Kích thước của bẫy hơi và vị trí điểm xả: cách tính tải nước ngưng

Kích thước của bẫy hơi được quyết định bởi công suất xả nước ngưng (kg/h) ở chênh áp làm việc thực tế, không theo đường kính ống DN. Hai bẫy cùng nối DN15 có thể xả vài chục kg/h hoặc hơn một nghìn kg/h tùy cỡ lỗ xả bên trong và áp suất hai phía. Vì vậy muốn xác định kích thước của bẫy hơi cho đúng, bạn cần ba con số: tải nước ngưng, áp suất trước bẫy và áp suất sau bẫy.

Bài này hướng dẫn xác định kích thước của bẫy hơi: tính tải nước ngưng cho thiết bị và đường ống, áp hệ số an toàn, rồi xác định vị trí điểm xả trên đường hơi. Nếu bạn chưa rõ bẫy làm nhiệm vụ gì, hãy đọc trước phần phân loại và nguyên lý các loại bẫy hơi. Áp suất trong bài tính theo barg (bar áp suất dư), hơi là hơi bão hòa.

Kích thước của bẫy hơi phụ thuộc vào công suất xả, không phải DN ống

Bên trong thân bẫy có một cửa xả với tiết diện nhất định. Nước ngưng chảy qua cửa này nhờ chênh áp ΔP = áp suất trước bẫy − áp suất sau bẫy (áp suất ngược). Cùng một cửa xả, ΔP càng lớn thì lưu lượng xả càng cao. Vì thế hãng công bố công suất xả theo từng mức ΔP, và kích thước của bẫy hơi phải được đọc từ biểu đồ đó thay vì suy ra từ đường kính ống.

Cổng nối DN15, DN20, DN25 chỉ cho biết kích cỡ nối ống, không phải kích thước của bẫy hơi. Một thân DN15 thường có nhiều cỡ cửa xả khác nhau cho nhiều dải ΔP. Do đó khi bạn nghe nói “bẫy DN15 xả được bao nhiêu” thì câu hỏi chưa đủ dữ kiện; cần thêm ΔP và loại bẫy. Cách tính áp suất sau bẫy được nêu trong bài về áp suất ngược và chênh áp của bẫy.

Áp suất ngược làm giảm công suất xả và đổi kích thước của bẫy hơi

Áp suất sau bẫy gồm ba phần: chiều cao nâng nước ngưng, áp suất của đường hồi và tổn thất ma sát. Nâng nước ngưng lên cao 1 m cần khoảng 0,1 bar. Ví dụ: bẫy ở 5 barg, nâng nước lên ống hồi cao 6 m, đường hồi có áp 0,3 barg, ma sát khoảng 0,1 bar thì áp suất ngược ≈ 0,6 + 0,3 + 0,1 = 1,0 barg. Chênh áp làm việc ΔP ≈ 5 − 1,0 = 4 bar.

Nếu bỏ qua áp suất ngược và tra biểu đồ ở ΔP = 5 bar, bạn sẽ đọc ra công suất cao hơn thực tế, chọn kích thước của bẫy hơi nhỏ hơn mức cần và bẫy sẽ xả không kịp. Bẫy đồng tiền còn có giới hạn riêng: áp suất ngược tối đa khoảng 80% áp suất vào (tham khảo, theo hãng). Với ví dụ trên, 1,0 barg trên 5 barg là 20%, còn rất xa giới hạn đó.

Sáu bước xác định kích thước của bẫy hơi

1. Xác định ứng dụng và loại bẫy phù hợp (đường ống, thiết bị có điều khiển nhiệt độ, tracing). Phần này nằm trong quy trình 6 bước lựa chọn bẫy hơi.
2. Tính tải nước ngưng m (kg/h) ở điều kiện thực tế: khởi động, vận hành, đầy tải.
3. Nhân hệ số an toàn tương ứng ứng dụng, ra tải tính chọn.
4. Xác định ΔP nhỏ nhất xảy ra khi bẫy phải xả đủ tải: áp suất trước bẫy trừ áp suất ngược.
5. Tra biểu đồ công suất xả của hãng ở ΔP đó, chọn cỡ cửa xả có công suất lớn hơn hoặc bằng tải tính chọn.
6. Kiểm tra PMO (áp suất vận hành tối đa của cơ cấu) và PMA/TMA của thân, rồi chọn kiểu nối, vật liệu.

Bước 4 là bước hay sai nhất khi xác định kích thước của bẫy hơi. Khi van điều khiển hạ áp suất trong thiết bị ở tải thấp, ΔP giảm theo và công suất xả của bẫy giảm mạnh, nên cần kiểm tra ΔP ở điều kiện bất lợi nhất chứ không phải ở điều kiện danh định. Chọn bẫy có PMO lớn hơn hoặc bằng áp suất hơi lớn nhất có thể xảy ra, kể cả khi van giảm áp phía trước bị hỏng.

