Giáo trình Lò hơi - Chương 6: Quá trình thủy động trong lò hơi

Nội dung text: Giáo trình Lò hơi - Chương 6: Quá trình thủy động trong lò hơi

1. Ch−ơng 6. Quá trình thủy động trong lò hơi 6.1 Bản chất và ý nghĩa của sự tuần hoàn n−ớc trong lò hơi. Chế độ nhiệt độ của ống đ−ợc đốt nóng. Sự làm việc tin cậy của thiết bị lò hơi yêu cầu phải tổ chức đúng đắn các quá trình xảy ra trong phần hơi n−ớc của lò tức là các quá trình bên trong lò để đảm bảo cho nhiệt độ vách ống kim loại gần nhất với nhiệt độ của môi chất. Một trong những quá trình quan trọng ấy là sự tuần hoàn của n−ớc, nó tạo ra sự chuyển động liên tục của n−ớc và hỗn hợp hơi n−ớc trong lò và kết quả là có thể thu nhiệt từ bề mặt kim loại với c−ờng độ cao. ở bộ hâm n−ớc và bộ quá nhiệt thì sự chuyển động của n−ớc và hơi là do tác dụng c−ỡng bức của bơm hay hiệu áp suất giữa hơi trong bao hơi và trong bộ quá nhiệt. Trong bề mặt đốt sinh hơi sự chuyển động của n−ớc và hỗn hợp hơi n−ớc là do tác dụng c−ỡng bức của bơm tuần hoàn hoặc do chênh lệch khối l−ợng riêng của môi chất đ−ợc đốt nóng và không đ−ợc đốt nóng tức là tuần hoàn tự nhiên. Ví dụ về một vòng tuần hoàn tự nhiên đơn giản đ−ợc biểu diễn trong hình vẽ 6.1. Vòng tuần hoàn là một vòng kín gồm bao hơi các ống đấu song song và ống góp. Trong vòng tuần hoàn hỗn hợp hơi n−ớc chỉ chuyển động trong Hình 6.1.Sơ đồ vòng tuần một phần của vòng tuần hoàn vì trong bao hơi trên hoàn tự nhiên đơn giản. h là chiều cao vòng tuần hay ống góp trên các bọt hơi tách ra khỏi n−ớc, còn tb n−ớc lại tiếp tục tuần hoàn nhiều lần trong vòng. hoàn; hkdn là chiều cao đoạn ống không đốt nóng; Thực ra vòng tuần hoàn thực tế phức tạp hơn, hs là chiều cao của điểm nh−ng khi các ống đ−ợc đốt nóng nh− nhau và có các bắt đầu sôi; hdn là chiều kích th−ớccao nh đoạn− nhau ống cóthì đốt ta nóng.cũng có thể coi nó nh− một vòng tuần hoàn đơn giản. Sự làm việc tin cậy của các bề mặt đốt đ−ợc xác định bởi chế độ nhiệt độ của kim loại ống. Khi tăng nhiệt độ thì sức bền của kim loại giảm đi. Mỗi loại thép có một nhiệt độ giới hạn cho phép, khi v−ợt nhiệt độ ấy trong thời gian dài có thể dẫn đến h− hỏng ống. ống cũng có thể bị h− hỏng khi nhiệt độ vách của nó bị dao động một cách hệ thống mặc dù nhiệt độ vách thấp hơn nhiệt độ giới hạn cho phép, vì dao động nhiệt độ mà sinh ra những nội ứng suất bổ sung, khi số chu kỳ dao động khá lớn thì ứng suất này làm h− hỏng kim loại do hiện t−ợng mỏi. Mức độ làm việc tin cậy của bề mặt đốt đ−ợc xác định bởi độ làm việc tin cậy của mọi ống đấu song song. Nếu một ống nào đó làm việc không tin cậy thì sự làm việc của toàn bề mặt đốt là không tin cậy. Do đó chế độ làm việc của mỗi ống phải khác rất ít so với chế độ tính toán trung bình. Nhiệt độ kim loại vách ống đ−ợc tính theo công thức sau: complete 198
2. ⎛⎞δ 1 ttt=+∆+βà q + , oC (6-1) VTmax ⎜⎟ ⎝⎠λM2()1+β α trong đó: t là nhiệt độ trung bình của môi chất l−u động trong ống ở tiết diện tính toán, oC; ∆tT là độ v−ợt của nhiệt độ môi tr−ờng l−u động trong ống so với nhiệt độ trung bình, oC; à là hệ số khuếch tán nhiệt theo chu vi ống, là tỷ số giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ mà ống có thể có khi nó đ−ợc đốt nóng đồng đều bởi dòng nhiệt qmax , đối với ống sinh hơi của lò hơi có áp suất d−ới tới hạn lấy à = 1; β=ddtr = d() d − 2 δ là tỷ số giữa đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của ống; δ là chiều dày vách ống, m; λM là hệ số dẫn nhiệt của kim loại vách ống, kW/mK, nó phụ thuộc vào nhãn o hiệu thép và vào nhiệt độ. Để tính λM thì lấy nhiệt độ ttV = + 50 C; 2 α2 là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi tr−ờng đ−ợc đốt nóng, kW/m K; qmax là phụ tải nhiệt độ ở điểm hấp thu nhiệt cực đại của ống chịu phụ tải lớn nhất, kW/m2. Từ công thức (6-1) ta thấy rằng nhiệt độ vách ống phụ thuộc vào nhiệt độ môi chất l−u động trong ống, vào phụ tải nhiệt và hệ số tỏa nhiệt α2 . Tr−ờng hợp nguy hiểm nhất cho sự làm việc của kim loại là sự kết hợp (không thuận lợi) giữa phụ tải nhiệt cao và nhiệt độ môi chất cao có kèm theo giá trị thấp của α2 và λM khi ống có vách dày. Phụ tải nhiệt phụ thuộc vào chỗ đặt bề mặt đốt. ở buồng lửa bột than phụ tải nhiệt trung bình của các bề mặt đốt bức xạ bằng q = 20ữ 50 kW/m2. Phụ tải nhiệt lớn nhất ở vùng trung tâm ngọn lửa khi đốt nhiên liệu rắn đạt đến 250ữ 300 kW/m2, khi đốt nhiên liệu lỏng bằng 500ữ 600 kW/m2. ở các bề mặt đốt đối l−u phụ tải nhiệt ít khi lớn hơn 50ữ 75 kW/m2, ở các bề mặt đốt đặt xa buồng lửa phụ tải nhiệt giảm đến 210ữ kW/m2. Hệ số dẫn nhiệt của kim loại λM phụ thuộc thành phần hóa học của thép và nhiệt độ. Hệ số tỏa nhiệt bên trong ống α2 khi dòng một pha chuyển động trong ống (hơi, n−ớc) đ−ợc xác định theo công thức: 0,8 B()ρω 2 α=2 0, 24 0,2 , kW/m K , (6-2) dtd 0,4 ⎛⎞CP 0,6 trong đó B =λ⎜⎟ là hệ số phụ thuộc vào loại vật chất và nhiệt độ. ⎝⎠à Các thông số vật lý đ−ợc tính theo nhiệt độ của dòng. Từ công thức (6-2) ta thấy hệ số tỏa nhiệt α2 tỷ lệ thuận với tốc độ lũy thừa 0,8 . Cho nên có thể nhận đ−ợc complete 199
3. hệ số tỏa nhiệt đối l−u thỏa mãn về kỹ thuật bằng cách tăng tốc độ khối l−ợng ()ρω . Hệ số B đặc tr−ng cho các thông số vật lý và thay đổi tùy thuộc áp suất và nhiệt độ. Khi n−ớc sôi chuyển động trong các ống sinh hơi thì hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc chế độ chuyển động của dòng và phụ tải nhiệt. Khi sôi mạnh thì có hệ số tỏa nhiệt cao 2 (khoảng 10ữ 150 kW/m K, đồng thời khi tăng q thì α2 tăng lên cho đến khi đạt đến phụ tải tới hạn qth . Do vậy nhiệt độ vách ống trong tr−ờng hợp sôi mạnh gần bằng nhiệt độ sôi. Sau khi đạt đến qth thì hệ số tỏa nhiệt giảm xuống đột ngột tùy thuộc sự chuyển động của dòng hai pha. 6.2 Các chế độ chuyển động của dòng hỗn hợp hơi n−ớc 6.2.1. ống đứng: Có bốn chế độ chuyển động cơ bản của hỗn hợp hơi n−ớc trong ống thẳng đứng nh− sau (hình vẽ 6.2): 1. Chuyển động của các bọt hơi nhỏ trong n−ớc chủ yếu dọc theo trục ống d−ới dạng xích. Chuyển động của các bọt hơi nh− vậy gọi là chế độ chuyển động bọt, chế độ này tồn tại khi hàm l−ợng hơi bé. 2. Chuyển động của các bọt hơi liền thành các bọt hơi lớn trong n−ớc, đôi khi các bọt lớn này có chiều dài đến 0,5 m và lớn hơn và trông giống đầu đạn. Ng−ời ta gọi nó là chế độ chuyển động đầu đạn, và nó tồn tại khi tốc độ chuyển động của hỗn hợp hơi n−ớc lớn hơn tốc độ trong chế độ chuyển động bọt. ở đây các đầu đạn hơi cách ly vách ống bằng một màng n−ớc. 3. Chuyển động của cột hơi liên tục d−ới dạng thanh dài có các giọt n−ớc lẫn vào, cột hơi cách bề mặt ống bởi một màng n−ớc mỏng. Chế độ này gọi là chế độ chuyển động thanh, chế độ này xảy ra khi tốc độ của hỗn hợp hơi n−ớc lớn hơn tốc độ trong chế độ đầu đạn. 4. Chuyển động của hơi với sự phân bố đều các giọt ẩm trên toàn tiết diện ống đ−ợc gọi là chế độ chuyển động nhũ t−ơng, nó xảy ra khi hàm l−ợng hơi cao hơn so với chế độ thanh. Hình 6.2. Các chế độ chuyển động của hỗn hợp hơi n−ớc trong ống đứng a - Bọt; b - đầu đạn; c - thanh; d - nhũ t−ơng. Chế độ chuyển động thanh của hỗn hợp hơi n−ớc là tốt nhất vì màng mỏng n−ớc dọc theo vách ống sẽ lấy nhiệt ra khỏi vách kim loại ống, do đó ống đ−ợc làm mát và nhiệt độ kim loại ống sẽ gần bằng nhiệt độ môi chất chuyển động trong ống. complete 200
4. 6.2.2. ống nằm ngang: ở ống nằm ngang lực hấp dẫn tác dụng vuông góc với ph−ơng dòng chảy. Vì thế sự phân bố pha trong tiết diện ống phụ thuộc vào t−ơng quan giữa lực nâng và lực hấp dẫn. Tốc độ dòng càng lớn lực nâng càng lớn, phần tâm dòng càng đ−ợc bão hòa nhiều bọt hơi hơn và dòng càng gần đối xứng hơn. Khi giảm tốc độ thì càng mất tính đối xứng của dòng, n−ớc sẽ nằm ở phần d−ới của ống. Khi tốc độ dòng nhỏ quá d−ới một mức nào đó thì lực hấp dẫn lớn hơn hẳn lực nâng và dòng bị phân lớp, có nghĩa là hơi chuyển động phía trên và n−ớc phía d−ới nh− biểu diễn trong hình vẽ 6.3. Hình 6.3. Chế độ l−u động phân lớp của hỗn hợp hơi n−ớc. 6.3. Các đặc tính, thông số và ph−ơng trình chuyển động của môi chất 6.3.1. Các ph−ơng trình thủy động lực và trao đổi nhiệt chủ yếu trong đ−ờng hơi - n−ớc của lò hơi Các quá trình thủy động lực và trao đổi nhiệt trong đ−ờng hơi n−ớc của lò hơi xảy ra trong các ống. Vách ống có các tính chất nhất định nh−: tính dẫn nhiệt, nhiệt dung, khối l−ợng. Trên bề mặt ống diễn ra các quá trình từ môi tr−ờng xung quanh đến bề mặt ngoài của ống và từ bề mặt trong của ống đến môi chất l−u động trong ống. Các tính chất của vách ống và các quá trình diễn ra trên vách ống đ−ợc kể đến bằng những điều kiện biên của các ph−ơng trình mô tả các quá trình diễn ra trong đ−ờng hơi - n−ớc. Các ph−ơng trình này gồm có: ph−ơng trình cân bằng vật chất, ph−ơng trình cân bằng năng l−ợng của dòng môi chất và vách bọc dòng và ph−ơng trình chuyển động (hay còn gọi là ph−ơng trình động l−ợng). - Ph−ơng trình cân bằng vật chất có dạng sau: ∂∂ρG +=f0; (6-3) ∂∂τz - Ph−ơng trình cân bằng năng l−ợng của dòng môi chất: ∂∂ρ()Gi( i) +=fq; (6-4) ∂∂τz t - Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của vách rãnh (ống) bị đốt nóng: ∂t qq=− mCkl =α− Ctt(). (6-5) tngkl∂z kl Trong các ph−ơng trình trên có các ký hiệu nh− G , ρ , i , z t−ơng ứng là l−u l−ợng chảy qua rãnh (ống), mật độ, entanpi, và tọa độ trùng với ph−ơng chuyển động complete 201
5. của môi chất; f , qt , qng lần l−ợt là diện tích tiết diện, mật độ dòng nhiệt tuyến tính trên bề mặt trong và bề mặt ngoài của rãnh (ống); m là khối l−ợng của 1 m kim loại vách rãnh (ống) (còn gọi là khối l−ợng tuyến tính của kim loại vách rãnh); tkl , Ckl là nhiệt độ và nhiệt dung của kim loại; α là hệ số tỏa nhiệt từ vách đến môi chất; C là chu vi bên trong của tiết diện rãnh (với ống ta có Cd= π t ). - Ph−ơng trình chuyển động hay còn gọi là ph−ơng trình bảo toàn động l−ợng của môi chất l−u động trong rãnh có dạng sau: ∂∂ω∂ωωρp 2 −=ρ+ρω+kgsin ±ρα. (6-6) ∂∂τ∂zz2 Tích phân hai vế ph−ơng trình (6-6) trong giới hạn từ đầu rãnh z0(=ω=ω= 11 ,pp) đến cuối rãnh zl(= ω=ω22 ,pp) = ta đ−ợc ph−ơng trình động l−ợng d−ới dạng tích phân nh− sau: llhωρ2 ω2 ∂ω pp−= kdd z +ωρω+ dd zg ±ρ h, (6-7) 12∫ 2 ∫∫∂τ ∫ 000ω1 trong đó hl= sinα . Ta thấy rằng trong vế phải của ph−ơng trình (6-7) các số hạng lần l−ợt biểu diễn lực ma sát, lực gia tốc dòng, lực quán tính, và lực trọng tr−ờng. Nh− vậy giáng áp trong rãnh ∆=p pp12 − dùng để khắc phục bốn loại lực sinh ra khi chất lỏng chuyển động trong đó. - Hệ bốn ph−ơng trình trên đ−ợc bổ sung thêm ph−ơng trình trạng thái có dạng: ρ=ρ()p,i . (6-8) Trong trạng thái ổn định thì mọi đạo hàm theo τ tại các ph−ơng trình (6-3) - (6-8) đều bằng không, mọi thông số chỉ là hàm số của tọa độ z và khi ấy các ph−ơng trình trên có dạng sau: - Ph−ơng trình bảo toàn khối l−ợng: dG = 0 ; (6-9) dz - Ph−ơng trình bảo toàn năng l−ợng: d()Gi = q ; (6-10) dz - Ph−ơng trình bảo toàn động l−ợng: ddωωρ2 p ωρ +kgsin ± ρ α = − ; (6-11) ddz2 z - Ph−ơng trình trạng thái: ρ=ρ()p,i . (6-12) Trong chế độ ổn định ta có Gz()= const , tức là l−u l−ợng khối l−ợng là nh− nhau ở mọi tiết diện của rãnh (ống). Từ đó ta có thể viết lại ph−ơng trình (6-10) d−ới dạng sau: complete 202
6. diq = , (6-13) dzG hoặc là: q ii=+ z, (6-14) v G với iv là entanpi của môi chất ở tiết diện vào của rãnh (ống). 6.3.2. Các đặc tính chuyển động của hỗn hợp hơi - n−ớc Các đặc tính l−u động chính của hỗn hợp hơi - n−ớc gồm có: 1. Tốc độ khối l−ợng của môi chất ωρ (n−ớc, hơi, hỗn hợp hơi - n−ớc), đó là l−u l−ợng khối l−ợng tính trên một đơn vị tiết diện ống: G ωρ = , kg/m2s (6-15) f 2. Tốc độ tuần hoàn ω0 , đó là tốc độ của n−ớc ở nhiệt độ bão hòa, t−ơng ứng với l−u l−ợng môi chất trong ống: G ω= hh , m/s (6-16) 0 fρ' trong đó: Ghh là l−u l−ợng khối l−ợng của hỗn hợp hơi - n−ớc đi qua hệ thống ống (khi n−ớc đi vào ống sinh hơi ta có GGhh= n ), kg/s; f là diện tích tiết diện để môi chất đi , m2 ; ρ ' là mật độ của n−ớc ở nhiệt độ bão hòa, kg/m3. 3. Tốc độ quy dẫn của n−ớc ω'0 , đó là tốc độ n−ớc có đ−ợc khi đi qua tiết diện đã cho của ống sinh hơi trong điều kiện n−ớc chiếm toàn bộ tiết diện ống sinh hơi: G ω=' n ; m/s (6-17) 0 fρ' 4. Tốc độ quy dẫn của hơi ω''0 , đó là tốc độ mà hơi có đ−ợc khi đi qua tiết diện đã cho của ống sinh hơi trong điều kiện hơi chiếm toàn bộ tiết diện ống sinh hơi: G ω='' h , m/s (6-18) 0 fρ'' ở đây Gh là l−u l−ợng khối l−ợng của hơi đi qua hệ thống ống; ρ '' là mật độ của hơi. 5. Tốc độ t−ơng đối của hơi ωr . Trong điều kiện thực tế hơi và n−ớc chuyển động đồng thời trong ống và tốc độ của hơi khác tốc độ của n−ớc, tức là ω≠ωhn. Trong dòng hỗn hợp đi lên ta có hơi chuyển động nhanh hơn n−ớc ( ωhn>ω ), và trong dòng đi xuống ta có tốc độ của n−ớc lớn hơn của hơi ( ωhn<ω ). Hiệu số giữa hai tốc độ này là tốc độ t−ơng đối của hơi: ω=ω−ωrhn, m/s (6-19) complete 203
