Hoạt động của bẫy hơi dựa trên một việc duy nhất: phân biệt nước ngưng với hơi sống rồi chỉ cho nước ngưng và khí đi qua. Mỗi kiểu bẫy phân biệt theo một cách khác nhau, dựa vào độ nổi, độ giãn nở của kim loại, áp suất hơi trong viên nang hoặc tốc độ dòng chảy. Bài này đi qua chu trình mở và đóng của từng kiểu, kèm nhiệt độ nước xả, khả năng xả khí và điểm yếu để bạn đối chiếu với hệ thống của mình.
Khái niệm chung, cấu tạo và ba nhóm cơ học, nhiệt tĩnh, nhiệt động nằm trong bài tổng quan các loại bẫy hơi. Ở đây chúng tôi đi sâu vào hoạt động của bẫy hơi ở mức cơ chế. Nếu bạn cần đặt các kiểu lên cùng một bảng tiêu chí, hãy xem bài bảng đối chiếu bẫy hơi theo 10 tiêu chí.
Nguyên lý chung trong hoạt động của bẫy hơi
Hơi bão hòa nhả ẩn nhiệt khi ngưng tụ. Ở 7 barg, mỗi kg hơi nhả khoảng 2.048 kJ và biến thành 1 kg nước ngưng có nhiệt độ 170 °C. Nước ngưng vẫn mang nhiệt hiện (khoảng 721 kJ/kg) nhưng đã hết ẩn nhiệt để cấp cho thiết bị; nếu đọng lại, nó chiếm chỗ của hơi trên bề mặt truyền nhiệt, nên phải được đưa ra khỏi thiết bị ngay. Bẫy hơi làm đúng ba việc: xả nước ngưng, xả khí không ngưng (chủ yếu là không khí) và giữ hơi lại.
Để làm được, bẫy dựa vào ba dấu hiệu vật lý khác nhau giữa hơi và nước ngưng:
- Khối lượng riêng: nước nặng hơn hơi hàng trăm lần, nên có thể dùng phao hoặc gầu đảo để cảm nhận mực nước (nhóm cơ học).
- Nhiệt độ: nước ngưng thường nguội hơn hơi bão hòa, nên có thể dùng lưỡng kim, ống xếp hoặc viên nang để cảm nhận (nhóm nhiệt tĩnh).
- Vận tốc và động năng: nước ngưng nóng khi qua khe hẹp sẽ tạo hơi flash tốc độ cao, và bẫy đồng tiền dùng chính hiện tượng này để đóng van (nhóm nhiệt động).
Hơi flash là hơi sinh ra từ nước ngưng nóng khi áp suất giảm. Nước ngưng ở 7 barg xả xuống 0 barg sẽ bay hơi khoảng (721 − 419) ÷ 2.257 ≈ 13,4 % khối lượng. Đây không phải hơi rò, nhưng nhìn từ xa dễ nhầm. Cần nắm điều này để hiểu hoạt động của bẫy hơi đồng tiền ở phần sau.
Công suất xả của mọi kiểu bẫy phụ thuộc vào chênh áp làm việc, tức áp suất trước bẫy trừ áp suất sau bẫy. Phần này được phân tích riêng trong bài áp suất ngược và chênh áp của bẫy.
Hoạt động của bẫy hơi phao – nhiệt tĩnh (F&T)
Cấu tạo chính
Bẫy phao – nhiệt tĩnh (F&T, viết tắt từ Float and Thermostatic) có hai cụm làm việc song song trong cùng một thân. Cụm thứ nhất là quả phao rỗng nối qua cần đòn tới van xả đặt ở đáy. Cụm thứ hai là phần tử nhiệt tĩnh (viên nang hoặc ống xếp) đặt ở phần trên, dùng để xả không khí.
Chu trình hoạt động của bẫy hơi phao
- Khởi động: thân bẫy đầy không khí lạnh. Phần tử nhiệt tĩnh đang ở trạng thái mở nên không khí thoát nhanh ra đường nước ngưng. Van phao vẫn đóng vì chưa có đủ nước để nâng phao.
