụ. Trong những trường hợp như vậy, cần kết nối lại van xả khí với đường ngưng tụ sau bẫy.

Nếu đường xả ngưng tụ từ bẫy dâng lên cao, đường ống đầy nước sẽ tạo phản áp lên bẫy và van xả khí. Khả năng xả không khí của van xả khí bị giảm, đặc biệt khi khởi động. Điều này cũng áp dụng tương tự khi van xả khí được tích hợp trong bẫy hơi. Khi hình dạng không gian hơi ứng dụng và vị trí vào hơi có nghĩa là hầu hết không khí thoát ra qua cửa xả ngưng tụ, tốt hơn là đường xả từ bẫy hơi và van xả khí không dâng lên cao.

Vị trí van xả khí

Khi cuộn ống hoặc bình có tiết diện tương đối nhỏ, hơi đi vào sẽ hoạt động như một piston, đẩy không khí đến điểm xa điểm vào hơi. ‘Điểm xa’ này thường là vị trí tốt nhất cho van xả khí. Trong trường hợp thiết bị sử dụng hơi có hình dạng như trong Hình 11.12.6, một phần không khí sẽ đi qua cửa xả ngưng tụ, tùy theo sắp xếp trong bẫy, hoặc trong bypass, để xử lý không khí. Phần còn lại của không khí có thể tích tụ như được chỉ ra, tạo thành điểm lạnh trên bề mặt sưởi. Thiết bị không thể nóng đều, và biến dạng có thể xảy ra ở một số thiết bị, như bàn ủi giặt là. Vì hỗn hợp khí/hơi đậm đặc hơn hơi nguyên chất ở cùng áp suất, thường đủ để cung cấp khả năng xả khí trong bẫy hơi thấp. Tuy nhiên, chế độ vận hành của bẫy có nghĩa là ngưng tụ tạo lớp nước kín ở đầu vào bẫy đôi khi ngăn không khí tiếp cận bẫy. Có thể cần xem xét van xả khí tự động kết nối với không gian hơi trên mức ngưng tụ. Thường thuận tiện và đủ hiệu quả để kết nối nó với đỉnh không gian hơi, như trong Hình 11.12.6.

Tuy nhiên, trong trường hợp hai không gian hơi cùng kích thước và hình dạng nhưng có vị trí vào hơi khác nhau, vị trí van xả khí có thể khác. Trong Hình 11.12.7 và Hình 11.12.8, ngưng tụ thoát từ đáy bình nhưng với điểm vào hơi phía dưới, khi khởi động, không khí có xu hướng bị đẩy đến điểm xa ở phía trên. Có thể tốt nhất khi đặt van xả khí ở phía trên trong khi bẫy hơi phao-nhiệt tĩnh sẽ xử lý bất kỳ không khí dư thừa nào tích tụ ở đáy bình.