Áp suất ngược của bẫy hơi và chênh áp làm việc: cách tính, ảnh hưởng

Áp suất ngược của bẫy hơi là áp suất ở phía sau bẫy, trên đường nước ngưng, làm giảm chênh áp giữa đầu vào và đầu ra nên làm giảm công suất xả. Giá trị này bằng 0 khi nước ngưng xả thẳng ra khí quyển, và có thể lên vài bar khi nước được nâng lên cao hoặc dồn vào đường hồi có áp. Bài này giải thích cách tính chênh áp làm việc, các nguồn tạo áp suất ngược và ảnh hưởng của nó tới từng kiểu bẫy.

Phần phân loại và nhiệm vụ của bẫy nằm trong bài các loại bẫy hơi, còn cơ chế mở đóng của từng kiểu có ở bài nguyên lý vận hành của bẫy. Ở đây chúng tôi tập trung vào con số của áp suất ngược của bẫy hơi: tính ra bao nhiêu bar, và con số đó làm bẫy xả được bao nhiêu.

Áp suất vào, áp suất ra và chênh áp làm việc

Ba đại lượng cần phân biệt rõ. Áp suất vào P1 là áp suất hơi trước bẫy. Áp suất ra P2 là áp suất ngay sau bẫy, và đó chính là áp suất ngược của bẫy hơi. Chênh áp làm việc ΔP là hiệu của hai giá trị:

ΔP = P1 − P2

Tất cả đều tính theo áp suất dư (barg) so với khí quyển. Nước ngưng chỉ chảy qua bẫy khi P1 lớn hơn P2. Công suất xả của bẫy phụ thuộc vào ΔP chứ không phụ thuộc DN của ống nối, vì dòng chảy qua lỗ van chịu chi phối bởi chênh áp trên lỗ đó.

Ví dụ đơn giản: bẫy ở 8 barg xả nước ngưng thẳng ra khí quyển, áp suất ngược của bẫy hơi bằng 0 barg, nên ΔP = 8 − 0 = 8 bar. Trường hợp này là chênh áp lớn nhất mà bẫy có thể nhận ở áp suất vào đó. Nếu đường ống sau bẫy cao hơn bẫy 5 m, áp suất ngược thủy tĩnh khoảng 0,1 × 5 = 0,5 bar, và ΔP giảm còn khoảng 7,5 bar.

Nguồn nào tạo ra áp suất ngược của bẫy hơi

Trong thực tế áp suất ngược của bẫy hơi thường là tổng của nhiều thành phần cộng lại. Việc đầu tiên khi đánh giá là liệt kê từng nguồn.

Áp suất ngược của bẫy hơi bằng 0 khi xả ra khí quyển

Nếu nước ngưng chảy tự do ra không khí hoặc xuống rãnh thoát, áp suất sau bẫy chỉ là áp suất khí quyển, tức 0 barg. Cách xả này cho chênh áp cao nhất nhưng lãng phí nhiệt và nước ngưng, và hơi flash bay mất. Với nước ngưng 7 barg xả xuống 0 barg, khoảng 13,4 % khối lượng biến thành hơi flash.

Áp suất ngược của bẫy hơi do nâng nước lên cao (thủy tĩnh)

Mỗi mét cột nước ngưng nâng cao cộng thêm khoảng 0,1 bar vào áp suất ngược của bẫy hơi (chính xác 0,098 bar/m). Nâng 6 m cho khoảng 0,6 bar. Nước ngưng ở nhiệt độ cao có khối lượng riêng nhỏ hơn nước lạnh một chút nên con số thực tế hơi thấp hơn, nhưng làm tròn 0,1 bar/m là đủ cho tính toán sơ bộ.

Áp suất ngược của bẫy hơi do ma sát, co, cút và ống uốn cong

Dòng nước ngưng đi qua ống dài, nhiều cút và van phải thắng ma sát. Tổn thất này cộng thêm vào áp suất ngược của bẫy hơi. Ống nhỏ làm tình hình tệ hơn vì vận tốc tăng và tổn thất tăng theo bình phương vận tốc. Hơi flash sinh ra trong đường hồi chiếm thể tích lớn hơn nước nhiều lần, nên làm vận tốc hỗn hợp tăng vọt, và đường hồi quá nhỏ có thể tạo áp suất ngược đáng kể mà không ai ngờ.

Áp suất ngược của bẫy hơi từ đường hồi chung và bồn thu hồi có áp

Nhiều bẫy cùng xả vào một ống hồi thì áp suất ở ống hồi là áp suất chung. Nếu ống hồi có áp 0,3 barg, mọi bẫy đều chịu ít nhất 0,3 bar áp suất ngược. Khi nước ngưng xả vào bồn thu hồi kín hoặc bình flash, áp suất của bồn tăng lên bao nhiêu thì áp suất ngược của bẫy hơi tăng bấy nhiêu. Một bẫy nối vào đường hồi chung còn chịu ảnh hưởng từ các bẫy khác, đặc biệt khi bẫy khác thổi hơi làm áp đường hồi tăng.