7. Tốc độ t−ơng đối của hơi có ảnh h−ởng đáng kể đến quy luật chuyển động của dòng hỗn hợp hơi - n−ớc (hai pha). 6. Hàm l−ợng hơi khối l−ợng x , đó là phần l−u l−ợng khối l−ợng của hơi trong dòng hỗn hợp hơi - n−ớc khi có ωhn=ω : G x = h . (6-20) G hh Khi l−u động cân bằng về mặt nhiệt động học thì hàm l−ợng hơi khối l−ợng đ−ợc xác định theo công thức sau: ii− ' x = d , (6-21) r trong đó: i d là entanpi riêng của dòng ở tiết diện khảo sát của hệ thống ống, kJ/kg; i' là entanpi riêng của n−ớc trên đ−ờng bão hòa, kJ/kg; r là nhiệt l−ợng chuyển pha ở cùng áp suất, kJ/kg. 7. Hàm l−ợng n−ớc khối l−ợng: GG 1x1−=−hn = . (6-22) GGhh hh 8. Tốc độ của hỗn hợp hơi - n−ớc ωhh . Ta có tốc độ tuần hoàn: GGG+ ω=hh = h n , (6-23) 0 ffρρ'' trong đó: GVnn=ρωρ'= ' 0 ' f, kg/s (6-24) GVhh=ρωρ''= '' 0 '' f, kg/s (6-25) 3 với Vn và Vh là l−u l−ợng thể tích của n−ớc và của hơi, tính bằng m /s. Thay(6-24) và (6-25) vào (6-23) ta thu đ−ợc: ρ'' ω=ω+ω''', m/s (6-26) 0 00ρ' Tốc độ của hỗn hợp hơi n−ớc đ−ợc xác định theo công thức: VV+ ω=hn, m/s (6-27) hh f hoặc ω=ω+ωhh''' 0 0 , (6-28) ⎛⎞ρ'' và ω=ω+ωhh 0'' 0 ⎜⎟1 − . ⎝⎠ρ' Thông th−ờng ωhh đ−ợc thể hiện qua hàm l−ợng hơi khối l−ợng x . Ta có: ff=+hn f. (6-29) Nh− vậy: fffhhω+ nn ω=ω hh, (6-30) hoặc là: Gvh''+= Gv n ' G hh v hh , (6-31) từ đó rút ra: complete 204
8. GGhn vvvhh =+'' ' , (6-32) GGhh hh hay là: vxv1xvhh =+−''( ) ' . (6-33) Ta biết rằng: Gv ω= hh hh . (6-34) hh f Khi thay vhh từ (6-33) vào (6-34) ta đ−ợc: Gvhh ' ⎡⎤⎡⎤⎛⎞vv'' ⎛⎞ '' ω=+−=ω+−hh ⎢⎥⎢⎥1x⎜⎟ 10 1x ⎜⎟ 1 , (6-35) fv⎣⎦⎣⎦⎝⎠'' ⎝⎠ v ⎡⎤⎛⎞ρ' hay là: ω=ω+hh 0 ⎢⎥1x⎜⎟ − 1 . (6-36) ⎣⎦⎝⎠ρ'' 9. Hàm l−ợng hơi l−u l−ợng thể tích β , đó là phần thể tích của hơi trong dòng hỗn hợp hơi n−ớc khi tốc độ của hơi và n−ớc nh− nhau: V β= h . (6-37) VVhn+ Khi sử dụng các công thức (6-20) và (6-22) ta sẽ có giá trị của β nh− sau: 1 β= . (6-38) ()1x− ρ'' 1+ x ρ' Đồ thị trên hình vẽ 6.4 thể hiện quan hệ giữa hàm l−ợng hơi thể tích β và hàm l−ợng hơi khối l−ợng x của dòng. ở áp suất thấp ảnh h−ởng của x đến β trong phạm vi x nhỏ là rất đáng kể, khi tăng áp suất thì ảnh h−ởng này giảm xuống. ở một giá trị áp suất bất kỳ nào đó thì (dβ /) dx sẽ giảm xuống khi tăng x . Quy luật này có ảnh h−ởng đến chế độ l−u độngHình của 6.4. Quan hệ giữa hàm l−ợng dòng hai pha trong ống và chế độ nhiệthơi thểđộ tích β và hàm l−ợng hơi của vách ống; khối l−ợng x của dòng ở các áp 10. Hàm l−ợng hơi thực suất khác nhau. complete 205
9. ϕ , đó là phần tiết diện của ống do hơi chiếm fh ng với tốc độ thực của n−ớc và của hơi: f ϕ= h . (6-39) f Giữa ϕ và β có mối quan hệ nh− sau: Vfωω β=hhhh = =ϕ , (6-40) VVhn+ω hhhh f ω ω hay là: ϕ=hh β. (6-41) ωh Khi ký hiệu c/=ωhh ω h ta đ−ợc: ϕ=c β. (6-42) Đối với dòng chuyển động đi lên ta có: ω>ωhhh, c c1 , ϕ >β. Nếu coi tốc độ của hơi bằng tốc độ n−ớc và bằng tốc độ của hỗn hợp hai pha thì có: ω=ω=ωnhhh, c = 1, ϕ =β. Hệ số tỷ lệ c đặc tr−ng cho tỷ số giữa tốc độ của hỗn hợp hơi n−ớc và tốc độ thực của hơi, và vì thế nó cũng kể đến tốc độ t−ơng đối của hơi ωr . Khi tăng áp suất thì ωr giảm và khi tiến gần đến áp suất tới hạn ta sẽ có c →1 và ϕ→β. Dọc theo chiều dài của ống sinh hơi đ−ợc đốt nóng đồng đều ta có hàm l−ợng hơi khối l−ợng x thay đổi tuyến tính và ở chỗ vào ống x = 0 (nếu iiv = ' ) và ở chỗ ra khỏi ống x =1 (nếu iir = '' ) (xem hình vẽ 6.5). Trong khi đó hàm l−ợng hơi thể tích β và hàm l−ợng hơi thực ϕ ở chỗ vào ống cũng có giá trị bằng không, sau đó tăng rõ rệt ở đoạn đầu của ống (rãnh). Tiếp đó c−ờng độ tăng của β và ϕ giảm và ở cuối (đầu ra) của ống sinh hơi chúng có giá trị lớn nhất bằng 1. Đáng chú ý là khi tăng áp suất thì β và ϕ tiến gần đến giá trị của x . Hàm l−ợng hơi thực ϕ là một đặc tính quan trọng của dòng vì nó phản ánh sự phân bố thực của hơi và n−ớc và các giá trị tốc độ của chúng trong chuyển động đồng thời của hỗn hợp hơi n−ớc. Hình 6.5. Sự thay đổi β , ϕ và x Dọc theo chiều dài của ống sinh hơi. complete 206
10. 11. Tốc độ thực của hơi là: ω'' ω = 0 . (6-43) h ϕ 12. Tốc độ thực của n−ớc là: ω' ω= 0 . (6-44) n 1−ϕ 12. Mật độ l−u l−ợng của hỗn hợp hơi n−ớc ρhh , đó là mật độ ứng với tr−ờng hợp tốc độ của n−ớc và của hơi nh− nhau: GGhn 3 ρ=hh + , kg/m (6-45) ωω''00ff ' 14. Mật độ thực của hỗn hợp hơi n−ớc ρth , đó là mật độ ứng với tốc độ thực của hơi và của n−ớc: ρth = ρ'''''''− ϕρ()− ρ =−(1 ϕρ) + ϕρ . (6-46) Trong dòng hỗn hợp hơi n−ớc chuyển động đi lên ta thấy tốc độ t−ơng đối của hơi ωr làm giảm phần tiết diện ống do hơi chiếm ϕ và phần tiết diện ống do n−ớc chiếm (1−ϕ) tăng lên, do vậy ρth>ρ hh . Khi tăng áp suất ta thấy ρth→ρ hh . 15. Bội số tuần hoàn K , là đại l−ợng nghịch đảo của hàm l−ợng hơi khối l−ợng hay là tỷ số giữa l−ợng n−ớc tuần hoàn và l−ợng hơi thu đ−ợc trong cùng một khoảng thời gian: 1 G K ==n . (6-47) xGh Với lò hơi có tuần hoàn tự nhiên: K = 4 ữ 30; Với lò hơi có tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần: K = 3 ữ 10; Với lò hơi trực l−u: K = 1. 6.4. Trở kháng thuỷ lực Khi n−ớc, hỗn hợp hơi n−ớc và hơi chuyển động trong ống do có trở lực mà sinh ra giáng áp giữa các tiết diện bất kỳ của ống. Ph−ơng trình tổng quát của giáng áp toàn phần đ−ợc dùng trong tính toán thực tế có dạng sau: ∆=∆ppms +∆ p cp +∆+∆ p gt p dc (6-48) trong đó: ∆pms là trở lực ma sát; ∆pcb là trở lực cục bộ; ∆pgt là trở lực do tăng tốc (gia tốc); ∆pdc là trở lực do chênh lệch độ cao. 1. Trở lực ma sát: Đối với dòng hai pha có thể xác định theo công thức nh− đối với dòng một pha nh−ng thay thế tốc độ dòng một pha bằng tốc độ hỗn hợp ωhh , ngoài ra phải tuân thủ điều kiện đồng nhất của dòng hai pha: complete 207
11. l ωω22 ∆=λρ=λρplhh hh , (6-49) msd2 hh 0 2 hh trong đó: λ là hệ số ma sát; λ 0 là hệ số ma sát quy dẫn; d l là chiều dài của rãnh đ−ợc khảo sát, m; d là đ−ờng kính ống, m; 3 ρhh là mật độ của hỗn hợp, kg/m . Theo định luật bảo toàn khối l−ợng ta có: ' ρω=ρωhh hh 0 (6-50) Nh− vậy có thể viết lại công thức (6-49) d−ới dạng khác: 2 ⎡ '' ⎤ ω0 ' " ⎛⎞ρ ∆=λρω+ω−plms 0⎢ 0 0 ⎜⎟ 1,⎥ (6-51) 2'⎣⎢ ⎝⎠ρ ⎦⎥ hoặc: 2 ω⎛⎞0 ' ⎡ ρ' ⎤ ∆=λρ+pl1x1.ms 0 ⎢ ⎜⎟ −⎥ (6-52) 2''⎣ ⎝⎠ρ ⎦ Cấu trúc của dòng hai pha khác hẳn cấu trúc của dòng một pha, vì thế phải đ−a vào công thức (6-52) một hệ số hiệu chỉnh ψ kể đến ảnh h−ởng của cấu trúc dòng. Khi hàm l−ợng hơi không đổi ta có: 2 ω⎛⎞0 ' ⎡ ρ' ⎤ ∆=λρ+ψ−pl1x1.ms 0 ⎢ ⎜⎟⎥ (6-53) 2''⎣ ⎝⎠ρ ⎦ Đối với dòng có hàm l−ợng hơi thay đổi ta xác định tổn thất do ma sát theo công thức sau: 2 ω⎛⎞0 ' ⎡ ρ' ⎤ ∆=λρ−ψ−pl1x1,ms 0 ⎢ ⎜⎟⎥ (6-54) 2''⎣ ⎝⎠ρ ⎦ trong đó: x là hàm l−ợng hơi trung bình trong rãnh khảo sát; ψ là hệ số hiệu chỉnh trung bình, đ−ợc xác định nh− sau: ψ−ψxx ψ= 0c dd, xxcd− với ψ d và ψ c là hệ số hiệu chỉnh kể đến ảnh h−ởng của cấu trúc dòng ứng với hàm l−ợng hơi lúc đầu xd và lúc cuối xc . 2. Trở lực cục bộ. Đối với dòng hai pha trở lực cục bộ đ−ợc xác định theo công thức sau: 2 ω⎛⎞0 ⎡ ρ' ⎤ ∆=∑ξρ+p''1x1,cb cb ⎢ ⎜⎟ −⎥ (6-55) 2''⎣ ⎝⎠ρ ⎦ trong đó: complete 208
12. ' ξcb là hệ số true lực cục bộ quy −ớc. Khi dòng 2 pha chảy bọc ngang chùm ống ta có trở lực cục bộ bằng: 2 ω⎛⎞0 ⎡ ρ' ⎤ ∆=∑ξρ+p''1x1,cb ch⎢ l ⎜⎟ −⎥ (6-56) 2''⎣ ⎝⎠ρ ⎦ ở đây xl là hàm l−ợng hơi trung bình trong đoạn ống khảo sát. 3. Tổn thất áp suất do gia tốc: tổn thất này có là do sự thay đổi thể tích và do sự thay đổi tốc độ dòng. ωc ∆=ωρωpd (6-57) gt ∫ ωd đối với dòng chảy ổn định ta có: ωρdd =ωρ cc =ωρ=const Với dòng chảy hai pha ở áp suất nhỏ hơn áp suất tới hạn ta có thể xác định ∆pgt theo công thức: 2 ∆=ωρ−pv''v'xxgt()( )( c − d ), (6-58) 4. Tổn thất áp suất do chênh lệch độ cao đ−ợc xác định theo công thức: h ∆=ρ=ρp g dh gh , (6-59) dc ∫ 0 trong đó: h là độ cao của đoạn ống đ−ợc khảo sát. ∆pdc lấy dấu d−ơng khi dòng chuyển động đi lên và lấy dấu âm khi dòng chuyển động đi xuống. 6.5. Những quy luật của tuần hoàn tự nhiên. Trong buồng lửa lò hơi có tuần hoàn tự nhiên các ống sinh hơi đ−ợc bố trí thành các vòng tuần hoàn. Trong các vòng tuần hoàn có n−ớc và hỗn hợp hơi n−ớc chuyển động liên tục, do đó đảm bảo quá trình toả nhiệt hiệu quả và liên tục của bề mặt truyền nhiệt (bề mặt đốt) và duy trì nhiệt độ kim loại bề mặt đốt ở mức cho phép. Điều đó đảm bảo cho các vòng tuần hoàn làm việc đ−ợc lâu dài và có độ tin cậy cao. Quá trình tuần hoàn t−dj nhiệ đ−ợc tạo ra do lực chuyển động Schđ, lực này sinh ra khi các ống đặt đứng có môi tr−ờng chuyển động đi lên (gọi là ống lên) đ−ợc đốt nóng. Chúng ta sẽ viết ph−ơng trình Becnuli cho từng khâu của vòng tuần hoàn (xem hình vẽ 6.6). Trên đoạn 3-4 có hỗn hợp hơi n−ớc có mật độ ρbh chuyển động, trên phần còn lại của vòng tuần hoàn (đoạn 4-1-2-3) chứa n−ớc chuyển động có mật độ ρ ' ứng với áp suất trong bao hơi. complete 209
13. Hình 6.6. Sơ đồ xác định ph−ơng trình cơ bản của vòng tuần hoàn tự nhiên. Trong khâu 1-2 (ống n−ớc xuống) ta có: ωω22 ()Hh−ρ++ 'gp12 ρ=+ 'p ρ+∆ ' p (6-60) 1222 12− Trong các khâu 2-3 (ống góp d−ới), khâu 3-4 (ống lên), khâu 4-1 (thể tích n−ớc của bao hơi) ta có các cân bằng lần l−ợt nh− sau: ω2 ω2 ω2 ω2 p'p'p+ρ=+ρ+∆2 3 p'Hgpp+ρ=ρ++ρ+∆3 4 2322 23− 3hh4hh3422− ωω22 H'gpρ+ +41 ρ= (Hh)'gp −ρ++ ρ+∆ ' p ; 4hh22 1 41− Khi tính tổng giáng áp trong các khâu của vòng tuần hoàn ta đ−ợc: H'()ρ−ρhh g =∑∆ pS = chd , (6-61) trong đó: ρhh là mật độ trung bình của hõn hợp hơi n−ớc, hoặc lực chuyển động dùng để khắc phục trở lực của khâu đi lên và đi xuống của vòng tuần hoàn, tức là: Sppchd=∆ x +∆ l ở đây: ∆p x là trở lực của khâu đi xuống của vòng tuần hoàn; ∆p l là trở lực của khâu đi lên của vòng tuần hoàn. Hiệu số giữa lực chuyển động và trở lực của các ống lên đ−ợc gọi là lực hữu ích: SShi=−∆ chd p l (6-62) Ph−ơng trình cơ bản của tuần hoàn là: Sphi=∆ x (6-63) Tức là lực hữu ích dùng để khắc phục trở lực của các ống xuỗng (khâu đi xuống). complete 210
14. Các yếu tố nh− tốc độ tuần hoàn ω0 , tốc độ quy dẫn của hơi ω ''0 , áp suất p và đ−ờng kính ống d có ảnh h−ởng quyết định đến giá trị của lực hữu ích Shi, cụ thể là: Sf;'';p;dhi=ωω() 0 0 Ng−ời ta th−ờng biểu diễn quan hệ Sfhi= (ω 0 ) với các ω"0 khác nhau và p = const, d = const trong hệ toạ độ Shi− ω 0 (hình vẽ 6.6). Toàn bộ chiều cao H của ống lên đ−ợc chia làm hai đoạn là đoạn hâm n−ớc H hn và đoạn sinh hơi H sh , tức là: HH=+hn H sh . (6-64) Tiết diện ống ở đó xảy ra sự sôi mạnh đ−ợc gọi là tiết diện bắt đầu sôi hay điểm bắt đầu sôi. ở lò hơi có bộ hâm n−ớc kiểu không sôit a có entanpi của n−ớc ở chỗ ra khỏi bộ hâm n−ớc nhỏ hơn entanpi của n−ớc sôi, tức là ii"'hn < , vì vậy nhiệt độ n−ớc trong bao hơi thấp hơn nhiệt độ sôi. Độ hâm n−ớc ch−a đến sôi trong bao hơi là: i'− i" ∆=i hn (6-65) b K trong đó K là bội số tuần hoàn. Vì thế ở chỗ vào ống xuống n−ớc ch−a đ−ợc đốt nóng (hâm) đến trạng thái sôi. Mức độ hâm n−ớc ch−a đến sôi ở ống góp d−ới là lớn nhất và bằng: ∆i' ⎛⎞∆px ∆=∆+ρiiog b 'gH⎜⎟ x − (6-66) ∆ρp'g⎝⎠ ∆i' trong đó: ρ'g là sự thay đổi entanpi của n−ớc trên một mét chiều cao, kJ/kg.m; H ∆p x là chiều cao ống xuống, m; ∆px là trở lực của ống xuống, Pa. Mức độ đốt nóng n−ớc ch−a đến sôi tính cho 1 kg l−u l−ợng n−ớc tuần hoàn đến tiết diện bắt đầu sôi là: ∆∆i'⎛⎞∆px i' ∆+i'gHH'gbxhn ρ⎜⎟ − − ρ , (6-67) ∆ρp'gp⎝⎠ ∆ Đối với G kg/h l−u l−ợng n−ớc tuần hoàn ta có mức độ đốt nóng n−ớc ch−a đến sôi bằng: ⎡⎤∆∆i'⎛⎞∆px i' ⎢⎥∆+i'gHH'gGbxhn ρ⎜⎟ − − ρ . (6-68) ⎣⎦∆ρp'gp⎝⎠ ∆ Chiều cao đoạn hâm n−ớc (hay chiều cao của điểm bắt đầu sôi) đ−ợc xác định từ sự cân bằng giữa nhiệt l−ợng cần truyền cho n−ớc trong một đơn vị thời gian để đốt nóng n−ớc đến sôi trong đoạn hâm n−ớc và nhiệt l−ợng mà đoạn hâm n−ớc nhận đ−ợc từ buồng lửa trong cùng thời gian nói trên, từ đó ta có: complete 211
15. ∆i' ⎛⎞∆p ∆+i'gH ρ − x bx∆ρp'g⎜⎟ H = ⎝⎠ . (6-69) hn Q ∆i' vg +ρ'g HGvg ∆ p 6.6. Ph−ơng pháp giải vòng tuần hoàn tự nhiên bằng đồ thị. Có hai kiểu vòng tuần hoàn tự nhiên là vòng tuần hoàn tự nhiên đơn giản và phức tạp (hình vẽ 6.7) . Hình 6.7. Sơ đồ vòng tuần hoàn tự hiên. a, b - đơn giản; c - phức tạp. 1-bao hơi; 2-ống sinh hơi (ống lên); 3-ống góp; 4-ống xuống; 5-ống dẫn hỗn hợp vào bao hơi. complete 212