- Hơi tới: khi hơi bão hòa vào thân, nhiệt độ tăng, phần tử nhiệt tĩnh giãn nở và đóng lại, không cho hơi thoát.
- Làm việc: nước ngưng dâng lên, nâng phao, kéo cần đòn mở van xả. Lượng nước càng nhiều, phao càng nổi cao và van mở càng rộng. Khi nước ít, phao hạ xuống và van khép lại.
- Khí tích tụ giữa chừng: nếu không khí lọt vào theo hơi và tụ ở đỉnh thân, nhiệt độ ở đó giảm, phần tử nhiệt tĩnh mở ra và xả khí đi, rồi đóng lại khi hơi quay lại.
Van xả nằm dưới mực nước, nên lúc nào cũng có một lớp nước làm kín chắn ở cửa van. Hơi không thể đi qua lớp nước này. Đó là lý do bẫy phao ít rò hơi khi còn nguyên vẹn.
Nhiệt độ xả, xả khí và điểm yếu trong hoạt động của bẫy hơi phao
Hoạt động của bẫy hơi phao có đặc trưng là xả liên tục, theo đúng lượng nước ngưng hình thành, và nước ra có nhiệt độ sát nhiệt độ bão hòa. Nhờ vậy nó giữ bề mặt trao đổi nhiệt không bị ngập, và vẫn làm việc tốt khi chênh áp chỉ vài phần mười bar. Vì lý do này, các thiết bị có van điều khiển nhiệt độ như bộ gia nhiệt nước, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hoặc ống chùm thường dùng bẫy phao.
Điểm yếu nằm ở quả phao mỏng. Búa nước làm móp phao, và khi nước đóng băng trong thân thì thân bẫy có thể nứt. Bẫy còn phải lắp đúng tư thế, nằm ngang đúng chiều thiết kế, nếu không phao không nâng đúng và van không kín. Thông tin về tư thế lắp nằm trong bài định hướng cài đặt cho từng loại bẫy. Bạn có thể xem dòng sản phẩm tại trang bẫy hơi bóng phao.
Hoạt động của bẫy hơi gầu đảo
Cấu tạo chính
Bẫy gầu đảo gồm một chiếc gầu úp ngược, miệng gầu hướng xuống. Gầu nối với van xả đặt ở đỉnh thân qua một cần đòn. Trên đỉnh gầu có một lỗ thông rất nhỏ. Đường vào dẫn nước ngưng và hơi xuống dưới miệng gầu, còn đường ra nằm trên cao.
Chu trình hoạt động của bẫy hơi gầu đảo
- Nước ngưng vào: nước tràn đầy gầu và thân bẫy. Gầu mất sức nổi, nặng xuống và kéo cần đòn mở van xả. Áp suất hơi đẩy nước ngưng ra qua van.
- Hơi vào gầu: khi nước đã xả hết, hơi sống đi vào gầu. Hơi nhẹ làm gầu nổi lên trong nước bao quanh, đẩy cần đòn đóng van lại.
- Mở lại: hơi trong gầu thoát dần qua lỗ thông trên đỉnh, hoặc ngưng lại, gầu tích nước và lại chìm xuống. Chu kỳ lặp lại.
Nhiệt độ xả, xả khí và điểm yếu trong hoạt động của bẫy hơi gầu đảo
Hoạt động của bẫy hơi gầu đảo là xả gián đoạn và nước ra sát nhiệt độ bão hòa. Không khí đi qua lỗ thông nhỏ trên đỉnh gầu nên xả khí chậm. Lỗ này cũng cho một lượng hơi rất nhỏ lọt qua, đây là tổn thất nhỏ được chấp nhận trong thiết kế.