Ví dụ tính áp suất ngược và chênh áp từng bước

Giả sử bẫy đặt ở đường hơi 5 barg. Nước ngưng được nâng lên ống hồi cao 6 m, đường hồi có áp 0,3 barg, ma sát ước tính 0,1 bar. Ta tính theo các bước:

1. Áp suất ngược thủy tĩnh: 6 m × 0,1 bar/m = 0,6 bar.
2. Áp suất đường hồi: 0,3 barg.
3. Ma sát: 0,1 bar.
4. Áp suất ngược tổng: 0,6 + 0,3 + 0,1 = 1,0 barg.
5. Chênh áp làm việc: ΔP = 5 − 1,0 = 4 bar.

Tỷ lệ áp suất ngược của bẫy hơi trên áp suất vào là 1,0 ÷ 5 = 20 %. Mức này an toàn cho hầu hết các kiểu bẫy kể cả bẫy đồng tiền. Nhưng công suất xả của bẫy sẽ nhỏ hơn so với khi xả ra khí quyển, và cần chọn cỡ theo ΔP = 4 bar, không theo 5 bar.

Ảnh hưởng của áp suất ngược của bẫy hơi tới công suất xả

Với dòng nước qua lỗ van, lưu lượng xấp xỉ tỷ lệ với căn bậc hai của chênh áp (tham khảo, theo quy luật lỗ tiết lưu; bảng công suất của hãng mới là giá trị chính xác). Áp dụng vào ví dụ: bẫy ở 5 barg xả ra khí quyển có ΔP = 5 bar. Với áp suất ngược 1,0 barg, ΔP = 4 bar, công suất còn khoảng √(4 ÷ 5) ≈ 0,89, tức giảm khoảng 11 %.

Nếu áp suất ngược của bẫy hơi tăng lên 4 barg do đường hồi tăng áp thì ΔP chỉ còn 1 bar. Công suất còn khoảng √(1 ÷ 5) ≈ 0,45, tức giảm hơn một nửa. Nước ngưng không xả kịp sẽ ứ lại trong thiết bị. Đó là cơ chế khiến một bẫy vẫn nguyên vẹn nhưng thiết bị vẫn bị ngập.

Khi chọn cỡ bẫy, luôn dùng chênh áp thực tế tại vị trí đó, không dùng áp suất hơi. Quy trình lựa chọn bao gồm bước này, xem bài lựa chọn bẫy hơi theo ứng dụng và áp suất.

Áp suất ngược của bẫy hơi ảnh hưởng thế nào tới từng kiểu bẫy

Không phải kiểu nào cũng nhạy như nhau. Bảng dưới tóm tắt ảnh hưởng của áp suất ngược của bẫy hơi lên các kiểu phổ biến.

Vì sao bẫy đồng tiền nhạy với áp suất ngược của bẫy hơi

Bẫy đồng tiền đóng nhờ hơi flash tạo áp suất lên mặt trên của đĩa. Khi áp suất ngược của bẫy hơi tăng, phía dưới đĩa cũng chịu áp suất cao hơn, chênh lệch lực đóng giảm. Thời gian đóng van ngắn lại, chu kỳ nhanh dần. Tới một mức nào đó đĩa không đóng được nữa và bẫy kẹt mở, thổi hơi liên tục. Với áp suất vào 5 barg, áp suất ngược dưới khoảng 4 barg mới còn trong giới hạn 80 %. Giá trị chính xác cần xem catalog của từng hãng.

Khi áp suất ngược của bẫy hơi cao hơn áp suất vào: dòng chảy ngược

Nếu P2 vượt P1, nước ngưng chảy ngược từ đường hồi qua bẫy vào thiết bị, vì phần lớn bẫy không được thiết kế để chặn dòng ngược. Điều này xảy ra khi tắt hơi nhưng đường hồi vẫn còn áp. Giải pháp là lắp van một chiều sau bẫy (hoặc dùng bẫy có sẵn van một chiều), và van phải chịu được nhiệt độ nước ngưng.

Hậu quả khi bỏ qua áp suất ngược của bẫy hơi

• Ngập nước ngưng: ΔP nhỏ làm công suất xả không đủ, nước ứ trong thiết bị, giảm diện tích truyền nhiệt hữu dụng.
• Búa nước: nước tích trong ống bị hơi tốc độ cao đẩy đi tạo xung áp, hại phao, viên nang và mối nối.
• Ăn mòn: nước ứ lâu hòa tan CO₂ tạo axit cacbonic (pH khoảng 5–6), ăn mòn thép cacbon.
• Tổn thất hơi: bẫy đồng tiền không đóng được sẽ thổi hơi liên tục, và bẫy khác trên cùng đường hồi bị ảnh hưởng theo.