16. ở vòng tuần hoàn tự nhiên đơn giản mọi ống lên đều có đặc tính hình học nh− nhau bao gồm đ−ờng kính, chiều dài, hình dáng ống và đ−ợc đốt nóng nh− nhau. Vòng tuần hoàn tự nhiên đơn giản không có các khâu (phần tử) chung với các vòng khác, ví dụ nh− các dàn ống sinh hơi đặt trong buồng lửa. ở vòng tuần hoàn tự nhiên phức tạp có các ống lên có đặc tính hình học khác nhau và đ−ợc đốt nóng khác nhau. Khâu chung là các ống xuống đảm bảo cung cấp n−ớc vào các băng ống lên của vòng tuần hoàn. 6.6.1. Vòng tuần hoàn tự nhiên đơn giản Ph−ơng trình cơ bản của tuần hoàn có dạng sau: Sp.hi=∆ x (6-70) Cả hai vế của ph−ơng trình phụ thuộc vào l−u l−ợng n−ớc tuần hoàn (tốc độ tuần hoàn), tức là: Sfhi=ω() 0 và ∆pfx0=ω( ) . Khi tăng ω0 lực hữu ích Shi sẽ giảm, còn trở lực của ống xuống sẽ tăng tỷ lệ với l−u l−ợng tuần hoàn bình ph−ơng. Giao điểm hai đ−ờng cong Shi và ∆px chính là điểm làm việc A của vòng tuần hoàn và toạ độ của giao điểm này chính là nghiệm của ph−ơng trình (6-70), xem hình vẽ 6.8a. Hình 6.8. Đồ thị giải vòng tuần hoàn tự nhiên đơn giản. a - ống sinh hơi (ống lên) nối trực tiếp vào bao hơi;b - ống sinh hơi nối vào ống góp trung gian. th A-điểm làm việc của vòng tuần hoàn; ω0 tốc độ tuần hoàn thực; Để vẽ với đồ thị tuần hoàn th−ờng cho biết 3 giá trị tốc độ tuần hoàn ω01 ; ω02 ; ω03 . Khi tính tuần hoàn phải xác định các đại l−ợng theo thứ tự sau: Trở lực của ống xuống; chiều cao điểm bắt đầu sôi trong ống lên (đoạn hâm n−ớc) và chiều cao đoạn sinh hơi; tiết diện t−ơng đối của ống có chứa hơi; lực chuyển động; trở lực của ống lên; lực hữu ích. complete 213
17. Theo các kết quả tính toán ta vẽ đồ thị tuần hoàn, tức là vẽ các đ−ờng cong Sfhi=ω() 0 và ∆=ωpfx0(). Đối với tr−ờng hợp ống lên nối vào ống góp trung gian (hình 6.8b) thì phải xác định lực hữu ích trong ống sinh hơi và trong ống dẫn hỗn hợp. Lực hữu ích của vòng vong sh o. dan tuần hoàn bằng tổng lực hữu ích của hai đoạn ống nói trên, tức là SSShi=+ hi hi , lực này đ−ợc dùng để khắc phục trở lực của ỗng n−ớc xuống ∆px . Toạ độ của giao t điểm A của các đ−ờng cong cho ta biết l−u l−ợng n−ớc thực trong vòng tuần hoàn G0 vong và lực hữu ích của cả vòng tuần hoàn Shi . Các lực hữu ích của ống sinh hơi và ống sh o. dan dẫn hỗn hợp có thể tìm đ−ợc qua toạ độ của các điểm của các đ−ờng cong Shi và Shi t ứng với G0 (hình 6-8b). 6.6.2 Vòng tuần hoàn tự nhiên phức tạp Đối với vòng tuần hoàn tự nhiên phức tạp có ống xuống chung (hình 6-7c) I II III phải xác định lực hữu ích của từng băng ống lên, tức là Shi ; Shi ; Shi . Các băng ống lên làm việc song song nhau ứng với giáng áp chung nên đ−ờng cong lực hữu ích của vòng tuần hoàn đ−ợc vẽ bằng cách cộng l−u l−ợng n−ớc qua các băng ống lên ở các giá trị lực hữu ích nh− nhau (cộng theo trục hoành) và sẽ đ−ợc đ−ờng cong tổng DB (hình 6.9). Tiếp đó vẽ đ−ờng cong trở lực của ống n−ớc xuống OC. Giao điểm của hai đ−ờng cong DB và OC là điểm làm việc A của giản đồ (đồ thị) tuần hoàn. Toạ độ của điểm A là l−u l−ợng n−ớc tổng ∑G và lực ích vong Shi của vòng tuần hoàn. Hình 6.9. Đồ thị giải vòng tuần hoàn tự nhiên phức tạp. L−u l−ợng n−ớc qua đ−ờng băng ống lên đ−ợc tìm từ giao điểm của đ−ờng nằm ngang đi qua điểm A với đ−ờng cong lực hữu ích của từng băng ống lên đó. 6.7. Những hiện t−ợng phá huỷ tuần hoàn tự nhiên Mục đích cuối cùng của việc tính tuần hoàn là đánh giá độ làm việc tin cậy của các ống sinh hơi trong vòng tuần hoàn tự nhiên. Phải đảm bảo để nhiệt độ vách ống gần bằng nhiệt độ sôi. Muốn vậy tr−ớc hết cần đảm bảo chế độ sinh hơi trong các ống lên sao cho trên bề mặt trong của ống luôn có một màng n−ớc liên tục. Trong điều kiện nh− thế sẽ có tỏa nhiệt mạnh từ vách ống đến môi chất ngay cả khi phụ tải nhiệt của ống rất cao và kết quả là nhiệt độ vách ống rất gần với nhiệt độ môi chất l−u complete 214
18. động bên trong ống. Vấn đề này rất phức tạp vì sự làm việc của vòng tuần hoàn tự nhiên phụ thuộc không những vào cấu tạo của vòng tuần hoàn mà còn vào điều kiện vận hành nữa. Nhiệm vụ chúng ta là phải xác định những giới hạn tồn tại của các chế độ không tin cậy trên cơ sở những số liệu tính toán tuần hoàn và điều kiện làm việc của vòng tuần hoàn tự nhiên. Những chế độ nguy hiểm cho các ống lên của vòng tuần hoàn là: sự hình thành mức n−ớc tự do; sự tuần hoàn ng−ợc; sự phân lớp của dòng hỗn hợp hơi n−ớc; chế độ có bội số tuần hoàn giới hạn; sự phá hoại chế độ làm việc bình th−ờng của các ống xuống: hơi sinh ra trong ống xuống do giảm áp suất ở chỗ vào ống (thủy kích) hay do ống xuống bị đốt nóng, hơi có thể đi vào ống xuống từ khoang hơi. Hậu quả là việc cung cấp n−ớc cho các ống lên bị gián đoạn. 6.7.1 Bội số tuần hoàn giới hạn cho phép Khi bội số tuần hoàn nhỏ (hàm l−ợng hơi ở chỗ ra cao) có thể chuyển sang chế độ có trao đổi nhiệt kém hơn. ở các lò hơi có bao hơi thì chế độ làm việc trên đây kèm theo hiện t−ợng kết tủa không có giới hạn các tạp chất trong dung dịch ch−a bão hòa của n−ớc lò lên vách ống. Hàm l−ợng hơi giới hạn khi đó chuyển sang chế độ trao đổi nhiệt kém hơn ứng với áp suất đã cho, phụ thuộc vào phụ tải nhiệt. Đối với các lò hơi có bao hơi cao áp và siêu cao áp thì chế độ có bội số tuần hoàn bằng 32ữ là nguy hiểm. Cho nên khi K = 4 và thấp hơn phải kiểm tra lại khả năng chuyển các ống sinh hơi sang chế độ làm việc có trao đổi nhiệt kém hơn. Tr−ớc hết tiến hành kiểm tra các ống đ−ợc đốt nóng nhiều nhất vì bội số tuần hoàn cho phép trong chúng cao hơn, và giá trị thực tế của K thấp hơn giá trị trung bình của toàn bộ vòng tuần hoàn. 6.7.2 Sự hình thành mức n−ớc tự do trong các ống lên hay hiện t−ợng ngừng tuần hoàn Chế độ làm việc này xảy ra ở những ống đ−ợc đốt nóng ít làm việc song song với những ống đ−ợc đốt nóng nhiều. Trong các ống lên không đ−ợc đốt nóng (ống c) n−ớc đ−ợc ổn định ở một mức nhất định ( hhtb − max ) đặc tr−ng giáng áp giữa bao hơi và ống góp d−ới, giáng áp này bằng: Hình 6.10. Sơ đồ vòng tuần hoàn tự nhiên có mức n−ớc tự do. complete 215
19. ∆=phρ'''' −∆=− phhρρ + h , (6-71) 12− tb x( tb max) max và từ ph−ơng trình này ta nhận đ−ợc: ∆p h = x (6-72) max ()ρ−ρ''' ở ống đ−ợc đốt nóng yếu (ống b ) có thể hình thành mức n−ớc tự do nh−ng ở điểm cao hơn một chút so với mức n−ớc ở ống không đ−ợc đốt nóng. Nhiệt độ vách ống ở phía trên mức n−ớc tự do có giá trị rất cao hầu nh− bằng nhiệt độ khói xung quanh, vì hệ số tỏa nhiệt α2 rất thấp. Hơi ở đây khuếch tán qua n−ớc để đi lên. Đối với ống đ−ợc đốt nóng ít giáng áp giữa bao hơi và ống góp bằng: hphhhtbρ−∆''' x =() tb − td ρhh + td ρ +∆ p l , (6-73) và sau khi biến đổi ta đ−ợc: hpphtb()ρ−ρ'''hh −∆ l =∆ x − td ( ρ hh −ρ) . (6-74) Vế trái của ph−ơng trình này là lực hữu ích của ống có mức n−ớc tự do. Lực chuyển động ở đây gồm hai phần: của đoạn d−ới và đoạn trên mức tự do. ở những ống đ−ợc đốt nóng bình th−ờng (ống a ) khi không có mức n−ớc tự do ( htd = 0 ) thì có cân bằng của lực chuyển động và trở lực: hpptb()ρ−ρ' hh −∆ l =∆ x . (6-75) Khi so sánh hai ph−ơng trình (6-74) và (6-75) ta thấy lực chuyển động ở ống có mức n−ớc tự do nhỏ hơn trở lực của các ống xuống. Do đó ở mức độ đốt nóng đã cho nếu lực chuyển động của ống nhỏ hơn lực chuyển động của toàn vòng tuần hoàn thì bắt đầu có mức n−ớc tự do. Ta có thể xác định đ−ợc giới hạn chuyển từ chế độ tuần hoàn bình th−ờng sang chế độ có mức n−ớc tự do bằng đồ thị (qua biểu đồ tuần hoàn ở hình vẽ 6.11). Lực hữu ích t−ơng ứng Hình 6.11. Giản đồ tuần với chế hoàn để tính lực hữu ích khi độ hình thành mức n−ớc tự do ptd sẽ nằm ở giao điểm giữa đ−ờng cong lực hữu ích hình thành mức n−ớctự do. của ống đã cho với đ−ờng thẳng đứng đi qua giá trị l−u l−ợng n−ớc bằng l−u l−ợng hơi ống Dh . Nếu lực này nhỏ hơn hoặc bằng lực hữu ích của vòng tuần hoàn thì có mức n−ớc tự do. Nếu lực hữu ích trong từng ống đ−ợc đốt nóng ít ứng với chế độ có mức ống n−ớc tự do Phi mà lớn hơn lực hữu ích tổng của cả vòng tuần hoàn thì không có mức n−ớc tự do. Do đó giới hạn chuyển từ chế độ có mức tự do sang chế độ tuần hoàn bình th−ờng đ−ợc biểu thị bằng bất ph−ơng trình sau: P td >1, (6-76) Phi complete 216
20. Khi đ−a vào hệ số dự trữ bằng 1,15 ta có: P td >1,15 . (6-77) Phi Lực hữu ích của ống có mức tự do khi bỏ qua trở lực của các ống lên bằng: Phtd=ϕρ−ρ đn kt ( ''') , (6-78) trong đó: ϕkt là phần tiết diện ống lên do hơi chiếm khi hơi khuếch tán qua lớp n−ớc; hdn là chiều cao của ống lên đ−ợc đốt nóng. Trong tính toán ta th−ờng dùng ph−ơng pháp đồ giải. 6.7.3 Sự tuần hoàn ng−ợc Trong những điều kiện nhất định khi các ống lên đ−ợc nối vào khoang n−ớc của bao hơi mà bị đốt nóng yếu thì chúng có thể làm việc nh− những ống xuống. Khi dòng đi xuống có tốc độ thấp thì các bọt hơi có thể bơi lên rất chậm. Khi các bọt hơi hòa vào nhau thành bọt lớn có thể chiếm một phần đáng kể tiết diện ống. Hiện t−ợng này th−ờng thấy ở nửa trên của ống nghiêng. Do có hiện t−ợng trên mà α2 giảm và ống sẽ có nhiệt độ cao. Quy luật thay đổi lực hữu ích trong ống đốt nóng tùy thuộc h−ớng l−u động và l−ợng hơi sinh ra trong ống: Phhi=ρ−ρ∆=∆ tb()' hh m p l p x . (6-79) Khi dòng đi lên ta lấy dấu trừ và khi dòng đi xuống ta lấy dấu cộng. Trên cơ sở ph−ơng trình này ta vẽ đồ thị tuần hoàn của ống đứng trong hình vẽ 6.12. Khi tăng l−u l−ợng n−ớc trong ống có chế độ đi xuống thì lực hữu ích của nó lúc đầu giảm xuống sau đó tăng lên. Sự giảm ban đầu của lực hữu ích là do giảm đại l−ợng (ρ−ρ' hh ) và do trở lực tăng t−ơng đối ít. Khi tiếp tục tăng l−u l−ợng n−ớc thì trở lực của ống tăng lên theo quy luật bậc hai. Trong vùng có l−u l−ợng nhỏ (miền gạch chéo trên hình vẽ 6.12) ống thẳng đứng có chế độ làm việc không ổn định, chuyển động đi lên bị thay thế bằng chuyển động đi xuống, tức là xảy ra đập mạch dòng môi chất. Nếu ống nằm ngang thì có thể có sự phân lớp ổn định. Lực hữu ích của chế độ tuần hoàn ng−ợc Png t−ơng ứng với điểm cực tiểu của đ−ờng cong lực hữu ích ở phía trái đồ thị tuần hoàn. Nếu lực hữu ích của vòng tuần hoàn nhỏ hơn lực giới hạn thì không có tuần hoàn ng−ợc. Do đó điều kiện để không xảy ra tuần hoàn ng−ợc là: P ng ≥1,15 . (6-80) Phi Để xác định lực hữu ích của ống có tuần hoàn ng−ợc ta phải vẽ đ−ờng cong lực hữu ích ở nửa bên trái của đồ thị tuần hoàn. complete 217
21. Những ống lên nối vào khoang hơi của bao hơi sẽ không xảy ra tuần hoàn ng−ợc. Khi có ống góp trung gian của dàn ống có thể có tuần hoàn ng−ợc. Trong tr−ờng hợp này cần kiểm tra chế độ có tuần hoàn ng−ợc theo lực hữu ích giữa ống góp trung gian và ống góp d−ới. Hình 6.12. Đặc tính tuần hoàn của ống đứng khi có tuần hoàn ng−ợc. Hình 6.12. Đặc tính tuần hoàn của ống đứng khi có tuần hoàn ng−ợc 6.7.4 Sự phá hủy chế độ làm việc của các ống n−ớc xuống Để vòng tuần hoàn làm việc bình th−ờng phải cung cấp đủ và liên tục n−ớc cho các ống lên. Hiện t−ợng giảm l−u l−ợng n−ớc vào các ống xuống xảy ra khi có hơi sinh ra trong các ống này. Nguyên nhân là do ống n−ớc xuống bị đốt nóng, do hơi từ bao hơi đi vào ống xuống, do sôi n−ớc khi giảm áp suất đột ngột. 1. Sự sinh hơi trong các ống n−ớc xuống do giảm áp suất ở tiết diện vào ống Hiện t−ợng này gọi là sự xâm thực. áp suất tính ở tiết diện vào ống là: 2 ⎡⎤ωx ppv =+bm⎢⎥ hg ρ−ξ+''() v 1 ρ, (6-81) ⎣⎦2 trong đó pv và pb lần l−ợt là áp suất ở chỗ vào ống xuống và trong bao hơi. ở đây pv lớn hay nhỏ hơn pb phụ thuộc vào dấu của hiệu số trong ngoặc vuông. Nếu pvb< p thì n−ớc trong bao hơi gần sôi sẽ sôi ở tiết diện vào ống n−ớc xuống. Do vậy điều kiện để không có xâm thực trong ống n−ớc xuống là: ω2 hgρ−ξ+''() 1x ρ≥ 0, (6-82) mv2 ω2 hoặc: h1≥ξ+()x , (6-83) mv2g với ξv =ữ0, 2 0,5 , tùy thuộc cách nối ống. complete 218
22. Hình 6.13. Sự thay đổi áp suất: a- trong ống n−ớc xuống; b–ở tiết diện vào ống n−ớc xuống. Sự xâm thực sinh ra có quan hệ với mức n−ớc không đủ cao ở phía trên ống n−ớc xuống, tốc độ n−ớc trong các ống xuống càng lớn thì mức n−ớc phía trên ống xuống càng cần phải lớn. Vì vậy mà các ống n−ớc xuống luôn luôn đ−ợc nối vào phía gần đáy bao hơi (khoang n−ớc). 2. Hơi từ bao hơi đi vào ống n−ớc xuống khi sinh ra các phễu xoáy phía trên ống n−ớc xuống. Sự hình thành phễu xoáy sẽ xảy ra khi lớp n−ớc phía trên ống n−ớc xuống không đủ lớn. Chiều cao cực đại của lớp n−ớc hl có thể sinh ra phễu xoáy tùy thuộc tốc độ n−ớc chảy trong ống xuống và đ−ờng kính của ống này (xem hình vẽ 6.14). Nếu cấp n−ớc đỗi xứng thì phễu xoáy chỉ sinh ra khi hl khá nhỏ, tức là khi h1=50 ữ 100mm. Khi cấp n−ớc không đối xứng do dòng sinh ra các xoáy nên có khả năng tạo thành phễu. Trong tr−ờng hợp này phễu xoáy có thể xuất hiện khi chiều cao lớp n−ớc bên trên ống xuống bằng 150ữ 200 mm. Thực tế mức n−ớc trong bao hơi phía trên ống n−ớc xuống th−ờng lớn hơn 300ữ 500 mm nên không sinh ra phễu xoáy. ở mức n−ớc này phễu xoáy chỉ sinh ra khi đ−ờng kính ống xuống rất lớn, ví dụ ở các lò hơi tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần. Hình 6.14. Quan hệ giữa chiều cao tối đa của lớp n−ớc có phễu xoáy sinh ra với tốc độ; đ−ờng kính trong của ống t−ơng ứng bằng: 1-32 mm, 2-63 mm, 3-107 mm. Để tránh tạo ra phễu xoáy ng−ời ta đặt ở cửa vào ống n−ớc xuống bằng một cái chao có l−ới. Khi đó chiều cao cho phép cực tiểu của lớp n−ớc có thể giảm đi hai lần. c) Hơi có thể bị dòng n−ớc kéo vào ống xuống complete 219