Bẫy cần lớp nước làm kín (prime) ở miệng gầu. Nếu hơi quá nhiệt hoặc áp suất đường vào tụt đột ngột, nước làm kín bốc hơi hết. Khi đó hơi bao cả trong lẫn ngoài gầu, gầu không còn lực nổi, nằm ở đáy và giữ van mở, nên bẫy thổi hơi thẳng ra đường nước ngưng. Cách xử lý thông dụng là lắp van một chiều ở đầu vào và đổ nước làm kín khi khởi động lại. Ngoài ra, nước giữ trong thân dễ đóng băng khi dừng hệ thống ở nơi lạnh.
Gầu đảo chịu búa nước tốt vì cơ cấu chắc, và phải lắp thẳng đứng, vào dưới ra trên. Mẫu bán sẵn có tại bẫy hơi gầu đảo.
Hoạt động của bẫy hơi lưỡng kim
Hoạt động của bẫy hơi lưỡng kim bắt đầu từ một chồng tấm ghép từ hai kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Khi nóng, kim loại giãn nhiều hơn kéo cả tấm uốn về một phía. Chuyển động này đẩy hoặc kéo một ty van áp vào đế van.
Hoạt động của bẫy hơi lưỡng kim diễn ra như sau. Khi nước ngưng còn nguội hơn hơi, tấm lưỡng kim thẳng và van mở, nước và khí đi ra tự do. Khi nhiệt độ quanh tấm tiến gần nhiệt độ hơi, tấm uốn và đóng van. Nước ngưng tích lại phía trước van, nguội đi một phần, tấm duỗi ra và van mở lại. Bẫy xả theo kiểu điều biến, và điểm đóng van chỉnh được ở nhiều mẫu.
Hệ quả là nước ra nguội hơn nhiệt độ bão hòa vài chục độ (tham khảo, tùy mức chỉnh). Ví dụ minh họa: hơi 7 barg có nhiệt độ bão hòa 170 °C. Nếu bẫy chỉ mở khi nước nguội xuống 150 °C, mỗi kg nước ngưng nhả thêm khoảng 4,19 × 20 ≈ 84 kJ. Với tải 511 kg/h, phần nhiệt hiện thu thêm là khoảng 511 × 84 ≈ 42.900 kJ/h, tương đương 12 kW. Đổi lại, nước ngưng ứ lại trong thiết bị hoặc ống phía trước bẫy.
Vì thế bẫy lưỡng kim hợp với tracing và các điểm xả đọng có chân góp hoặc đoạn ống làm nguội đủ dài, nơi một đoạn nước ứ không gây hại. Nó không hợp với thiết bị cần truyền nhiệt đều, và khi dùng cho đường ống chính phải bảo đảm nước ứ không dâng ngược lên ống hơi. Ưu điểm khác là xả khí tốt, chịu búa nước và đóng băng tốt, thân nhỏ gọn và lắp linh hoạt. Điểm yếu là phản ứng chậm khi tải tăng đột ngột, và các tấm có thể bị mỏi sau nhiều chu kỳ.
Hoạt động của bẫy hơi ống xếp và viên nang (áp suất cân bằng)
Hoạt động của bẫy hơi ống xếp và viên nang giống nhau ở chỗ cùng dùng một phần tử nhiệt tĩnh kín, bên trong chứa chất lỏng có điểm sôi thấp hơn nước. Khi phần tử nóng lên, chất lỏng bay hơi và tạo áp suất đẩy van đóng. Viên nang dùng màng mỏng, còn ống xếp dùng ống kim loại gấp nếp.
Gọi là bẫy áp suất cân bằng vì áp suất hơi bên trong phần tử bám theo đường cong bão hòa của nước. Nhờ đó phần tử đóng khi nhiệt độ ngoài gần nhiệt độ bão hòa ở bất kỳ áp suất nào. Nước ngưng nguội hơn bão hòa vài độ làm phần tử co lại và mở van. Mức hạ nhiệt này khoảng 4–13 K tùy loại (tham khảo).