Áp suất ngược chỉ là một nguyên nhân làm giảm hiệu quả làm việc của bẫy; các nguyên nhân khác được liệt kê đầy đủ trong bài 8 yếu tố ảnh hưởng hiệu suất bẫy hơi.

Áp suất ngược của bẫy hơi và hơi flash trong đường hồi

Hơi flash là hơi sinh ra từ nước ngưng nóng khi áp suất giảm, và nó là nguồn áp suất ngược dễ bị bỏ qua nhất. Lấy tải 511 kg/h nước ngưng từ hơi 7 barg xả xuống 0 barg: lượng hơi flash khoảng 13,4 %, tức 511 × 0,134 ≈ 68 kg/h. Hơi ở áp suất khí quyển có thể tích khoảng 1,67 m³/kg (tham khảo), nên 68 kg/h chiếm khoảng 114 m³/h. Phần nước còn lại (khoảng 443 kg/h) chỉ chiếm khoảng 0,46 m³/h.

Hỗn hợp này đi chung một ống hồi. Nếu ống chọn theo lưu lượng nước, vận tốc hơi flash sẽ rất cao, tổn thất ma sát tăng mạnh và áp suất ngược của bẫy hơi tăng theo. Vì vậy cỡ ống hồi phải tính cho hỗn hợp hai pha, hoặc tách hơi flash ra ở bình flash để dùng lại ở áp thấp.

Sai lầm thường gặp khi đánh giá áp suất ngược của bẫy hơi

• Tính áp suất ngược chỉ bằng độ cao. Thực tế phải cộng cả áp đường hồi, ma sát và áp bồn thu hồi.
• Dùng áp suất hơi thay cho chênh áp khi chọn cỡ bẫy, nên bẫy chọn quá nhỏ và thiết bị ngập nước.
• Cho rằng DN ống nối quyết định công suất. Công suất xả được quyết định bởi ΔP và cỡ lỗ van.
• Đo áp suất ngược khi hệ thống chạy non tải. Khi đầy tải, hơi flash và lưu lượng lớn hơn nên áp suất ngược cao hơn.
• Tính ống hồi như chỉ chứa nước. Hơi flash chiếm thể tích lớn gấp hàng trăm lần nước nên ống chọn theo lưu lượng nước sẽ quá nhỏ và tạo áp suất ngược cao.

Cách giảm và xử lý áp suất ngược của bẫy hơi

Các biện pháp, từ rẻ đến đắt:

• Giảm độ nâng: hạ cao độ ống hồi để giảm 0,1 bar mỗi mét.
• Tăng cỡ ống hồi: ống lớn hơn giảm vận tốc và tổn thất ma sát, nhất là khi có hơi flash.
• Tách đường hồi: bẫy áp cao và bẫy áp thấp không nên chung một ống, vì bẫy áp thấp bị ngập khi đường hồi tăng áp.
• Lắp van một chiều sau bẫy: chặn nước chảy ngược khi nâng nước hoặc khi ngừng hơi.
• Chọn kiểu bẫy phù hợp: với áp suất ngược cao, chọn bẫy phao hoặc gầu đảo thay vì đồng tiền.
• Dùng bơm nước ngưng: khi phải nâng cao hoặc đường hồi có áp lớn, bơm đẩy nước ngưng đi và bẫy chỉ cần xả vào bình hứng gần như không có áp suất ngược.

Vị trí lắp bẫy, chân góp và độ dốc đường nước ngưng cũng ảnh hưởng tới kết quả. Các lưu ý này có trong bài 10 lưu ý khi lắp đặt bẫy hơi.

Đánh giá áp suất ngược của bẫy hơi tại hệ thống đang chạy

Khi cải tạo hệ thống để thu hồi nước ngưng từ các bẫy đang xả ra khí quyển, điều đầu tiên là xác định áp suất ngược của bẫy hơi mới. Trước đây áp suất ngược bằng 0, còn sau khi nối vào đường hồi thì ΔP giảm và công suất xả giảm theo. Một bẫy đủ cỡ trước đây có thể không còn đủ.

1. Lắp đồng hồ áp suất ở sau bẫy hoặc trên đường hồi gần bẫy, và đọc khi hệ thống đang đầy tải.
2. So sánh với áp suất vào để tính ΔP và tỷ lệ áp suất ngược của bẫy hơi trên áp suất vào.
3. Đối chiếu với công suất xả ở ΔP đó trong catalog và với tải nước ngưng cần xả, kèm hệ số an toàn.
4. Nếu thiết bị ngập nước dù bẫy chạy, kiểm tra áp suất ngược của bẫy hơi trước khi thay bẫy.

Nếu bạn muốn xem lại cấu hình bẫy trong hệ thống hiện hữu, hãy tham khảo danh mục các sản phẩm bẫy hơi và gửi cho chúng tôi áp suất vào, áp suất sau bẫy, tải nước ngưng, DN và kiểu nối. Địa chỉ làm việc của chúng tôi là Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.