23. Hơi có thể bị dòng n−ớc (n−ớc lò) kéo xuống nếu tốc độ bơi lên của bọt hơi trong bao hơi nhỏ hơn tốc độ dòng đi xuống ωxh> ω , hay điều kiện để hơi bị kéo vào ống xuống là: 2 +0,15 1 ⎛⎞g2σρ3 ⎛⎞' ω>2,5 ω'' 3 ⎜⎟4 . (6-84) x0()⎜⎟⎜⎟ ⎝⎠ρ−ρ'''''⎝⎠ ρ Khi tăng hàm l−ợng muối của n−ớc lò thì tốc độ chuyển động đi lên của các bọt hơi bị giảm đi. Do vậy, đối với n−ớc lò có độ muối cao thì xác suất kéo hơi vào các ống xuống sẽ lớn hơn. 6.8. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy của tuần hoàn tự nhiên Chế độ tuần hoàn không tin cậy sinh ra tr−ớc hết ở những ống đ−ợc đốt nóng khác với mức độ đốt nóng trung bình. ở những ống bị đốt nóng nhiều, đặc biệt ở những lò hơi siêu cao áp, khi bội số tuần hoàn có giá trị nhỏ thì có khả năng xuất hiện các chế độ có trao đổi nhiệt kém. Ng−ợc lại sự hình thành mức n−ớc tự do (ngừng tuần hoàn) và tuần hoàn ng−ợc xảy ra tr−ớc hết ở những ống đ−ợc đốt nóng ít. Do vậy phải dùng những biện pháp về cấu tạo và vận hành làm cho các ống của vòng tuần hoàn hấp thu nhiệt giống nhau mới có thể tăng đ−ợc độ tin cậy tuần hoàn. Bằng cách phân đoạn các dàn ống có thể giảm sự chênh lệch về mức độ đốt nóng các ống sinh hơi của một vòng tuần hoàn. Mỗi vòng tuần hoàn nhỏ có ống n−ớc xuống riêng và ống lên hoặc ống dẫn hốn hợp từ ống góp trung gian riêng. Mỗi vòng tuần hoàn chỉ gồm một số ít ống nên mức độ đốt nóng chúng nh− nhau. Chiều rộng mỗi phân đoạn tuần hoàn bằng khoảng 1, 0ữ 1, 5 m. Biện pháp vạn năng nhất nhằm tăng độ tin cậy tuần hoàn là tăng tiết diện các ống n−ớc xuống. Khi đó cả l−u l−ợng n−ớc tuần hoàn tổng, cả l−u l−ợng n−ớc qua từng ống của vòng tuần hoàn sẽ đ−ợc tăng lên (xem hình vẽ 6.15). Lực hữu ích lúc đó giảm xuống và dự trữ để ngăn ngừa tuần hoàn ng−ợc và hình thành mức n−ớc tự do cũng sẽ giảm xuống. Với các lò hơi hiện đại tiết diện các ống n−ớc xuống bằng 25ữ 50% tiết diện các ống lên. Tốc độ n−ớc trong các ống n−ớc xuống không đ−ợc nhỏ hơn 0,6 ữ 0,8 m/s. complete 220
24. Hình 6.15. Hoàn thiện đặc tính tuần hoàn bằng cách tăng tiết diện các ống n−ớc xuống. Đối với vòng tuần hoàn tự nhiên có ống góp trung gian phải làm các ống dẫn hỗn hợp từ ống góp trung gian đến bao hơi có trở lực tối thiểu, đồng thời các giàn ống sinh hơi của vòng tuần hoàn này phải đ−ợc làm cao lên. complete 221
25. Ch−ơng 7. Chế độ n−ớc của lò hơi và các ph−ơng pháp thu nhận hơi sạch 7.1. Các tạp chất trong n−ớc thiên nhiên và những chỉ tiêu chất l−ợng của n−ớc 7.1.1. Các tạp chất trong n−ớc thiên nhiên Theo kích th−ớc hạt có thể chia các tạp chất thành 3 nhóm: + Tạp chất thô gồm các hạt có kích th−ớc >100 nanomet (1 nanomet = 10-9m); + Tạp chất keo gồm các hạt có kích th−ớc từ 1-100 nanomet; + Tạp chất ở dạng phân tử gồm các hạt có kích th−ớc < 1 nanomet. Những tạp chất thô làm đục n−ớc thiên nhiên và là những tạp chất cơ khí, gồm cát, đất sét và các hạt có nguồn gốc khoáng và nguồn gốc hữu cơ. Vật chất keo có kích th−ớc hạt nằm giữa vật chất thô và vật chất ở dạng phân tử. Các chất keo không lắng mặc dù thời gian rất dài. Các hợp chất của silic, nhôm, sắt và các chất hữu cơ hình thành do phân hủy động vật và thực vật nằm trong n−ớc thiên nhiên ở trạng thái keo đơn phân tán. Các muối, axit, kiềm và các khí hòa tan trong n−ớc thuộc về các chất phân tán ở dạng phân tử và dạng ion. Thành phần của n−ớc thiên nhiên đ−ợc xác định bởi các ion + 2+ 2+ + - 2- 2- sau: K , Ca , Mg , Na , Cl , SO4 , HSiO3 . Các ion còn lại nh−: 2- + - + - 2- 2+ 2+ CO3 , H , OH , NH4 , NO2 , NO3 , Fe , Cu , th−ờng có trong n−ớc thiên nhiên với một l−ợng không đáng kể, song chúng có ảnh h−ởng quan trọng đến các tính chất của n−ớc nói chung cũng nh− các đặc điểm của n−ớc trong lò hơi, trong đ−ờng n−ớc cấp và trong bình ng−ng của tuabin. Nguồn chính sinh ra các ion Ca2+ trong n−ớc thiên nhiên là đá vôi CaCO3 và một nguồn khác là thạch cao CaSO4.2H2O. Các ion 2+ Mg có trong n−ớc khi hòa tan dolomit (MgCO3.CaCO3) do đó có CO2 tự do trong n−ớc. 122
26. 7.1.2. Những chỉ tiêu chất l−ợng n−ớc Những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất l−ợng n−ớc gồm có hàm l−ợng các chất lơ lửng, chất khô, độ cứng toàn phần và các thành phần của nó, độ kiềm toàn phần và các thành phần của nó, nồng độ các ion hydro và hàm l−ợng các chất khí hòa tan có tác dụng ăn mòn kim loại nh− O2 và CO2. Để có chất l−ợng đầy đủ của n−ớc ng−ời ta xác định thêm hàm l−ợng các ion Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, các ion cacbonat, sunfat, silicat và các hợp chất của sắt, nhôm. 1. Hàm l−ợng các chất lơ lửng tính bằng mg/kg. 2. Chất khô của n−ớc là số l−ợng các chất keo và phân tử có nguồn gốc hữu cơ và nguồn gốc khoáng không bay hơi và đ−ợc hòa tan trong n−ớc, tính bằng mg/kg. Chất khô đ−ợc xác định bằng cách cho mẫu n−ớc đã lọc sơ bộ bốc hơi sau đó sấy phần không bay hơi ở 1100C đến khi khối l−ợng không thay đổi. 3. Độ cứng của n−ớc : là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất l−ợng n−ớc dùng cho lò hơi nhất là lò hơi nhà máy nhiệt điện. + Độ cứng toàn phần của n−ớc H0 bằng tổng nồng độ của các ion canxi (độ cứng canxi HCa) và các ion magie (độ cứng magie HMg), tính bằng mgđl/kg hay gđl/t hay à gđl/kg: H0 = HCa + HMg (7-1) Để tính đổi nồng độ canxi và magie từ đơn vị mg/kg sang mgđl/kg ta chia nồng độ của chúng cho khối l−ợng đ−ơng l−ợng của các cation ấy, tức là: C 2+ H = Ca , mgđl/kg (7-2) Ca 20,04 C 2+ H = Mg , mgđl/kg, (7-3) Mg 12,16 2+ 2+ C 2+ C 2+ trong đó: Ca và Mg là nồng độ các ion Ca và Mg có trong n−ớc, mgđl/kg; 20,04 và 12,16 là khối l−ợng đ−ơng l−ợng của Canxi và Magie. Độ cứng toàn phần của n−ớc đ−ợc phân thành độ cứng cacbonat và độ cứng không các bonat. 123
27. + Độ cứng cacbonat của n−ớc HC sinh ra chủ yếu do có các canxi bicacbonat Ca(HCO3)2 và magie bicacbonat Mg(HCO3)2 trong n−ớc. + Độ cứng không cacbonat của n−ớc HKC: Độ cứng này sinh ra do có các clorua, sunfat và các muối không cacbonat khác của Canxi và Magie nh−: CaCl2, MgCl2, CaSO4, MgSO4, CaSiO3, MgSiO3, Độ cứng không cacbonat còn gọi là độ cứng vĩnh cửu. Do đó độ cứng toàn phần của n−ớc H0 một mặt là bằng tổng các độ cứng canxi và magie và mặt khác bằng tổng các độ cứng cacbonat và không cacbonat. Phân loại n−ớc thiên nhiên theo độ cứng toàn phần nh− sau: H0 12,0 mgđl/kg – n−ớc có độ cứng rất cao. 4. Độ kiềm tổng quát của n−ớc K0 (mgđl/kg) là tổng nồng độ các - - 2- 3- - 2- anion OH , HCO3 , CO3 , PO4 , HSiO3 , SiO3 và các muối của các axit hữu cơ yếu có trong n−ớc. Tùy thuộc vào các anion gây ra độ kiềm mà ng−ời ta phân biệt thành: - a- độ kiềm hydrat Kh do có ion hydroxyl OH trong n−ớc tạo ra; 2- b- độ kiềm cacbonat KC do có ion cacbonat CO3 trong n−ớc; c- độ kiềm bicacbonat KbC do có các b160 - d- icacbonat HCO3 trong n−ớc. 5. Các vật chất hữu cơ Việc xác định trực tiếp nồng độ các vật chất hữu cơ thực tế không thể làm đ−ợc, nên hàm l−ợng của chúng đ−ợc xác định bằng con đ−ờng gián tiếp khi xác định độ oxy hóa của n−ớc dùng kali pemanganat KMnO4 làm chất oxy hóa trong môi tr−ờng axit. 6. Nồng độ ion hydro Các ion hydro H+ và hydroxyl OH- sinh ra trong n−ớc do phân hủy n−ớc: + - H2O ⇔ H + OH (7-4) 124
28. Các ion H+ có thể có trong dung dịch do phân hủy các axit, ví dụ: HCl ⇔ H+ + Cl- (7-5) Các ion OH- sinh ra do phân hủy chất kiềm, ví dụ: NaOH ⇔ Na+ + OH- (7-6) Trong n−ớc nguyên chất về hóa học ở 230C thì các nồng độ -7 C + C − H và OH bằng 10 g ion/kg và chúng đặc tr−ng phản ứng trung C -7 C hòa chất lỏng. Trong môi tr−ờng axit H+ > 10 g ion/kg > OH− , C -7 C trong môi tr−ờng kiềm thì ng−ợc lại H+ 7 > POH. Tính axit và tính kiềm Độ PH Axit yếu 4,0 – 6,5 Trung hòa 7,0 Kiềm yếu 7,5 – 10 Kiềm mạnh 11 – 14 7. Các chất khí hòa tan trong n−ớc. Các chất khí nh− N2, O2, CO2, hòa tan trong n−ớc. CO2 và O2 có tác dụng gây ăn mòn kim loại. Độ hòa tan của các chất khí trong n−ớc phụ thuộc vào nhiệt độ của n−ớc và phân áp suất của khí ở phía trên mặt n−ớc. 7.1.3. Chất l−ợng n−ớc thiên nhiên N−ớc thiên nhiên gồm n−ớc bề mặt nh− n−ớc sông, hồ, biển, hồ chứa n−ớc nhân tạo và n−ớc ngầm. Chất l−ợng n−ớc bề mặt nhất là n−ớc sông hồ thay đổi theo thời gian và mùa trong một năm, đồng thời theo chiều dài sông chất l−ợng n−ớc cũng khác nhau. N−ớc sông th−ờng chứa một số l−ợng t−ơng đối không lớn các muối hòa tan khoảng 500 ữ 600 mg/kg. N−ớc sông th−ờng có 2+ 2+ + - 2- - các cation Ca , Mg , Na và các anion HCO3 , SO4 , Cl . Chỉ tiêu pH của n−ớc sông th−ờng bằng 6,5 ữ 7,5. 125
29. N−ớc sông th−ờng chứa một số l−ợng nhất định các chất lơ lửng và dao động trong phạm vi rộng tùy thuộc vào l−ợng n−ớc m−a. N−ớc hồ và biển có tỷ lệ các cation và anion gần nh− nhau. Hàm l−ợng muối của n−ớc hồ và biển gần bằng 35 g/kg. Các ion chính của n−ớc biển là Na+ và Cl-. Độ cứng toàn phần của n−ớc hồ nằm trong phạm vi 215 ữ 225 mgđl/kg, trong đó độ cứng cacbonat bằng khoảng 15 mgđl/kg N−ớc ngầm có thành phần hóa học rất khác nhau. N−ớc d−ới đất chứa một l−ợng đáng kể CO2 hòa tan, sắt và H2S. 7.2. Nhiệm vụ chế độ n−ớc của lò hơi. N−ớc cấp cho lò hơi các nhà máy điện gồm n−ớc ng−ng của tuabin và n−ớc bổ sung đã đ−ợc xử lý để bù lại tổn thất n−ớc và hơi. ở các nhà máy nhiệt điện ng−ng hơi thuần túy các tổn thất n−ớc và hơi gồm hơi tiêu thụ để truyền động cơ cấu phụ, để thổi bụi tro bám bẩn các bề mặt đốt, thông hơi làm mát bộ quá nhiệt trong lúc đốt lò, để chèn tuabin hơi và rò rỉ ở những chỗ hở trên đ−ờng hơi, đ−ờng n−ớc; tổn thất này không lớn hơn 1 ữ 3% sản l−ợng định mức của phân x−ởng lò hơi. Vì thế n−ớc cấp cho lò hơi gồm 96 ữ 98 % n−ớc ng−ng của tuabin và 2 ữ 4 % n−ớc bổ sung. ở các trung tâm nhiệt điện l−ợng n−ớc ng−ng và n−ớc bổ sung dao động trong phạm vi rất rộng tùy thuộc đặc tính của các bộ tiêu thụ nhiệt (n−ớc nóng, hơi trích từ tuabin có trả lại n−ớc hay không, hơi lấy từ bộ quá nhiệt), trong một số tr−ờng hợp n−ớc bổ sung đạt đến 40 ữ 50% và có thể lớn hơn. Đôi khi n−ớc ng−ng do các bộ tiêu thụ hơi trả về đã bị bẩn nên không thể dùng ngay làm n−ớc cấp cho lò hơi đ−ợc. Các tạp chất không mong muốn có nh− các muối và hợp chất của các kim loại nặng thâm nhập vào n−ớc theo các đ−ờng khác nhau. Nguồn sinh ra các tạp chất chủ yếu là lọt (rò) n−ớc làm lạnh qua các chỗ hở trong các bình gia nhiệt cung cấp nhiệt của mạng nhiệt, Sự có mặt của các tạp chất trong n−ớc cấp có thể dẫn đến tạo ra cáu cặn bám trên bề mặt đốt của lò hơi và phá hủy chế độ làm việc bình th−ờng của lò, làm xấu chất l−ợng hơi và ăn mòn các chi tiết kim loại đ−ờng hơi và n−ớc. Vì thế để lò hơi làm việc liên tục và kinh tế thì nhiệm vụ của chế độ n−ớc phải: 126
30. 1- Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu sự tạo thành cáu bám trên các bề mặt truyền nhiệt (bề mặt đốt); 2- Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu quá trình ăn mòn kim loại đ−ờng n−ớc và hơi; 3- Đảm bảo thu đ−ợc hơi có độ sạch yêu cầu. 7.3. Sự tạo thành cáu cặn trong lò hơi và đ−ờng n−ớc cấp N−ớc cấp của lò hơi luôn luôn chứa một l−ợng nhất định các vật chất hòa tan nh− những hợp chất vô cơ không bay hơi và các chất bay hơi (chất khí). Mọi chất hòa tan trong n−ớc (trừ các chất khí, các axit cacbonic và silicic) đều bị phân hủy hoàn toàn tức là chúng là các chất điện phân mạnh. Các axit cacbonic và silicic là các chất điện phân yếu. N−ớc lò là dung dịch n−ớc của các hợp chất hóa học khác nhau, trong n−ớc lò xảy ra quá trình hóa lý phức tạp và kết quả là tách pha rắn ra khỏi dung dịch trực tiếp bám chắc trên bề mặt kim loại, gọi là cáu bám hoặc ở trạng thái các hạt lơ lửng trong n−ớc lò, gọi là bùn. Bùn càng tích tụ lại thì hoặc biến thành chất xốp không bám vào bề mặt kim loại và có thể dễ dàng xả ra ngoài hoặc bám vào bề mặt kim loại gọi là cáu thứ cấp. Sự tách pha cứng ra khỏi n−ớc lò có thể xảy ra do những nguyên nhân sau: 1- Do xảy ra phản ứng giữa các chất khác nhau có trong n−ớc; 2- Do giảm độ hòa tan một số muối khi tăng nhiệt độ (các muối có hệ số hòa tan âm); 3- Do tăng nồng độ muối trong n−ớc lò khi bay hơi. Sự phản ứng giữa các hợp chất khác nhau nằm trong n−ớc đ−ợc đốt nóng và bốc hơi có thể dẫn đến tạo thành và tách các chất khó hòa tan ra khỏi dung dịch. Các chất này là CaSO4, CaCO3, MgCO3, CaSiO3, và MgSiO3, các hydroxyt Ca(OH)2 và Mg(OH)2, Quá trình lắng các hợp chất khó hòa tan nói trên tuân theo quy luật tích số độ hòa tan. Quy luật này nói rằng trong dung dịch bão hòa của chất khó hòa tan thì tích số nồng độ các ion nằm trong dung dịch ở nhiệt độ đã cho là đại l−ợng không đổi: [C + ].[A − ] = TH = const , (7-7) n n Cn An 127