Hoạt động của bẫy hơi áp suất cân bằng cho xả khí rất tốt vì khi còn không khí, nhiệt độ thấp nên van mở hoàn toàn. Nó cũng chịu đóng băng tốt khi lắp đúng hướng tự xả. Nhược điểm quan trọng là kém chịu búa nước, vì viên nang dễ bị móp hoặc vỡ. Hơi quá nhiệt và nước ngưng ăn mòn cũng làm giảm tuổi thọ phần tử. Bẫy áp suất cân bằng thường dùng cho tracing, gia nhiệt nhỏ và các điểm xả đọng nơi cần xả khí nhanh. Mẫu bán sẵn xem tại bẫy hơi nhiệt tĩnh.
Hoạt động của bẫy hơi đồng tiền (nhiệt động)
Cấu tạo chính
Bẫy đồng tiền chỉ có một chi tiết chuyển động là chiếc đĩa phẳng, nằm giữa đế van và nắp tạo thành buồng điều khiển. Đĩa thường làm bằng thép không gỉ tôi cứng để chịu mài mòn do dòng chảy tốc độ cao.
Chu trình hoạt động của bẫy hơi đồng tiền
- Khởi động: nước ngưng lạnh và không khí đẩy đĩa lên khỏi đế, đi qua khe hở rồi ra ngoài.
- Nước nóng đến gần bão hòa: khi đi qua khe hẹp, nước giảm áp và sinh hơi flash. Dòng hơi tốc độ cao làm áp suất tĩnh dưới đĩa giảm (theo nguyên lý Bernoulli), kéo đĩa xuống gần đế.
- Đóng: hơi flash lọt vào buồng điều khiển phía trên đĩa. Áp suất ở đó tác dụng lên toàn bộ diện tích mặt trên, lớn hơn diện tích mặt dưới chịu áp suất vào, nên đĩa bị ép sát đế, đóng dứt khoát.
- Mở lại: hơi trong buồng nhả nhiệt qua nắp ra môi trường rồi ngưng tụ, áp suất trên đĩa giảm. Áp suất vào nâng đĩa lên và chu kỳ mới bắt đầu.
Nhiệt độ xả, xả khí và điểm yếu trong hoạt động của bẫy hơi đồng tiền
Hoạt động của bẫy hơi đồng tiền là xả gián đoạn, nước ra sát bão hòa. Nó chịu búa nước rất tốt, chịu đóng băng tốt khi lắp ngang tự xả, thân nhỏ gọn và nhẹ. Các điểm yếu cần biết:
- Khóa khí: nếu khởi động nhanh, không khí chiếm buồng điều khiển và đĩa đóng chặt vì không khí không ngưng tụ.
- Áp suất ngược: phải thấp hơn khoảng 80 % áp suất vào (tham khảo, theo hãng), nếu không đĩa không đóng dứt khoát.
- Áp suất vào tối thiểu khoảng 0,25 barg (tham khảo) thì bẫy mới chu kỳ được.
- Hao mòn đĩa: sau nhiều chu kỳ, đĩa và đế mòn, hơi rò ra và chu kỳ đóng mở ngày càng nhanh.
Hoạt động của bẫy hơi đồng tiền còn kéo theo một lượng hơi flash khi xả, nên khi quan sát chớ vội kết luận là bẫy hỏng. Các mẫu đang bán xem tại trang bẫy hơi đồng tiền.
Hoạt động của bẫy hơi piston và tiết lưu
Hoạt động của bẫy hơi tiết lưu dựa vào một lỗ có tiết diện cố định. Nước ngưng đặc, nặng nên đi qua lỗ nhỏ với khối lượng lớn. Hơi nhẹ hơn rất nhiều, nên qua cùng lỗ đó chỉ mang được khối lượng nhỏ hơn. Dòng chảy vì vậy liên tục, và lượng nước ngưng đi qua tăng giảm theo chênh áp.
Ở kiểu piston (còn gọi là bẫy xung, tùy thiết kế từng hãng), piston rỗng trượt trong ống lót và có một lỗ điều khiển nhỏ xuyên qua. Áp suất trong buồng phía trên piston thay đổi theo lượng nước nóng bốc hơi qua lỗ này, nên piston nâng hạ và tiết diện xả thay đổi theo tải.