31. trong đó: + - [Cn ] và [An ] là nồng độ các cation và anion trong n−ớc; TH là giá trị bằng số của tích số độ hòa tan, giá trị này không đổi ở nhiệt độ đã cho với chất cho tr−ớc. Do đó nếu TH > [C + ].[A − ] thì dung dịch ch−a bão hòa Cn An n n và các chất cặn sẽ không lắng. Nếu TH < [C + ].[A − ] thì dung Cn An n n dịch quá bão hòa và xảy ra quá trình lắng cặn. Cho nên tích số độ hòa tan đặc tr−ng giới hạn độ hòa tan của chất điện phân ở nhiệt độ đã cho và phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất ấy. Ví dụ tích số độ hòa tan của một số chất nằm trong n−ớc đ−ợc diễn tả nh− sau: [Ca 2+ ].[SO 2− ]= TH 4 CaSO4 [Mg 2+ ].[SO 2− ] = TH 4 MgSO4 [Ca 2+ ].[SiO 2− ] = TH 3 CaSiO3 Sự giảm độ hòa tan của một số chất khi tăng nhiệt độ cũng dẫn đến lắng cặn. Ví dụ các muối hòa tan của canxi và magie có hệ số hòa tan âm. Quan hệ giữa độ hòa tan của các chất tạo thành cáu chủ yếu và một số hợp chất dễ hòa tan với nhiệt độ đ−ợc minh họa trong các hình vẽ 7.1 và 7.2. Sự tách (lắng) các chất chứa trong n−ớc cấp ra khỏi dung dịch xảy ra chủ yếu d−ới dạng tinh thể. Sự kết tinh các chất có thể xảy ra trên bề mặt kim loại và trong thể tích dung dịch. Những trung tâm của quá trình kết tinh bao gồm độ nhám của bề mặt, các hạt keo và các bọt khí nằm trong dung dịch, các hạt lơ lửng. Các chất tạo thành cáu là những chất bị kết tinh trên bề mặt kim loại d−ới dạng các chất lắng thể rắn liên kết chắc với kim loại. 128
32. Hình 7.1. Độ hòa tan của Hình 7.2. Độ hòa tan của các chất tạo thành cáu một số hợp chất dễ hòa chủ yếu có trong n−ớc tan có trong n−ớc Những chất bị kết tinh trong thể tích n−ớc lò d−ới dạng các tinh thể lơ lửng trong dung dịch gọi là bùn. Các hợp chất của canxi và magie ít hòa tan có mặt trong n−ớc lò chính là các chất tạo thành cáu bám. CaSiO3 tạo ra cáu cứng dính chặt vào vách ống kim loại. Cáu này có λ = 0,12 W / mK tức là nhỏ hơn 400 lần so với hệ số dẫn nhiệt của thép cacbon thông th−ờng. Cho nên khi có lớp cáu này rất mỏng cũng làm tăng rõ rệt nhiệt độ vách ống. CaSO4 cũng là cáu chắc, nó có λ = 0,23− 2,33 W / mK . CaCO3 có thể tạo ra các cáu cứng hay bùn. Các hợp chất silicat của magie nh− MgSiO3, 3MgO.2SiO2.2H2O tạo ra bùn và dễ thải ra ngoài. Sự tạo thành cáu cứng trên bề mặt ống sinh hơi xảy ra do kết quả của các quá trình hóa lý và điện hóa phức tạp, không những các chất tạo thành cáu mà cả các oxyt kim loại (sắt, nhôm, kẽm), các kim loại nguyên chất (đồng) và các chất dễ hòa tan đều tham gia vào các quá trình sinh cáu. 129
33. Cáu sinh ra trong lò hơi có các tính chất vật lý và tính chất hóa học khác nhau. Những chỉ tiêu chủ yếu của cáu là độ xốp, độ cứng và khả năng dẫn nhiệt. Tùy theo độ cứng và độ xốp của cáu mà xác định đ−ợc cấu tạo và thành phần hóa học của cáu và khả năng có thể thải cáu bằng biện pháp cơ khí hay không. Độ dẫn nhiệt của cáu tùy thuộc cấu tạo và thành phần hóa học của cáu. Để đảm bảo sự làm việc bình th−ờng của lò hơi cần đảm bảo chế độ làm việc không sinh ra cáu. Muốn vậy một mặt phải làm mềm thật sâu n−ớc bổ sung và khử hiện t−ợng lọt n−ớc tuần hoàn trong bình ng−ng, mặt khác phải đảm bảo chất l−ợng cần thiết của n−ớc lò. Mặc dầu có nhiều biện pháp dùng để nâng cao chất l−ợng n−ớc cấp và n−ớc lò nh−ng vẫn có cáu sinh ra nên phải dùng biện pháp cơ khí hay dùng axit để thải cáu ra ngoài. Để chống đóng cáu là các hợp chất của sắt, đồng trong ống sinh hơi và ống quá nhiệt (các loại này tạo ra lỗ thủng và rỗ kim) cần phải duy trì nồng độ sắt và đồng trong n−ớc lò và n−ớc cấp ở mức tối thiểu bằng cách khử khí hòa tan trong n−ớc. Bảng 7.1. Giá trị trung bình của hệ số dẫn nhiệt của một số cáu cặn Dạng cáu và thành phần hóa Hệ số dẫn nhiệt đ học của nó ặc tính của cáu λ ,W/mK Cáu chứa dầu Cứng 0,116 - 0,175 Cáu silicat (có hàm l−ợng SiO 2 Cứng 0,058- 0,232 bằng hoặc lớn hơn 20 – 25%) Cáu thạch cao (có hàm l−ợng Rắn, chắc 0,580 - 2,900 CaSO4 đến 50%) Từ bột không định Cáu cacbonat (có hàm l−ợng hình đến đá lò 0,580 - 7,000 CaCO + MgCO lớn hơn 50%) 3 3 cứng Cáu hỗn hợp gồm thạch cao, Cứng, chắc 0,800 - 3,500 cacbonat, silicat canxi và magie 7.4. Quá trình ăn mòn kim loại bề mặt truyền nhiệt 130
34. Sự ăn mòn kim loại bề mặt đốt của lò hơi là sự phá hủy kim loại d−ới tác dụng của môi tr−ờng xung quanh (hơi, n−ớc, khói) do các quá trình hóa học và điện hóa học. Quá trình phá hủy kim loại do t−ơng tác hóa học trực tiếp giữa kim loại với môi tr−ờng xung quanh là sự ăn mòn hóa học. Sự ăn mòn điện hóa học khác với sự ăn mòn hóa học ở chỗ các phản ứng xảy ra có kèm theo sinh ra dòng điện. Có các dạng ăn mòn sau (hình vẽ 7.3): Sự ăn mòn đồng đều là sự phá hủy kim loại xảy ra với tốc độ nh− nhau trên toàn bộ hay hầu nh− trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc với môi tr−ờng ăn mòn (xâm thực). Hình 7.3. Các dạng ăn mòn kim loại. 1-đồng đều; 2-vết loét; 3-điểm; 4-giữa các tinh thể; 5-xuyên ngang tinh thể. Trong tr−ờng hợp ăn mòn khu vực thì sự phá hủy kim loại xảy ra trên từng phần của bề mặt. Ăn mòn khu vực th−ờng có các dạng sau: ăn mòn điểm, vết, giữa các tinh thể, xuyên ngang tinh thể và lựa chọn. Ăn mòn vết xuất hiện trên từng phần nhỏ của bề mặt, nh−ng th−ờng đạt đến độ sâu đáng kể. Đ−ờng kính vết ở khoang n−ớc của bao hơi bằng 4 ữ 5mm, và ở những ống sinh hơi có khi thấy các hố rất lớn bị phủ bởi một lớp oxyt sắt dày. Khi đ−ờng kính vết bằng 0,2 ữ 1mm thì gọi là ăn mòn điểm và th−ờng ăn mòn điểm gây ra các lỗ xuyên thủng nên ăn mòn điểm là nguy hiểm nhất. Sự phá hủy kim loại trên biên của các hạt gọi là ăn mòn giữa các tinh thể. Khi ấy độ bền cơ học của kim loại bị giảm và có thể hình thành các vết rạn giữa các tinh thể. Dạng ăn mòn này có ở những ống thép ôstenit. Khi ăn mòn xuyên qua tinh thể thì vết rạn đi xuyên qua hạt kim loại. 131
35. Tất cả các dạng h− hỏng kim loại do ăn mòn đều có thể có trong lò hơi và th−ờng có sự kết hợp một số dạng h− hỏng do ăn mòn. Tốc độ ăn mòn đều và ăn mòn vết đ−ợc xác định theo độ giảm khối l−ợng của phần tử bị ăn mòn, tính bằng g/m2h hay theo chiều sâu ăn mòn tính bằng mm/năm. Khi chọn tốc độ ăn mòn cho phép trong đ−ờng n−ớc cấp cần phải kể đến sự tăng lên của hàm l−ợng tạp chất trong n−ớc cấp, chủ yếu là các hợp chất sắt ít hòa tan. Các sản phẩm ăn mòn trong n−ớc cấp làm tăng hàm l−ợng bùn trong lò hơi, bùn này cũng tham gia vào sự tạo ra cáu bám trên bề mặt đốt. Khi n−ớc l−u động trong vòng tuần hoàn với tốc độ nhỏ thì bùn nằm lại ở ống góp hay ở tiết diện vào của ống sinh hơi do đó làm giảm tiết diện cho n−ớc đi hoặc có thể làm tắc đ−ờng n−ớc. Không cho phép xảy ra sự phá hủy kim loại do ăn mòn giữa các tinh thể vì nó làm giảm độ bền cơ học của kim loại mặc dù tổn thất khối l−ợng nhỏ hơn nhiều so với ăn mòn đều và ăn mòn vết. Trong bảng 7.2 cho biết sự phân loại c−ờng độ ăn mòn ở các ống sinh hơi và ống hâm n−ớc. (Thời hạn phục vụ của ống là 20 năm đ−ợc lấy làm cơ sở để tính tốc độ ăn mòn cho phép). Bảng 7.2. C−ờng độ ăn mòn các ống sinh hơi và ống hâm n−ớc (thời hạn phục vụ của ống là 20 năm) Tốc độ ăn Tốc độ ăn mòn vết Đặc tính của mòn đều, loét, mm/năm Vết nứt do ăn quá trình ăn mm/năm mòn mòn Trung, Trung áp Cao áp cao áp Thực tế là 0,00 – 0,00 – 0,00 – Không có không có 0,05 0,05 0,02 Ăn mòn yếu 0,05 – 0,00 – 0,03 – Không có 0,10 0,20 0,08 Ăn mòn cho 0,10 – 0,20 – 0,08 – Không có phép 0,15 0,30 0,12 Ăn mòn mạnh 0,15 – 0,30 – 0,13 – Phát hiện đ−ợc 0,60 1,20 0,40 Ăn mòn sự cố ≥ 0,60 ≥ 1,20 ≥ 0,40 Phát hiện thấy 132
36. Để phòng ngừa ăn mòn và ngăn ngừa các sản phẩm ăn mòn làm bẩn n−ớc cấp cần phải biết cơ chế và các điều kiện tiến hành quá trình ăn mòn. Trong lò hơi có cả ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa học và nhiều khi cả hai quá trình này xảy ra đồng thời. * Ăn mòn hóa học thuần túy: ví dụ ăn mòn của hơi n−ớc trong các ống của bộ quá nhiệt do oxy hóa kim loại bởi hơi quá nhiệt: 3Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4H2 (7-8) Dạng ăn mòn này có đặc tính đồng đều. Màng oxyt sắt Fe3O4 có tác dụng bảo vệ bề mặt ống khỏi bị ăn mòn tiếp theo. ở các ống sinh hơi ăn mòn do hơi n−ớc chỉ xảy ra khi phá hủy thủy động của chúng nh− phân lớp hỗn hợp hơi n−ớc và ngừng tuần hoàn. Những yếu tố cơ bản ảnh h−ởng đến c−ờng độ ăn mòn hơi n−ớc là nhiệt độ và thành phần hóa học của kim loại. Đối với thép cacbon ở nhiệt độ < 5000C thì tốc độ ăn mòn hơi n−ớc có trị số nhỏ. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì tốc độ ăn mòn tăng lên nhanh chóng. Khi bổ sung các nguyên tố hợp kim nh− Mo, Cr, Ni vào thép thì tính ổn định chống ăn mòn bởi hơi n−ớc của thép sẽ tăng lên. * Ăn mòn điện hóa học: Nhiều quá trình ăn mòn kim loại trong lò hơi là quá trình điện hóa học. Sự ăn mòn này xảy ra do tác dụng của các khí có hoạt tính ăn mòn nh− O2, CO2, của dung dịch các chất điện phân (các muối, các axit, các chất kiềm) có sinh ra dòng điện đi từ phần này đến phần khác của kim loại. Sở dĩ sinh ra dòng điện vì khi kim loại tiếp xúc với các chất điện phân thì trên bề mặt kim loại sinh ra các pin điện rất nhỏ. Nguyên nhân xuất hiện các pin điện nhỏ chủ yếu là do tính không đồng nhất về điện hóa học của bề mặt phân chia giữa kim loại và chất điện phân do bề mặt kim loại không đồng nhất, khi có cáu bám trên từng phần của bề mặt đốt, do chất điện phân có nồng độ khác nhau và do phân bố không đồng đều các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại. Hiệu điện thế của các pin điện (gây ăn mòn) chỉ đáng kể trong giai đoạn đầu khi sinh ra các pin điện ấy, sau một khoảng thời gian rất ngắn hiệu điện thế này sẽ giảm xuống rõ rệt. Sự giảm hiệu điện thế ban đầu của các điện cực của pin điện nhỏ khi có dòng điện đi qua gọi là sự phân cực. Vì thế sự phân cực sẽ làm giảm c−ờng độ ăn mòn. Sự phân cực bị giảm đi khi trong chất điện phân có các chất có khả năng phục hồi thế điện cực. Những chất nh− vậy gọi là chất khử cực và quá trình giảm phân cực gọi là quá trình khử cực. 133
37. Ng−ời ta phân biệt sự khử cực anot và sự khử cực catot. Sự khử cực anot đ−ợc đặc tr−ng bằng sự chuyển kim loại vào dung dịch và giải phóng các (điện tử) electron; sự khử cực catot đặc tr−ng bởi sự tiếp nhận các electron của chất khử cực và do đó c−ờng độ dòng điện ăn mòn sẽ tăng lên. Chất khử cực (ăn mòn) hoạt tính nhất là oxy hòa tan trong n−ớc, nó gây ra sự khử cực catot rất mạnh do nhận các electron và tạo ra các ion hydroxyl: - 4e + O2 +2H2O → 4OH (7-9) Các ion hydro nằm trong n−ớc cũng gây ra sự khử cực catot (sự khử cực hydro) do kết hợp các electron mà chúng biến thành các phân tử hydro: + 2e + 2H → H2 (7-10) Kết quả của các quá trình ăn mòn là ở anot có sự tăng nồng độ các ion kim loại, còn ở catot có sự tích tụ các ion OH-. Khi chúng t−ơng tác với nhau sẽ tạo ra hydroxyt sắt hai: 2+ - Fe + 2OH → Fe(OH)2 (7-11) Khi trong n−ớc có oxy hòa tan thì Fe(OH)2 chuyển thành Fe(OH)3 không hòa tan trong n−ớc: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (7-12) Quá trình này làm giảm nồng độ các ion sắt trong dung dịch ở anot và do đó dẫn đến tăng c−ờng sự ăn mòn do khử cực anot. CO2 tự do có trong n−ớc cũng làm tăng quá trình ăn mòn và khi đồng thời có O2 và CO2 trong n−ớc sẽ xảy ra song song các quá trình khử cực oxy và khử cực hydro. Cho nên điều kiện quan trọng phòng ngừa ăn mòn điện hóa học là khử khí cho n−ớc, tức là thải O2 và CO2 ra khỏi n−ớc. 7.5. Chế độ n−ớc của lò hơi Chế độ n−ớc của lò hơi phải đ−ợc tổ chức nh− thế nào để đảm bảo sự làm việc tin cậy và kinh tế của lò và hơi sản xuất ra có chất l−ợng cao. Tr−ớc hết phải đảm bảo chất l−ợng n−ớc cấp, phải có những yêu cầu nhất định đối với các tạp chất có trong n−ớc cấp cho lò hơi. Chế độ n−ớc ở lò hơi có bao hơi khác ở lò hơi trực l−u. ở lò hơi có bao hơi chế độ n−ớc đ−ợc xác định bởi áp suất hơi, còn ở lò hơi trực l−u thì chất l−ợng n−ớc cấp phải nh− nhau đối với bất kỳ ấp suất nào. 134
38. Việc tổ chức tốt chế độ n−ớc của lò hơi sẽ ngăn ngừa sự sinh cáu và loại trừ sự ăn mòn và giảm sự bám muối trong phần truyền hơi của tuabin. 7.5.1. Chế độ n−ớc của lò hơi có bao hơi (lò hơi tuần hoàn tự nhiên) Tiêu chuẩn chất l−ợng n−ớc cấp cho lò hơi có bao hơi phải thỏa mãn những yêu cầu trong bảng 7.3. Bảng 7.3. Tiêu chuẩn chất l−ợng n−ớc cấp cho lò hơi có bao hơi, tuần hoàn tự nhiên. Hàm l−ợng cho phép tối đa trong n−ớc cấp Hợp Độ Axit chất áp suất cứng silic Hợp chất Oxy đồng hơi trong toàn tính sắt tính hòa tính Dầu, bao hơi phần, đổi đổi sang tan, đổi mg/k của lò, à gđl/ sang Fe, à g/kg sang g Mpa SiO 2- , à g/kg kg 3 Cu, à g/kg à g/kg 10,0 5 50 10 20 10 0,5 Độ pH của n−ớc cấp phải nằm trong phạm vi 7,0 – 8,5. Việc hạn chế đại l−ợng này và hàm l−ợng oxy trong n−ớc nhằm ngăn ngừa ăn mòn điện hóa học trong đ−ờng hơi n−ớc của lò hơi. Không thể đảm bảo chế độ làm việc của lò hơi không có cáu chỉ bằng cách tuân theo các tiêu chuẩn chất l−ợng n−ớc cấp mà còn phải thải ra ngoài lò các tạp chất có trong n−ớc lò bằng cách xả liên tục, xả định kỳ và xử lý n−ớc bên trong lò hay xử lý n−ớc lò ( ph−ơng pháp hiệu chỉnh). Để xử lý n−ớc lò th−ờng dùng natriphotphat Na3PO4. Khi tăng rõ rệt độ kiềm của n−ớc lò ng−ời ta dùng natri hidrophotphat Na2HPO4, những chất này kết hợp với các chất tạo thành cáu rồi tách ra khỏi dung dịch d−ới dạng bùn và đ−ợc xả ra ngoài, ph−ơng pháp này gọi là ph−ơng pháp photphat hóa n−ớc lò. Các phản ứng hóa học xảy ra nh− sau: 2Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 ↓ + 6NaHCO3; (7-13) 2Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 ↓ + 6NaHCO3; (7-14) 135
39. Trong ph−ơng pháp này các cation Ca2+ kết hợp với các ion photphat để tạo ra Ca3(PO4)2 hoặc ứng với độ kiềm xác định của 2+ n−ớc sẽ tạo ra hydroxyl apatit Ca10(PO4)6(OH)2, còn các ion Mg sẽ lắng d−ới dạng photphat 3 magie Mg3(PO4)2. Cả hai hợp chất này ít hòa tan trong n−ớc. Photphat hóa n−ớc lò bằng cách cho vào bao hơi một l−ợng photphat đủ để t−ơng tác với chất tạo thành cáu có trong n−ớc lò và còn d− một l−ợng nào đó. Trong điều kiện nh− vậy thì hàm l−ợng các ion Ca2+ và Mg2+ trong n−ớc sẽ nhỏ đến mức loại trừ đ−ợc sự 3- sinh cáu. L−ợng d− PO4 bằng khoảng 7 ữ 15 mg/l. Ph−ơng pháp khác bảo vệ kim loại khỏi bị tác dụng của kiềm nồng độ cao trong lò hơi là giảm tính ăn mòn của n−ớc lò bằng cách duy trì một tỷ lệ nhất định giữa nồng độ kiềm hydrat và các ion khác. Tiêu chuẩn chất l−ợng n−ớc lò và chế độ xả lò phải đ−ợc xác định cho từng lò hơi trên cơ sở thí nghiệm nhiệt hóa. Cần l−u ý là phải đảm bảo thu đ−ợc hơi có chất l−ợng phù hợp với yêu cầu. 7.5.2. Chế độ n−ớc của lò hơi trực l−u. ở những lò hơi trực l−u không có bộ phận phân ly amar thì toàn bộ n−ớc cấp đ−ợc bốc hơi. Vì không đ−ợc xả ra ngoài nên mọi tạp chất có trong n−ớc cấp hoặc sẽ bám lên bề mặt đốt của lò hơi hoặc bay theo hơi vào tuabin. Do vậy phải đặt ra những yêu cầu khắt khe đối với chất l−ợng n−ớc cấp cho lò hơi trực l−u không có bộ phân ly ẩm (xem bảng 7.4). Bảng 7.4. Tiêu chuẩn chất l−ợng n−ớc đối với lò hơi trực l−u không có bộ phân ly ẩm Hàm l−ợng cho Các chỉ tiêu chất l−ợng n−ớc cấp phép tối đa - Độ cứng toàn phần, à gđl/kg 1 2- - Axit silic tính đổi sang SiO3 , à g/kg 20 - Các hợp chất Natri tính đổi sang Na2SO4, à g/kg 50 - Độ pH 7,0-8,5 - Hàm l−ợng oxy hòa tan, à g/kg 10 136
40. - Hàm l−ợng hợp chất sắt tính đổi sang Fe, à g/kg 20 - Hàm l−ợng hợp chất đồng đổi sang Cu, à g/kg 10 - Hàm l−ợng dầu, mg/l Chỉ có vết Để ngăn ngừa ăn mòn đ−ờng hơi n−ớc của lò hơi trực l−u cần khử khí bằng nhiệt thật tốt cho n−ớc cấp, độ pH của n−ớc cấp < 7,0. Ngoài khử khí bằng nhiệt ng−ời ta còn cho thêm hydrazyn N2H4 vào n−ớc cấp, nó sẽ liên kết với oxy d− trong n−ớc cấp theo ph−ơng trình sau: N2H4 + O2 → N2 + 2H2O (7-15) Việc dùng hydrazyn để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn đặc biệt có hiệu quả. Muốn vậy cấp n−ớc có hydrazyn với số l−ợng khoảng 15 ữ 20 mg/l vào lò. 7.6. Các ph−ơng pháp xử lý n−ớc cấp cho lò hơi Xử lý n−ớc tr−ớc khi cấp vào lò hơi để khử đến mức tối thiểu những vật chất tan và không tan có trong n−ớc. D−ới đây sẽ trình bày các ph−ơng pháp xử lý n−ớc th−ờng dùng. 7.6.1. Xử lý n−ớc bằng ph−ơng pháp lắng cặn Tùy theo hóa chất dùng mà ta có ph−ơng pháp xử lý nh− sau: Ph−ơng pháp xử lý Hóa chất dùng Vôi hóa Ca(OH)2 Vôi – xô đa Ca(OH)2 + Na2CO3 Xút NaOH Xút – xô đa NaOH + Na2CO3 Xút – vôi NaOH + Ca(OH)2 Việc làm mềm n−ớc bằng ph−ơng pháp lắng cặn dựa trên cơ sở chuyển các muối hòa tan trong n−ớc thành những hợp chất ít hòa tan và lắng xuống. Muốn vậy đ−a vào n−ớc ion hydroxyl (OH-) và 2- ion cacbonat (CO3 ). Hóa chất dùng là vôi tôi Ca(OH)2, xút NaOH, xô đa Na2CO3, Na3PO4 (ba natri photphat), BaCO3, Ba(OH)2, - BaAl2O3,Khi dùng Ca(OH)2 hoặc NaOH, thì các ion OH phản ứng - 2+ với các ion HCO3 là những độ cứng cacbonat, với các ion Mg và với khí CO2 hòa tan trong n−ớc: 137
41. - - 2- HCO3 + OH → H2O + CO3 (7-16a) - 2- CO2 + 2OH → H2O + CO3 (7-16b) 2- 2+ Ion CO3 kết hợp với ion Ca tạo ra CaCO3 ít hòa tan và lắng xuống: 2+ 2- Ca + CO3 → CaCO3 ↓ (7-17) Khi OH- t−ơng tác với Mg2+ sẽ tạo ra magie hydroxyt ít hòa tan: 2+ - Mg + OH → Mg(OH)2 ↓ (7-18) Cho nên vôi chuyển các muối canxi của độ cứng cacbonat (của n−ớc) và mọi muối magie thành cặn. Ngoài ra vôi làm lắng sắt, một phần axit silicic và liên kết với CO2. Khi bổ sung Na2CO3 thì 2- 2+ ion cacbonat CO3 phản ứng với Ca của độ cứng không cacbonat để tạo ra CaCO3: 2- 2+ CO3 + Ca → CaCO3 (7-19) Khi t−ơng tác giữa xô đa và vôi thì sinh ra NaOH, chất này tham gia vào phản ứng lắng cặn: Ca(OH)2 + Na2CO3 → 2NaOH + CaCO3 ↓ (7-20) Khi lắng các muối của độ cứng cacbonat thì hàm l−ợng muối trong n−ớc mềm giảm xuống. Sự kết tinh và tách cặn sẽ bị chậm lại khi có chất hữu cơ trong n−ớc. Vì thế để tăng c−ờng quá trình thì đồng thời với việc làm mềm n−ớc ng−ời ta cũng tiến hành keo tụ n−ớc. Để làm việc này phải đốt nóng n−ớc mềm và đ−a vào một l−ợng d− chất phản ứng. Khi không đốt nóng thì độ cứng có thể giảm đến 1,4 ữ 1,8 mgđl/l, khi độ kiềm bằng 2,0 ữ 2,5 mgđl/l mà đốt nóng 70 ữ 800C thì độ cứng giảm đến 0,3 ữ 0,35 mgđl/l. 7.6.2. Xử lý n−ớc bằng ph−ơng pháp trao đổi ion (cation và anion). Dùng ph−ơng pháp lắng cặn không thể làm mềm hoàn toàn n−ớc thiên nhiên. Vì thế th−ờng dùng sơ đồ phối hợp, trong đó xử lý sơ bộ bằng cách lắng cặn và kết thúc bằng ph−ơng pháp trao đổi ion. Xử lý n−ớc bằng ph−ơng pháp trao đổi ion dựa vào khả năng của một số chất thực tế không hòa tan trong n−ớc gọi là các chất trao đổi ion hay ionit, chất này làm thay đổi thành phần ion của n−ớc theo h−ớng mong muốn. Xử lý bằng trao đổi ion khác về nguyên lý với ph−ơng pháp lắng cặn ở chỗ tạp chất đ−ợc thải ra khỏi n−ớc không tạo ra cặn và việc xử lý này không yêu cầu định l−ợng (pha chế) liên tục chất 138
42. phản ứng. Do vậy việc vận hành thiết bị xử lý n−ớc bằng trao đổi ion đơn giản hơn, kích th−ớc thiết bị nhỏ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn nhiều so với thiết bị xử lý bằng ph−ơng pháp lắng cặn. Thời gian của chu trình làm việc của thiết bị trao đổi ion đ−ợc xác định bởi dung tích trao đổi của ionit tức là khả năng trao đổi ion của nó. Sau một thời gian làm việc thì khả năng trao đổi ion của ionit giảm đi do đó phải hoàn nguyên (tái sinh) để khôi phục khả năng trao đổi ion ban đầu của ionit. 7.6.2.1. Xử lý n−ớc bằng ph−ơng pháp trao đổi cation Các cation th−ờng dùng là Natri NaR, hydro HR và amoni NH4R, trong đó R là gốc của cationit. Vật liệu cationit cần có đủ độ bền cơ học, độ bền hóa học và có khả năng trao đổi ion lớn. Dung tích hấp thụ biểu thị bằng gam đ−ơng l−ợng các ion canxi và magie tính cho 1 m3 hạt. Khi dùng cationit natri thì xảy ra sự trao đổi ion theo các phản ứng sau: 2+ + - 2+ - + Ca + 2Na R → Ca R2 + 2Na (7-21a) 2+ + - 2+ - + Mg + 2Na R → Mg R2 + 2Na (7-21b) hoặc: 2NaR + Ca(HCO3)2 → CaR2 + 2NaHCO3; (7-21c) 2NaR + CaSO4 → CaR2 + Na2SO4; (7-21d) 2NaR + CaCl2 → CaR2 + 2NaCl; (7-21e) 2NaR + Mg(HCO3)2 → MgR2 + 2NaHCO3; (7-21f) 2NaR + MgSO4 → MgR2 + Na2SO4; (7-21g) 2NaR + MgCl2 → MgR2 + 2NaCl. (7-21h) Do quá trình trao đổi cation mà độ cứng còn lại của n−ớc giảm đến 10 à gđl/kg và thấp hơn, độ kiềm và các thành phần anion không thay đổi còn hàm l−ợng muối thì tăng lên một ít. Nh−ợc điểm cơ bản của trao đổi cation Natri NaR là biến đổi độ cứng cacbonat thành natri bicacbonat làm tăng độ kiềm natri của n−ớc lò, vì trong lò hơi NaHCO3 đ−ợc biến thành Na2CO3 và NaOH: + - 2+ Ca(HCO3)2 + 2Na R → Ca R2 + 2NaHCO3; (7-22a) 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 ↑ + H2O; (7-22b) Na2CO3 + H2O → 2NaOH + CO2 ↑ . (7-22c) Để hoàn nguyên NaR ta dùng NaCl có nồng độ 6 ữ 8%, phản ứng xảy ra nh− sau: 139
43. CaR + 2NaCl → 2NaR + CaCl2; (7-23a) MgR + 2NaCl → 2NaR + MgCl2. (7-23b) Khi dùng cationit hydro ta có các phản ứng sau: 2+ + - 2+ - + Ca + 2H R → Ca R2 + 2H ; (7-24a) 2+ + - 2+ - + Mg + 2H R → Mg R2 + 2H ; (7-24b) hoặc: 2HR + Ca(HCO3)2 → CaR2 + 2H2O + CO2; (7-25a) 2HR + Mg(HCO3)2 → MgR2 + 2H2O + CO2; (7-25b) 2HR + CaSO4 → CaR2 + H2SO4; (7-25c) 2HR + MgCl2 → MgR2 + 2HCl; (7-25d) 2HR + CaCl2 → CaR2 + 2HCl. (7-25e) Kết quả là độ cứng toàn phần giảm đến 10 à gđl/kg và thấp hơn, độ cứng cacbonat đ−ợc khử hoàn toàn, do đó hàm l−ợng muối giảm đi và khử đ−ợc độ kiềm của n−ớc. Vì trong quá trình trao đổi HR mọi cation trong n−ớc đ−ợc thay thế bằng H+ nên các sunfat, clorua, và nitrat canxi có trong dung dịch sẽ biến thành các axit khoáng tự do (H2SO4, HCl, ) do đó tính axit của n−ớc tăng lên. Th−ờng ng−ời ta phối hợp hai ph−ơng pháp trao đổi NaR và HR để độ kiềm của n−ớc sau khi qua bình NaR đ−ợc trung hòa bởi axit sinh ra khi n−ớc đi qua bình HR (hình vẽ 7.4) Hình 7.4. Sơ đồ bố trí các bình trao đổi cation NaR và HR a-khi trao đổi cation Na; b-khi bố trí nối tiếp bình HR và bình NaR; c-khi kết hợp HR và NaR trong một bình; d-khi bố trí song song bình HR và bình NaR. 1-đ−ờng 140
44. cấp n−ớc cứng; 2-bình NaR; 3-bình hòa tan muối; 4-bể dung dịch; 5-bể n−ớc để rửa ng−ợc; 6-đ−ờng n−ớc mềm đi ra; 7-thùng chứa H2SO4; 8-bình HR; 9-bộ phận thải CO2; 10-quạt gió;11-bể chứa n−ớc trung gian; 12-bơm; 13-bình NaR cấp 2 - + HCO3 + H → H2O + CO2 (7-26) Để hoàn nguyên HR ta dùng axit sunfuric có nồng độ 1,0 ữ 1,5% hay axit clohydric. Khi dùng H2SO4 để tái sinh HR sẽ xảy ra phản ứng sau: CaR2 + H2SO4 → 2HR + CaSO4; (7-27a) MgR2 + H2SO4 → 2HR + MgSO4. (7-27b) Khi dùng cationit amon độ cứng của n−ớc giảm đến còn rất nhỏ nh−ng các muối amon tạo thành khi đ−a vào lò hơi sẽ bị phân hủy nhiệt để tạo ra NH3 và các axit: NH4Cl → NH3 ↑ + HCl; (7-28a) (NH4)2SO4 → 2NH3 ↑ + H2SO4; (7-28b) Sự có mặt của NH3 và oxy trong n−ớc sẽ gây ăn mòn các hợp kim đồng. Th−ờng sử dụng phối hợp ph−ơng pháp này với ph−ơng pháp trao đổi NaR. Để hoàn nguyên cationit amon ta dùng các muối amon: CaR2 + 2NH4Cl → 2NH4R + CaCl2 (7-29) 7.6.2.2. Xử lý n−ớc bằng ph−ơng pháp trao đổi anion Các anion của muối và axit trong n−ớc sẽ trao đổi với gốc của anionit theo phản ứng sau: 2RaOH + H2SO4 = Ra2SO4 + 2H2O (7-30a) RaOH + HCl = RaCl + H2O (7-30b) Ng−ời ta cũng dùng các anionit khác nhau nh−: Ra2CO3, RaHCO3 Trao đổi anion sẽ khử đ−ợc triệt để các axit trong n−ớc, vì thế ng−ời ta đặt bình HR tr−ớc bình trao đổi anion 7.6.3. Các ph−ơng pháp xử lý n−ớc khác: - Dùng điện tr−ờng, từ tr−ờng, siêu âm để xử lý n−ớc cho các lò hơi công nghiệp. - Ch−ng cất n−ớc để lấy hơi và sau đó cho hơi ng−ng tụ lại thành n−ớc ng−ng để làm n−ớc cấp cho lò hơi. 141
45. 7.7. Độ sạch của hơi 7.7.1. Yêu cầu về độ sạch của hơi Chất l−ợng hơi do lò sản xuất ra gồm các thông số (áp suất và nhiệt độ) và độ sạch của hơi tức là số l−ợng và thành phần của các tạp chất nh− các muối và khí chứa trong hơi. Mức độ làm viêc kinh tế của tuabin hơi phụ thuộc đáng kể vào các thông số của hơi và vào độ sạch của hơi. Các tạp chất chứa trong hơi đặc biệt là các muối sẽ bám vào các ống của bộ quá nhiệt và vào phần truyền hơi của tuabin hơi. Khi muối bám vào phần truyền hơi của tuabin hơi sẽ gây hậu quả có hại: - Làm giảm độ kinh tế của tuabin vì độ nhám của cánh quạt tăng lên và biên dạng (profile) của các rãnh bị sai đi, sẽ làm tăng tổn thất thủy lực. - Làm tăng giáng áp giữa các tầng tuabin do đó làm tăng ứng suất trong các cánh quạt và tăng áp suất trong các ổ chắn dầu, tạo sự tăng giáng áp giữa các tầng làm giảm l−u l−ợng hơi qua tuabin và do đó làm giảm công suất của tuabin, kết quả là không sản suất đủ điện năng. Nếu có cáu dễ hòa tan bám trên cánh quạt thì có thể rửa tuabin bằng hơi ẩm, muốn vậy phải giảm công suất trong một số giờ (có thể giảm đến còn 50% công suất định mức). Những cáu khó hòa tan trong n−ớc nh− SiO2 và cáu chứa Cu không thể khử bằng cách dùng n−ớc để rửa mà rửa phức tạp hơn, có khi phải mở tuabin ra để cạo sạch cáu bám tức là dùng dung dịch kiềm, dùng ph−ơng pháp cơ khí. Thông số hơi càng cao thì yêu cầu đối với độ sạch của hơi cũng tăng lên. Phải dùng các biện pháp khác nhau để thu đ−ợc hơi sạch tức là hơi có chứa ít tạp chất (bay hơi và không bay hơi). Các tạp chất bay hơi gồm: N2, NH3, CO2 và H2. Trừ CO2 còn các khí khác không tham gia tạo thành cặn bẩn trong tuabin. Các tạp chất không bay hơi có trong hơi gồm các chất rắn hòa tan hay lơ lửng trong n−ớc lò. Các tạp chất không bay hơi này có thể bám trong đ−ờng hơi. Hàm l−ợng các tạp chất không bay hơi nằm trong hơi bão hòa có thể biểu diễn nh− sau: 142