Nhờ vậy bẫy thích ứng với tải biến đổi tốt hơn lỗ cố định, nhưng lỗ điều khiển luôn cho một dòng nhỏ đi qua, kể cả khi chỉ có hơi.
Ưu điểm trong hoạt động của bẫy hơi piston và tiết lưu là ít chi tiết chuyển động, chịu búa nước và đóng băng tốt, lắp linh hoạt. Điểm yếu là bẫy lỗ cố định chỉ đúng với một mức tải và chênh áp. Nếu tải tăng, nước ngưng ứ lại. Nếu tải giảm, lỗ quá lớn và hơi lọt qua. Xả khí cũng hạn chế. Kiểu này hợp với những chỗ tải ổn định, ví dụ các điểm xả đọng cuối ống hoặc thiết bị chạy đều.
Bảng tổng hợp hoạt động của bẫy hơi theo 7 kiểu
Bảng dưới gom đặc điểm hoạt động của bẫy hơi để bạn nhìn nhanh. Các giá trị nhiệt độ nước xả là mức tham khảo và có thể khác theo hãng.
| Kiểu bẫy | Kiểu xả | Nhiệt độ nước xả | Xả khí | Điểm yếu chính |
|---|---|---|---|---|
| Phao – nhiệt tĩnh | Liên tục, theo tải | Sát bão hòa | Tốt (có phần tử nhiệt tĩnh) | Phao dễ móp khi búa nước, sợ đóng băng, phải lắp nằm ngang |
| Gầu đảo | Gián đoạn | Sát bão hòa | Chậm (qua lỗ thông nhỏ) | Mất nước làm kín với hơi quá nhiệt, sợ đóng băng |
| Lưỡng kim | Điều biến | Nguội hơn bão hòa vài chục độ (tham khảo) | Rất tốt | Phản ứng chậm, nước ứ trước bẫy |
| Ống xếp | Gián đoạn hoặc điều biến | Thấp hơn bão hòa khoảng 4–13 K (tham khảo) | Rất tốt | Hơi quá nhiệt và nước ngưng ăn mòn gây hại phần tử |
| Viên nang | Gián đoạn hoặc điều biến | Thấp hơn bão hòa khoảng 4–13 K (tham khảo) | Rất tốt | Viên nang dễ vỡ khi búa nước |
| Đồng tiền | Gián đoạn, đóng mở dứt khoát | Sát bão hòa | Có, nhưng bị khóa khí khi khởi động nhanh | Sợ áp suất ngược cao, đĩa mòn dần |
| Piston, tiết lưu | Liên tục | Gần bão hòa | Hạn chế | Chỉ hợp tải ổn định, lỗ cố định dễ ngập hoặc rò |
Chọn kiểu theo hoạt động của bẫy hơi: vài quy tắc thực tế
Hiểu hoạt động của bẫy hơi giúp chọn đúng vị trí. Thiết bị trao đổi nhiệt có van điều khiển nhiệt độ cần xả liên tục và làm việc được khi chênh áp nhỏ, nên bẫy phao – nhiệt tĩnh phù hợp. Đường ống chính và điểm xả đọng thường dùng bẫy đồng tiền hoặc gầu đảo vì chịu búa nước. Tracing dùng bẫy nhiệt tĩnh hoặc lưỡng kim vì xả khí tốt và cho phép nước ứ một đoạn. Quy trình đầy đủ gồm 6 bước nằm trong bài hướng dẫn lựa chọn bẫy hơi.
Với hơi quá nhiệt, tránh kiểu mất nước làm kín như gầu đảo mà không có van một chiều, và tránh viên nang. Với nơi có nguy cơ đóng băng, ưu tiên kiểu không giữ nước trong thân như đồng tiền, lưỡng kim, nhiệt tĩnh lắp đúng hướng.
Khi nào hoạt động của bẫy hơi bị lệch và hậu quả
Hoạt động của bẫy hơi đúng nghĩa là xả hết nước ngưng và khí mà không để hơi sống lọt qua. Khi cơ cấu bị mòn hoặc bẩn, bẫy có hai kiểu hỏng chính. Hỏng mở cho hơi thoát thẳng, gây tổn thất. Hỏng đóng làm nước ngưng ứ, giảm truyền nhiệt, gây búa nước và ăn mòn.