46. C h = 0.01(ω + K p )C n ,àg/kg (7-31) hay K C = C ,àg/kg (7-32) h 100 n trong đó: Cn là hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc lò, àg/kg ; K là hệ số bay muối: K = ω + K p , %; ω là độ ẩm của hơi, %; Kp là hệ số phân bố hợp chất đã cho giữa hơi bão hòa và n−ớc sôi, %. Yêu cầu cơ bản đối với chất l−ợng hơi là duy trì các tạp chất không bay hơi có trong hơi ở mức độ đảm bảo sự làm việc của tuabin trong một thời gian dài mà không có sự giảm rõ rệt độ kinh tế và không hạn chế công suất. Trong bảng 7.5 giới thiệu tiêu chuẩn chất l−ợng của hơi. Bảng 7.5. Tiêu chuẩn chất l−ợng hơi. áp suất Hàm l−ợng cho phép tối đa trong hơi Các hợp chất natri Axit silic tính đổi hơi ở CO tự do, tính đổi sang sang SiO 2-, 2 tuabin, 3 àg/kg Mpa Na2SO4, àg/kg àg/kg 10 50 ữ 80 20 ữ 30 2 ữ 7 Độ sạch của hơi quá nhiệt ở lò hơi có bao hơi đ−ợc xác định bởi độ sạch của hơi bão hòa, vì vậy ta phải biết nguyên nhân làm bẩn hơi bão hòa và có biện pháp để thu đ−ợc hơi bão hòa sạch. 7.7.2. Nguyên nhân làm bẩn hơi bão hòa: Nguyên nhân cơ bản làm bẩn hơi bão hòa là các giọt n−ớc lò bị cuốn theo hơi. Trong các giọt ẩm do hơi cuốn theo có chứa các muối hòa tan hay muối lơ lửng và các hạt bùn mịn. Nguyên nhân thứ hai làm bẩn hơi bão hòa là có một số muối nh−: muối Silic, sắt, đồng,hòa tan trong hơi bão hòa cao áp. 143
47. Để đảm bảo hơi có độ sạch cao nhất khi chất l−ợng n−ớc cấp đã cho thì phải làm sao thu đ−ợc hơi bão hòa có độ khô tối đa và giảm nồng độ của các chất hòa tan trong hơi đến mức tối thiểu. 7.8. Sự cuốn cơ học các giọt ẩm theo hơi bão hòa Độ ẩm của hơi bão hòa phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh−: phụ tải của lò, chiều cao của khoang hơi, hàm l−ợng muối của n−ớc lò và điều kiện cấp hỗn hợp hơi n−ớc vào bao hơi của lò hơi. Khi các bọt hơi đi ra khỏi mặt n−ớc thì vỏ của bọt bị vỡ ra và tạo ra một số nhất định các giọt ẩm lớn và một tập hợp các giọt ẩm mịn. Khi sủi bọt hơi qua n−ớc thì kích th−ớc và số l−ợng các giọt ẩm đ−ợc sinh ra phụ thuộc vào động năng của bọt hơi vào các thông số vật lý của n−ớc, của hơi và hàm l−ợng muối trong n−ớc lò. Khi tăng tốc độ chuyển động của các bọt hơi qua mặt bốc hơi thì một mặt làm tăng số l−ợng các giọt ẩm đ−ợc sinh ra và mặt khác số giọt ẩm có kích th−ớc lớn cũng tăng lên. Sự tăng động năng của dòng hỗn hợp hơi n−ớc khi cấp hỗn hợp này vào khoang hơi của bao hơi cũng sẽ làm tăng số l−ợng và kích th−ớc các giọt ẩm. Ng−ời ta đã xác định độ ẩm của hơi phụ thuộc vào phụ tải của lò hơi (xem hình vẽ 7.5) và có thể biểu diễn nh− sau: ω = A D n (7-33) Hình 7.5. Quan hệ giữa độ ẩm của hơi và phụ tải lò hơi. Ng−ời ta phân biệt ba vùng trong quan hệ x = f(D) 144
48. Vùng 1: ứng với độ ẩm rất nhỏ của hơi ω 0,2% , n ≥ 10 . Bởi vậy hơi có độ sạch cao nhất khi lò làm việc ở phụ tải ứng với đầu vùng thứ hai có n = 3 ữ 4. Phụ tải mà ở đó bắt đầu tăng rõ rệt độ ẩm của hơi và do đó tăng rõ rệt hệ số bay muối C ( K = h .100 ) đ−ợc gọi là phụ tải tới hạn. Nh− vậy các lò hơi cao C n áp và siêu cao áp cần phải làm việc trong phạm vi phụ tải d−ới tới hạn. Phụ tải của không gian hơi và phụ tải của mặt bốc hơi có ảnh h−ởng đến chất l−ợng phân ly các giọt ẩm ra khỏi hơi. Phụ tải của lò tính cho 1m3 thể tích khoang hơi và cho 1m2 mặt bốc hơi gọi là suất phụ tải của khoang hơi tính bằng m3/ m3s hay kg/m3s hoặc suất phụ tải của mặt bốc hơi m3/m2s hay kg/m2s: 3 D.v".10 3 3 ' D 3 R v = , m /m s hay R v = , kg/m s VK.h VK.h 3 D.v".10 3 2 D 2 R S = , m /m s hay R'S = ,kg/m s Fb.h Fb.h Suất phụ tải cao của cả khoang hơi và của mặt bốc hơi sẽ làm giảm kích th−ớc của bao hơi tức là giảm giá thành bao hơi. Tuy nhiên độ khô và độ sạch của hơi sẽ cao hơn khi suất phụ tải hơi không cao quá và không thấp quá. Thực ra khi khoang hơi có chiều cao nhỏ thì các giọt ẩm bắn ra từ mặt bốc hơi có thể bay đến tận miệng các ống lấy hơi ra và có thể bị dòng hơi kéo ra khỏi bao hơi. Khi tăng chiều cao khoang hơi tức là giảm suất phụ tải của nó thì một phần đáng kể các giọt ẩm lớn đ−ợc nâng đến chiều cao nhất định sẽ rơi trở lại mặt bốc hơi. Điều nói trên cũng phù hợp với ý nghĩa vật lý của cả hai đại l−ợng suất phụ tải của khoang hơi và của mặt bốc hơi đã nói trên, thứ nguyên của phụ tải khoang hơi (1/s) là đại l−ợng nghịch đảo của thời gian l−u lại của hơi trong bao hơi; khi tăng chiều cao khoang hơi tức là giảm phụ tải của nó thì thời gian l−u lại của hơi trong bao hơi sẽ tăng lên, điều này tạo điều kiện giảm độ ẩm của hơi. Thứ nguyên của phụ tải mặt bốc hơi [m/s] là tốc độ quy dẫn của hơi tính 145
49. cho toàn bộ bề mặt bốc hơi. Tốc độ quy dẫn của hơi càng nhỏ thì số giọt n−ớc bị dòng hơi kéo theo sẽ càng ít và độ ẩm của hơi sẽ giảm xuống. Cho nên suất phụ tải của khoang hơi và của mặt bốc hơi là những yếu tố quan trọng xác định sự cuốn ẩm theo hơi ra khỏi bao hơi và do đó xác định độ ẩm của hơi bão hòa. Quan hệ giữa độ ẩm của hơi và chiều cao khoang hơi khi phụ tải mặt bốc hơi không đổi và hàm l−ợng muối không đổi đ−ợc cho trong hình vẽ 7.6. Từ hình vẽ ta thấy rằng khi tăng chiều cao khoang hơi thì độ ẩm của hơi lúc đầu giảm rõ rệt, sau đó bắt đầu ở một chiều cao nhất định độ ẩm gần nh− không thay đổi. Cho nên chiều cao khoang hơi chỉ cần lớn hơn chiều cao nâng lên tối đa của các giọt ẩm, th−ờng chiều cao khoang hơi bằng 0,5 ữ 0,6m hay tối đa bằng 0,8 ữ 1m là đủ. Hàm l−ợng muối của n−ớc lò có ảnh h−ởng lớn đến hàm l−ợng của hơi. Ng−ời ta đã chứng minh rằng hàm l−ợng muối của hơi tỷ lệ với hàm l−ợng muối của n−ớc lò, khi v−ợt nồng độ tới hạn ấy thì hàm l−ợng muối của hơi sẽ tăng lên rõ rệt. Vì thế để đảm bảo độ sạch cần thiết của hơi thì hàm l−ợng muối của n−ớc lò không đ−ợc lớn hơn giá trị nằm trong pham vi (vùng) d−ới tới hạn (xem hình vẽ 7.7). Khi tăng hàm l−ợng muối trong n−ớc lò v−ợt trên một giá trị nhất định và tùy thuộc vào thành phần muối và áp suất hơi sẽ xảy ra quá trình sinh bọt. Khi lớp bọt có chiều cao đáng kể thì sự cuốn ẩm cũng tăng lên rõ rệt và do đó độ ẩm của hơi tăng lên mạnh. Hình 7.6. Quan hệ giữa độ ẩm Hình 7.7. Quan hệ giữa độ ẩm của của hơi và chiều cao khoang hơi. hơi và hàm l−ợng muối của n−ớc lò. 146
50. Sự cuốn mạnh các giọt ẩm và do đó bay nhiều muối theo hơi cũng còn do sự sôi bồng của n−ớc trong bao hơi. Nguyên nhân sôi bồng là do khối l−ợng riêng của các lớp n−ớc bị bão hòa bởi các bọt hơi bị giảm đi đột ngột, do đó làm tăng thể tích của hỗn hợp trong bao hơi và làm cho mức n−ớc tăng lên (bồng lên). 7.9. Độ hòa tan của các chất trong hơi. Ng−ời ta đã xác định bằng nghiên cứu và thực nghiệm rằng trong khi hiện t−ợng cuốn các giọt ẩm theo hơi là nguồn chính làm bẩn hơi có áp suất bất kỳ thì đối với hơi có áp suất > 6 MPa nguồn rất quan trọng làm bẩn hơi cũng là sự cuốn chọn lọc một số vật chất theo hơi nh− SiO2, các muối của natri (NaCl, Na2SO4, Na2SiO3,). Nghiên cứu những quy luật cuốn chọn lọc các chất kể trên theo hơi ng−ời ta thấy nguyên nhân chính của quá trình là độ hòa tan t−ơng đối cao của các chất trong hơi cao áp. Độ hòa tan của các chất trong hơi có một số đặc điểm là: 1- Các chất đ−ợc hòa tan có chọn lọc trong hơi, tức là trong những điều kiện hoàn toàn giống nhau (đối với hơi quá nhiệt thì áp suất và nhiệt độ nh− nhau, đối với hơi bão hòa thì áp suất và nồng độ các chất trong n−ớc nh− nhau) thì độ hòa tan trong hơi của các hợp chất khác nhau. 2- Khả năng cho hòa tan của hơi tăng lên khi tăng áp suất. Độ hòa tan của các chất trong hơi bão hòa đ−ợc đặc tr−ng bởi hệ số phân bố, đó là tỷ số giữa hàm l−ợng của các chất hòa tan trong hơi Ch và hàm l−ợng của các chất ấy trong n−ớc Cn: Ch K p = .100, % . (7-34) Cn ở áp suất thấp độ hòa tan của hầu hết các hợp chất vô cơ không bay hơi của n−ớc lò trong hơi bão hòa là rất nhỏ. Tùy theo mức độ tăng áp suất mà độ hòa tan của các chất trong hơi (sẽ tăng lên) và hệ số phân bố của chúng tăng lên. Ng−ời ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng độ lớn của hệ số phân bố của đa số các hợp chất vô cơ nằm trong khoang hơi phụ thuộc chủ yếu vào áp suất (áp suất này xác định mật độ của hơi và n−ớc). Hệ số phân bố t−ơng ứng với dạng tồn tại nh− nhau của tạp chất hòa tan trong pha hơi và pha n−ớc xác định theo biểu thức: 147
51. n ⎛ ρ ⎞ ⎜ h ⎟ K p = ⎜ ⎟ , (7-35) ⎝ ρnl ⎠ trong đó: Sh, Snl là mật độ hơi và n−ớc lò; n là số phân tử H2O dùng thủy hóa tạp chất đã cho, mỗi hợp chất có giá trị n riêng và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Các chất điện phân rất yếu nh− oxyt sắt, nhôm,có n < 1; các chất điện phân yếu (axit silicic, H2SiO3) có n = 1 ữ 3; các chất điện phân mạnh có n = 4 ữ 9. Trong hơi quá nhiệt có thể có các chất sau đây hòa tan: NaCl, NaOH, CaCl2, Na2SiO3, Ca(OH)2, Na2SO4, CaSO4, . . .(hình vẽ 7.8). Độ hòa tan của các chất rắn trong hơi quá nhiệt đạt đến giá trị lớn ngay cả ở các áp suất trung bình, nh−ng ở áp suất này độ hòa tan của các chất trên trong hơi bão hòa là rất nhỏ. Hìnhở 7.8.cùng Độ mộthòa tannhiệt của mđộột quásố muối nhiệt và h(hơiydroxit quá tron nhiệt)g hơi q uákhi nhi tăngệt ở 30áp suất và mật độ hơi quá nhiệt thì độ hòa tan của các hợp chất vô cơ trong hơi sẽ tăng lên. 7.10. Các ph−ơng pháp thu đ−ợc hơi sạch Để thu đ−ợc hơi sạch trong các lò hơi có bao hơi ta phải giảm số l−ợng các giọt n−ớc lò trong hơi và giảm hàm l−ợng các vật chất hòa tan trong hơi. 148
52. Giảm độ ẩm của hơi bão hòa bằng cách phân ly ẩm ra khỏi hơi, giảm hàm l−ợng các tạp chất hòa tan trong hơi bằng cách giảm nồng độ các tạp chất trong n−ớc lò và rửa hơi qua lớp n−ớc sạch th−ờng là n−ớc cấp. Giảm hàm l−ợng muối của n−ớc lò bằng cách nâng cao độ sạch của n−ớc cấp hay tăng c−ờng xả lò, tiến hành bốc hơi theo cấp. 7.10.1. Phân ly ẩm ra khỏi hơi. Các thiết bị phân ly ẩm ra khỏi hơi phải thỏa mãn những yêu cầu sau: 1- Giảm đ−ợc động năng của dòng hỗn hợp hơi n−ớc kết hợp với việc đập thật mịn các giọt ẩm và tách đ−ợc một khối l−ợng tối đa các giọt n−ớc ra khỏi hơi. 2- Phải có khả năng phân bố đồng đều hơi trong khoang hơi của bao hơi nhằm giảm tốc độ của hơi, có nh− vậy mới đảm bảo quá trình phân ly tự nhiên đạt hiệu quả cao. 3- Cần thực hiện phân ly cơ học trong thiết bị do sinh ra các cực ly tâm khi dòng hơi chuyển động cong. ở các lò hơi có bao hơi dùng các thiết bị phân ly khác nhau nh−: tấm chắn, cửa chớp, tấm có khoan lỗ, xyclon Mỗi thiết bị phân ly đáp ứng đ−ợc một hay đồng thời hai, ba yêu cầu kể trên. Để nâng cao hiệu quả phân ly tự nhiên ẩm ra khỏi hơi do hiệu khối l−ợng riêng của n−ớc và của hơi thì tốc độ dòng hơi trong khoang hơi phải đủ nhỏ. Tốc độ này càng nhỏ thì số giọt ẩm trong dòng hơi sẽ càng ít và gồm chủ yếu là những giọt mịn. Ng−ời ta tổ chức quá trình phân ly gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất yêu cầu làm giảm (tắt) động năng của dòng hỗn hợp hơi n−ớc từ ống đi vào bao hơi và tách l−ợng ẩm chính ra khỏi hơi. Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn phân ly hơi khỏi n−ớc. Giai đoạn thứ hai sấy khô hơi đến mức có thể và giảm độ ẩm đến khoảng 0,01 ữ 0,005%, giai đoạn này còn gọi là giai đoạn phân ly ẩm ra khỏi hơi và là giai đoạn chính. D−ới đây sẽ trình bày sơ đồ, nguyên lý làm việc và cách bố trí một số thiết bị phân ly ẩm đặt trong bao hơi của lò hơi. *Tấm chắn: Tấm chắn là thiết bi phân ly đơn giản nhất, đ−ợc đặt trong khoang hơi của bao hơi . Ng−ời ta đặt tấm chắn riêng cho từng dãy ống , tấm chắn đặt nghiêng 450 so với h−ớng dòng hơi để 149
53. đảm bảo dòng hỗn hợp hơi n−ớc đập vào chúng êm hơn (hình vẽ 7.9). Hình 7.10. Cửa chớp. Hình 7.9. Tấm chắn đặt ở chỗ a-uốn tròn; b-uốn có góc nhọn hỗn hợp hơi n−ớc đi vào bao hơi. * Cửa chớp: ở đây nhờ lực ly tâm sinh ra khi dòng hơi ẩm đi ngoặt mà thực hiện đ−ợc quá trình phân ly tự nhiên (hình vẽ 7.10). * Tấm có khoan lỗ: Để đảm bảo cấp đồng đều hỗn hợp hơi n−ớc vào bao hơi và lấy hơi ra khỏi bao hơi ng−ời ta còn đặt các tấm khoan lỗ chìm d−ới mặt n−ớc và ở chỗ hơi đi vào ống quá nhiệt, các lỗ khoan có đ−ờng kính 5 ữ 10 mm và số lỗ đ−ợc tính toán để đảm bảo trở lực của tấm không lớn hơn 300 ữ 350 Pa. Đặt tấm khoan lỗ thấp hơn mức n−ớc cho phép thấp nhất một khoảng 50 ữ 100 mm để tăng trở lực chuyển động của hỗn hợp hơi n−ớc do đó đảm bảo phụ tải đồng đều của mặt bốc hơi và hơi đi ra từ mặt bốc hơi với tốc độ nhỏ nhất, khi đó hơi không thể kéo theo các giọt ẩm lớn. Một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm động năng của dòng hỗn hợp là cấp khối l−ợng chính của hỗn hợp vào d−ới mức n−ớc trong bao hơi. Đặt tấm khoan lỗ ở tr−ớc chỗ lấy hơi ra cũng có tác dụng làm cân bằng trở lực của mọi dòng hơi và đảm bảo sử dụng toàn bộ tiết diện bao hơi, điều này có ảnh h−ởng đến độ đồng đều của phụ tải mặt bốc hơi và phụ tải khoang hơi của bao hơi. 150
54. Hình 7.11. Xyclon đặt trong bao hơi. a-sơ đồ xyclon; b-bố trí xyclon trong bao hơi. * Thiết bị phân ly kiểu xyclon: Khi n−ớc lò có hàm l−ợng muối cao và có khuynh h−ớng sinh bọt thì các xyclon đặt trong bao hơi sẽ đạt đ−ợc hiệu quả cao của quá trình phân ly hơi ra khỏi ẩm. Hỗn hợp đ−ợc cấp tiếp tuyến vào xyclon. Khi hỗn hợp hơi n−ớc đi vào xyclon động năng của dòng bị giảm., do tác dụng của lực ly tâm mà n−ớc bị nén đến vách xyclon và chảy xuống d−ới theo mặt trong xyclon. Xyclon có đ−ờng kính bằng 300 ữ 400 mm và chiều cao bằng 500 ữ 650 mm (hình vẽ 7.11). ình 7.12. Xyclon đặt ngoài bao hơi. ống góp; 2-hỗn hợp hơi n−ớc đi vào xyclon; -bộ tạo xoáy; 4-tấm có khoan lỗ; 5-ống lấy hơi a; 6-ống thải không khí; -đ−ờng xả; 8-ống n−ớc uống; 9-n−ớc từ bao hơi đến; 10-chạc chữ thập 151
55. ở đầu d−ới của xyclon đặt một cái đáy để cho n−ớc đi thành vòng, giữa đáy và thân có các cánh h−ớng để chuyển động xoáy của n−ớc thành chuyển động thẳng đứng và dòng chảy êm vào khoang n−ớc. Khi đặt xyclon loại trừ đ−ợc sự sinh bọt và sôi bồng của n−ớc, không có sôi bồng vì n−ớc và hơi sau khi vào xyclon sẽ chuyền động theo hai h−ớng khác nhau, không có sinh bọt vì lực ly tâm sẽ nén các bọt đến vách xyclon và phá hủy bọt nhanh chóng. Ưu điểm này của xyclon cho phép dùng xyclon cả trong tr−ờng hợp n−ớc lò có hàm l−ợng muối và độ kiềm cao. Do không thể tăng kích th−ớc bao hơi nên ng−ời ta đặt các xyclon bên ngoài bao hơi để tăng đ−ợc chiều cao không gian hơi và tạo ra mặt bốc hơi quay bên trong xyclon (hình vẽ 7.12). Chiều cao khoang n−ớc của xyclon ngoài bằng 2 ữ 2,5 m và chiều cao phần hơi khoảng 1,5 ữ 2,5m, đ−ờng kính trong của xyclon bằng 300 ữ 500 mm. Tốc độ hơi ở chỗ đi vào tiếp tuyến bằng 6,0 m/s, ở trong thân xyclon bằng 5,5 m/s. Vì hiệu quả phân ly phụ thuộc tốc độ vào của hơi nên ng−ời ta đã tăng tốc độ vào xyclon đến 10 ữ 12m/s và có thể đến 20 m/s. Nh−ng khi đó phải kiểm tra mức độ tuần hoàn tin cậy của vòng tuần hoàn nối vào xyclon. Việc dùng xyclon ngoài cho phép thu đ−ợc hơi rất sạch ngay cả khi n−ớc lò có độ muối cao. Do đó xyclon ngoài đ−ợc dùng làm khoang muối của lò hơi có bốc hơi theo cấp. 7.10.2. Rửa hơi Khi tăng áp suất những yêu cầu về độ sạch của hơi và về việc giảm hàm l−ợng SiO2 trong hơi ngày càng tăng, và ngay cả khi bốc hơi theo cấp và dùng xyclon ngoài cũng không thể đảm bảo đ−ợc chất l−ợng hơi yêu cầu. Khó khăn chính sinh ra là do khi tăng áp suất thì mức độ cuốn SiO2 theo hơi bão hòa cũng tăng lên. Rửa hơi để giảm hàm l−ợng muối tổng và đặc biệt là giảm SiO2 trong hơi. 152
56. Bản chất của việc rửa hơi là cho hơi cần làm sạch tiếp xúc với lớp n−ớc cấp hay lớp n−ớc của khoang sạch. Có nhiều ph−ơng pháp cho hơi tiếp xúc với n−ớc sạch nh−: - Phun n−ớc cấp vào khoang hơi của bao hơi; - Cho các dòng (tia) hơi nhỏ đi qua trên bề mặt đ−ợc rửa bằng n−ớc cấp; - Cho hơi khuếch tán (sủi bọt) qua lớp n−ớc cấp. Khi hơi đ−ợc rửa thì các giọt n−ớc có nồng độ muối cao nằm trong hơi sẽ pha trộn với n−ớc sạch và để lại trong n−ớc sạch phần lớn các muối chứa trong nó. Đồng thời các chất hòa tan trong hơi cũng sẽ chuyển sang cho n−ớc, vì độ hòa tan của các chất trong n−ớc cao hơn nhiều so với trong hơi ngay cả khi áp suất cao. Hơi sau khi rửa, đ−ợc sấy trong khoang hơi và sau đó đi vào các ống của bộ quá nhiệt. Biện pháp cho hơi khuếch tán qua lớp n−ớc cấp là biện pháp rửa hơi có hiệu quả nhất (hình vẽ 7.13). Chiều dày lớp n−ớc rửa bằng 40 ữ 50 mm là tốt nhất. Nếu < 40 mm thì hiệu quả rửa giảm đi rõ rệt. Hình 7.13. Sơ đồ thiết bị rửa hơi kiểu cho hơi khuếch tán qua lớp n−ớc cấp. a-bố trí thiết bị rửa hơi trong bao hơi; b-tấm có khoan lỗ đặt nằm ngang; c-tấm có khoan lỗ và có máng đặt d−ới 153
57. Hiệu quả rửa do khuếch tán (sủi bọt) phụ thuộc chủ yếu 2 yếu tố: - Hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc rửa; - Hệ số bay các tạp chất theo hơi đ−ợc rửa. 1. Hàm l−ợng tạp chất trong n−ớc rửa đ−ợc xác định tr−ớc hết bởi chất l−ợng n−ớc rửa và phụ thuộc vào phần n−ớc cấp đ−a vào để rửa hơi: D Z = r .100 , % (7-36) D nc trong đó: Dr là l−u l−ợng n−ớc đ−a vào thiết bị rửa, kg/s; Dnc là l−ợng n−ớc cấp vào lò, kg/s. Khi tăng Dr , hiệu quả rửa tăng lên tức là l−ợng tạp chất trong n−ớc rửa và do đó hàm l−ợng tạp chất trong hơi giảm xuống. Chất l−ợng n−ớc rửa sẽ xấu đi khi tăng nồng độ các tạp chất trong n−ớc lò; sở dĩ nh− vậy vì khi hệ số bay muối K1 không đổi nếu tăng hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc lò thì hàm l−ợng của chúng trong hơi tr−ớc khi rửa sẽ tăng lên. Hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc rửa còn phụ thuộc vào hệ số bay các chất cùng với hơi tr−ớc khi rửa. Nếu nồng độ các tạp chất trong n−ớc lò càng cao thì ảnh h−ởng của K1 đến hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc rửa và do đó trong hơi đã đ−ợc rửa sẽ càng lớn. Nh− vậy hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc rửa phụ thuộc vào: - Số l−ợng và chất l−ợng n−ớc đ−a vào thiết bị rửa; - Hệ số bay các chất theo hơi tr−ớc khi rửa; - Hàm l−ợng các tạp chất trong n−ớc lò. 1 Hệ số bay các chất theo hơi tr−ớc thiết bị rửa bằng: K1 = ω1 + K p , 2 và sau thiết bị rửa: K 2 = ω2 + K p , trong đó: ω1 và ω2 là độ ẩm của hơi tr−ớc và sau khi rửa, %; 1 2 K p và K p là hệ số phân bố đặc tr−ng hàm l−ợng các tạp chất hòa tan trong hơi tr−ớc và sau khi rửa, %. Trong thực tế khi tính toán độ 1 2 sạch của hơi có thể lấy K p = K p . 154
58. Việc rửa hơi đ−ợc thực hiện trong khoang hơi của bao hơi. Đ−ờng kính của bao hơi phải không nhỏ hơn 1400 ữ 1800mm để có đủ không gian lắp đặt thiết bị rửa hơi. Kết quả của việc rửa hơi bằng n−ớc cấp là hàm l−ợng các chất rắn hòa tan trong hơi sau khi rửa, đặc biệt là axit silicic giảm đi hàng chục lần. Hiệu quả rửa càng cao khi l−ợng n−ớc rửa càng lớn. L−ợng n−ớc cấp dùng để rửa hơi có thể bằng 25 ữ 100% l−ợng n−ớc cấp vào bao hơi. 7.10.3. Bốc hơi theo cấp Bản chất của ph−ơng pháp bốc hơi theo cấp là tạo ra trong lò 2, 3 hay nhiều vòng tuần hoàn độc lập có nồng độ n−ớc lò khác nhau. Muốn vậy ng−ời ta đặt trong bao hơi các vách ngăn để chia khoang n−ớc thành 2, 3 khoang, do đó cũng chia các bề mặt sinh hơi thành số vòng tuần hoàn t−ơng ứng độc lập với nhau. N−ớc cấp đ−ợc đ−a vào khoang sạch có kích th−ớc lớn nhất và gọi là cấp bốc hơi thứ nhất. N−ớc ở khoang sạch đ−ợc tháo sang khoang muối (cấp bốc hơi thứ 2), . . . .(hình vẽ 7.14 và 7.15). Hình 7.14. Sơ đồ bốc hơi hai cấp có khoang muối trong bao hơi. 1-bao hơi; 2-ống dẫn hơi ra; 3-ống góp d−ới của òng tuần hoàn; 4-ống sinh hơi; 5-ống n−ớc xuống; 6-đ−ờng n−ớc cấp; 7-đ−ờng n−ớc xả liên tục từ bao hơi; 8-vách ngăn trong bao hơi. 155
59. Nồng độ muối trong n−ớc sẽ tăng lên từ nồng độ muối trong n−ớc cấp Cnc đến nồng độ muối trong n−ớc xả Cxả. Lúc đó độ xả t−ơng đối của mỗi cấp là rất lớn nh−ng độ lớn xả tuyệt đối của toàn bộ lò hơi lại rất nhỏ. Hàm l−ợng muối trong cấp bốc hơi thứ nhất rất nhỏ mà l−ợng hơi sinh ra ở cấp này là lớn nhất. Dùng bốc hơi theo cấp có thể tăng đáng kể nồng độ n−ớc xả mà chất l−ợng hơi không bị xấu đi. Do đó dùng bốc hơi theo cấp để giảm l−ợng n−ớc xả hoặc để có thể dùng n−ớc cấp có hàm l−ợng muối cao hơn. Hàm l−ợng muối của hơi khi dùng bốc hơi theo cấp đ−ợc xác định theo các công thức sau: Khi có 2 cấp bốc hơi: 100 − n n C = 11 C1 + 11 C11 ,mg/kg ; (7-37) h 100 h 100 h Khi có 3 cấp bốc hơi: 100 − n − n n n C = 11 111 C1 + 11 C11 + 111 C111 , mg/kg (7- h 100 h 100 h 100 h 38) trong đó: n11 và n111 là sản l−ợng hơi của cấp bốc hơi thứ hai và thứ ba, %. 156
60. Hình 7.15. Sơ đồ bốc hơi ba cấp có xyclon đặt ngoài bao hơi. 1-bao hơi; 2-xyclon đặt ngoài; 3-ống góp d−ới của vòng tuần hoàn; 4-ống sinh hơi; 5-ống n−ớc xuống; 6-đ−ờng n−ớc cấp; 7-đ−ờng n−ớc xả liên tục từ xyclon ngoài; 8-ống dẫn n−ớc từ bao hơi vào xyclon ngoài; 9-đ−ờng dẫn hơi từ xyclon ngoài vào bao hơi; 10-đ−ờng lấy hơi ra; 11-vách ngăn trong bao hơi. * Hàm l−ợng muối thứ trong hơi của từng cấp bốc hơi đ−ợc xác định nh− sau: k C1 = 1 C1 ,mg/kg; (7-39a) h 100 nl k C11 = 2 C11 ,mg/kg; (7-39b) h 100 nl k C111 = 3 C111 ,mg/kg . (7-39c) h 100 nl Trong các công thức trên ký hiệu: k1, k2, k3 là hệ số bay các chất theo hơi từ cấp bốc hơi thứ 1, thứ 2, thứ 3, %; 1 11 111 C nl , Cnl , Cnl là hàm l−ợng muối của n−ớc lò trong cấp bốc hơi thứ 1, thứ 2, thứ 3, mg/kg. 157
61. Việc cho bốc hơi theo cấp sẽ làm giảm hàm l−ợng muối trong n−ớc lò tức là làm giảm hàm l−ợng muối trong hơi, do đó chất l−ợng hơi tăng lên. Đồng thời bốc hơi theo cấp cũng đ−ợc coi là biện pháp xử lý hiệu chỉnh n−ớc trong lò. 7.10.4. Xả liên tục và xả định kỳ của lò hơi Tùy thuộc các yêu cầu về độ sạch của hơi mà nồng độ muối trong n−ớc lò phải không đ−ợc lớn hơn một giá trị xác định. Muốn vậy phải tiến hành xả liên tục ra khỏi lò hơi một l−ợng n−ớc lò có nồng độ muối cao nhất. Trong sơ đồ bốc hơi theo cấp việc xả liên tục đ−ợc thực hiện ở khoang muối. Cùng với xả liên tục ta cũng cần phải xả định kỳ lò hơi, việc thực hiện ở các ống góp d−ới của dàn ống sinh hơi hay bao n−ớc (balông d−ới) của lò có hai bao hơi và ở chỗ thấp nhất của các lò hơi nhỏ. Mỗi ca vận hành phải xả định kỳ 1 đến 2 lần, thời gian xả kéo dài khoảng 2 đến 5 phút. Độ xả lò hơi p th−ờng tính bằng phần trăm của sản l−ợng lò hơi, tức là: D p = x .100, % (7-40) D trong đó: Dx là l−ợng n−ớc xả, kg/s; D là sản l−ợng hơi định mức của lò hơi, kg/s. L−ợng n−ớc cấp vào lò hơi Dnc bằng: Dnc = D + Dx , kg/s. (7-41) Sơ đồ cân bằng muối của lò hơi đ−ợc trình bày trên hình 7.16. Ph−ơng trình cân bằng muối của lò hơi có bao hơi khi không có cáu cặn bám có dạng sau: (D + D x )C nc = DC h + D x C x , (7- 42) hay: (100 + p) Cnc = 100 Ch + p Cx , (7-43) trong đó: Cnc, Ch, Cx là hàm l−ợng muối trong n−ớc cấp, trong hơi và trong n−ớc xả, mg/kg. 158
62. Thông th−ờng độ xả lò hơi p = 0,5 ữ 1,0 %, tối đa p = 3%. Giải ph−ơng trình (7-43) khi cho biết độ xả lò p ta xác định đ−ợc hàm l−ợng muối trong n−ớc xả Hình 7.16. Sơ đồ cân (n−ớc lò) nh− sau: bằng muối của lò hơi. (100 + p)C −100C C = nc h . (7- x p 44) Khi coi hàm l−ợng muối trong hơi bằng không (Ch=0) và lấy độ xả lò p = 1% ta xác định đ−ợc hàm l−ợng muối trong n−ớc xả bằng: (100 +1)C C = C = nc = 101C (7-45) x nl 1 nc Từ biểu thức (7-45) ta thấy rằng hàm l−ợng muối của n−ớc lò lớn hơn 101 lần hàm l−ợng muối của n−ớc cấp. Vì vậy để thu đ−ợc hơi có độ sạch cao ta phải giảm hàm l−ợng muối của n−ớc lò bằng cách tăng c−ờng xả lò. 159
63. Ch−ơng 8. Bộ QUá NHIệT 8.1. Vai trò và phân loại của bộ quá nhiệt Bộ quá nhiệt là bộ phận để sấy khô hơi, gia nhiệt cho hơi biến hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn, do đó nhiệt l−ợng tích lũy trong một đơn vị khối l−ợng hơi quá nhiệt cao hơn nhiều so với hơi bão hòa ở cùng áp suất. Bởi vậy khi công suất máy giống nhau nếu dùng hơi quá nhiệt thì kích th−ớc máy sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với máy dùng hơi bão hòa. Để nhận đ−ợc hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao, cần phải đặt bộ quá nhiệt ở vùng khói có nhiệt độ cao (trên 7000C). Đối với lò có nhiệt độ hơi quá nhiệt từ 5100C trở xuống thì bộ quá nhiệt th−ờng đ−ợc đặt ở vùng khói có nhiệt độ d−ới 10500C, th−ờng là đặt ở đoạn đ−ờng khói nằm ngang sau cụm ống pheston. ở đây trao đổi nhiệt giữa khói và cụm ống chủ yếu là trao đổi nhiệt đối l−u, nên gọi là bộ quá nhiệt đối l−u. Các lò hơi có áp suất, nhiệt độ hơi quá nhiệt càng cao thì tỷ lệ giữa l−ợng nhiệt cần cấp để quá nhiệt hơi trong bộ quá nhiệt với l−ợng nhiệt cần cấp để đun sôi n−ớc trong dàn ống sinh hơi càng cao, nhất là lò có quá nhiệt trung gian hơi, khiến cho kích th−ớc bộ quá nhiệt rất lớn. Khi đó nếu chỉ đặt bộ quá nhiệt ở sau cụm pheston thì độ chênh nhiệt độ giữa khói và hơi sẽ giảm nên diện tích bề mặt ống của bộ quá nhiệt sẽ rất lớn, có thể sẽ không đủ chỗ bố trí, do đó cần thiết phải bố trí bộ một phần của quá nhiệt vào trong buồng lửa để hấp thu nhiệt bức xạ nhằm giảm bớt kích th−ớc bộ quá nhiệt. Hình 8.1. Cấu tạo bộ quá nhiệt 1-Bao hơi; 2-ống xuống; 3-Bộ quá nhiệt bức xạ; 4-Bộ quá nhiệt nửa bức xạ; 5-Bộ quá nhiệt đối l−u; 6-Bộ hâm n−ớc 162
64. Đối với lò có nhiệt độ hơi quá nhiệt cao hơn 5100C, bộ quá nhiệt đ−ợc đặt ở cửa ra buồng lửa (tr−ớc cụm pheston). ở đây bộ quá nhiệt vừa nhận nhiệt đối l−u từ dòng khói đi qua, vừa nhận nhiệt bức xạ từ buồng lửa nên gọi là bộ quá nhiệt nửa bức xạ. Khi bộ quá nhiệt có thể đ−ợc đặt ở trên trần buồng lửa hay đặt xen kẽ với các ống sinh hơi trên t−ờng buồng lửa, ở đây bộ quá nhiệt nhận nhiệt chủ yếu là từ bức xạ của buồng lửa nên gọi là bộ quá nhiệt bức xạ. Bộ quá nhiệt bức xạ th−ờng đ−ợc dùng khi nhiệt độ hơi trên 5600C. Bộ quá nhiệt gồm phần đối l−u, nửa bức xạ và bức xạ đ−ợc gọi là bộ quá nhiệt tổ hợp. Tỷ lệ giữa các phần này đ−ợc phân bố phụ thuộc vào thông số của lò hơi. Hình 8.1. Trình bày cách bố trí bộ quá nhiệt đối l−u, nửa bức xạ và nửa bức xạ trong lò hơi. Đối với những chu trình nhiệt có quá nhiệt trung gian thì bộ quá nhiệt trung gian th−ờng là bộ quá nhiệt đối l−u. 8.2. Sơ đồ cấu tạo bộ quá nhiệt 8.2.1. Bộ quá nhiệt đối l−u Bộ quá nhiệt đối l−u th−ờng đ−ợc chế tạo gồm những ống xoắn, hai đầu đ−ợc nối vào 2 ống góp. ống xoắn bộ quá nhiệt là những ống thép chịu nhiệt uốn gấp khúc nhiều lần đảm bảo cho đ−ờng khói cắt đ−ờng hơi nhiều lần. Mỗi ống xoắn đ−ợc uốn 163