Lượng hơi rò qua lỗ Ø3 mm ở 7 barg khoảng 15–20 kg/h (tham khảo). 15 kg/h chạy 8.000 giờ/năm là 120 tấn hơi mỗi năm. Cách ước tính chi phí được trình bày trong bài tổn thất năng lượng qua bẫy hơi. Các dạng sự cố và cách xử lý nằm ở bài lỗi thường gặp của bẫy hơi.
Hệ thống không bảo trì 3–5 năm có thể có 15–30 % bẫy hỏng (theo US DOE, tham khảo). Vì vậy việc nắm rõ hoạt động của bẫy hơi chỉ có ích khi đi kèm kiểm tra định kỳ.
Nếu cần đánh giá hoạt động của bẫy hơi đang chạy tại nhà máy, bạn có thể gửi cho chúng tôi ứng dụng, áp suất, nhiệt độ, tải nước ngưng và kiểu nối để được tư vấn kiểu bẫy hợp lý. Chúng tôi làm việc tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Bẫy hơi phân biệt hơi và nước ngưng bằng cách nào?
Mỗi nhóm bẫy dùng một dấu hiệu riêng. Bẫy cơ học dựa vào khối lượng riêng, nên phao hoặc gầu nổi chìm theo mực nước. Bẫy nhiệt tĩnh dựa vào nhiệt độ, nên tấm lưỡng kim hoặc viên nang đổi hình khi nước ngưng nguội hơn hơi. Bẫy nhiệt động dựa vào hơi flash tốc độ cao làm đĩa đóng.
Vì sao bẫy phao xả liên tục còn bẫy đồng tiền xả gián đoạn?
Bẫy phao có van chạy theo mực nước, nước tới bao nhiêu thì van mở bấy nhiêu nên dòng liên tục. Bẫy đồng tiền chỉ có đĩa đóng hoặc mở, đóng khi hơi flash dồn áp trên đĩa và mở lại khi hơi này ngưng. Vì vậy nó xả thành từng đợt.
Vì sao bẫy gầu đảo có thể thổi hơi?
Gầu đảo cần lớp nước làm kín ở miệng gầu. Nếu hơi quá nhiệt hoặc áp suất vào giảm đột ngột, nước làm kín bốc hơi hết, gầu mất lực nổi, nằm ở đáy giữ van mở nên hơi thổi thẳng ra. Lắp van một chiều ở đầu vào và mồi lại nước khi khởi động giúp hạn chế tình trạng này.
Nước ngưng xả ra có luôn bằng nhiệt độ hơi không?
Không. Bẫy phao, gầu đảo, đồng tiền xả nước sát nhiệt độ bão hòa. Bẫy lưỡng kim xả nguội hơn vài chục độ, còn bẫy ống xếp và viên nang nguội hơn khoảng 4–13 K, đều là mức tham khảo. Nước nguội hơn nghĩa là bẫy giữ nước ứ lại trước khi mở.
Bẫy đồng tiền có chịu được áp suất ngược cao không?
Hạn chế. Áp suất ngược nên thấp hơn khoảng 80 % áp suất vào (tham khảo, theo hãng). Quá mức này, áp suất dưới đĩa không còn đủ chênh để đĩa đóng dứt khoát, chu kỳ nhanh dần rồi bẫy có thể kẹt mở. Cần kiểm tra số liệu của hãng khi chọn.
Bẫy hơi nào hợp với thiết bị có van điều khiển nhiệt độ?
Nên chọn bẫy phao – nhiệt tĩnh. Nó xả liên tục theo tải, xả khí tốt và làm việc được khi chênh áp nhỏ, nên bề mặt trao đổi nhiệt ít bị ngập nước. Hệ số an toàn khi chọn cỡ thường là 2–3 lần tải tính toán (tham khảo).