Cách tính tải nước ngưng để xác định kích thước của bẫy hơi

Thiết bị trao đổi nhiệt: m = Q ÷ hfg

Hơi cấp nhiệt bằng cách ngưng tụ nên mỗi kilôgam hơi nhả ẩn nhiệt hfg, và lượng nước ngưng sinh ra bằng nhiệt cần truyền chia cho hfg. Công thức: m (kg/h) = Q (kJ/h) ÷ hfg (kJ/kg). Ẩn nhiệt hfg thay đổi theo áp suất, nên bạn dùng giá trị ở áp suất làm việc của thiết bị.

Ví dụ 1: đun 5 m³/h nước từ 20 lên 70 °C bằng hơi 7 barg. Nhiệt cần truyền Q = 5.000 kg/h × 4,19 kJ/kg·K × 50 K = 1.047.500 kJ/h. Tải nước ngưng m = 1.047.500 ÷ 2.048 ≈ 511 kg/h. Cùng nhiệt lượng đó nếu dùng hơi 5 barg thì m = 1.047.500 ÷ 2.086 ≈ 502 kg/h, tức hơi áp thấp hơn cần lượng hơi ít hơn một chút vì ẩn nhiệt lớn hơn. Đây là bước đầu để xác định kích thước của bẫy hơi cho thiết bị.

Đường ống hơi: tải khởi động và tải vận hành

Tải nước ngưng của đường ống, căn cứ để chọn kích thước của bẫy hơi ở điểm xả, có hai chế độ. Khi khởi động, hơi phải làm nóng khối thép của ống từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ hơi, nên lượng nước ngưng lớn nhưng chỉ trong thời gian ngắn. Khi vận hành, nước ngưng sinh ra chỉ bù phần nhiệt tỏa ra môi trường qua lớp bảo ôn, nhỏ hơn nhiều.

Công thức khởi động: m = khối lượng thép × 0,49 kJ/kg·K × ΔT ÷ (hfg × thời gian). Ví dụ 2: 100 m ống DN100 SCH40 nặng khoảng 16,1 kg/m, nên 1.610 kg thép. Làm nóng từ 20 lên 170 °C (hơi 7 barg), tăng 150 K, trong 20 phút: 1.610 × 0,49 × 150 ≈ 118.300 kJ. Chia cho hfg = 2.048 được khoảng 57,8 kg nước ngưng trong 20 phút, tức ≈ 173 kg/h, đầu vào để xác định kích thước của bẫy hơi cho điểm xả.

Vận hành: ống DN100 bọc bảo ôn mất khoảng 80–100 W/m (tham khảo). 100 m × 90 W = 9 kW = 32.400 kJ/h, chia 2.048 được khoảng 16 kg/h. Tải khởi động (173 kg/h) lớn hơn tải vận hành (16 kg/h) cỡ mười lần, nên kích thước của bẫy hơi ở điểm xả đường ống thường được chọn theo tải khởi động. Tải này được chia cho số điểm xả trên đoạn ống; với 100 m và khoảng cách 30–50 m thường có 2–3 điểm xả.

Hệ số an toàn giữ kích thước của bẫy hơi đủ cho sai số tính toán, tải đỉnh khi khởi động và chênh áp tạm thời giảm. Thiết bị trao đổi nhiệt có điều khiển nhiệt độ dùng hệ số ×2–3, hoặc thay vào đó chọn theo ΔP nhỏ nhất khi đầy tải. Cả hai cách đều nhằm tránh chọn kích thước của bẫy hơi quá nhỏ. Nhưng đừng nhân hệ số mù quáng: nhân thêm lên lại dẫn tới quá cỡ, như phần sau phân tích.

Ví dụ tính đầy đủ kích thước của bẫy hơi

Đề bài: gia nhiệt 5 m³/h nước từ 20 lên 70 °C bằng hơi 5 barg lấy từ lưới 7 barg qua van giảm áp. Nước ngưng được nâng lên ống hồi cao 6 m, đường hồi có áp 0,3 barg, ma sát khoảng 0,1 bar. Thiết bị có van điều khiển nhiệt độ.

1. Tải nước ngưng: Q = 5.000 × 4,19 × 50 = 1.047.500 kJ/h. Với hfg (5 barg) = 2.086 kJ/kg, m = 1.047.500 ÷ 2.086 ≈ 502 kg/h.
2. Hệ số an toàn: thiết bị có điều khiển nhiệt độ, lấy ×2, tải tính chọn ≈ 1.004 kg/h.
3. Áp suất ngược: 6 m × 0,1 bar/m = 0,6 bar, cộng 0,3 barg của đường hồi và 0,1 bar ma sát, được ≈ 1,0 barg.
4. Chênh áp: ΔP = 5 − 1,0 = 4 bar (giả định van điều khiển mở hoàn toàn nên áp trong thiết bị bằng áp cấp 5 barg).
5. Tra biểu đồ của hãng ở ΔP = 4 bar để tìm cỡ cửa xả có công suất ≥ 1.004 kg/h. Chọn kiểu bẫy theo ứng dụng; thiết bị có điều khiển nhiệt độ ưu tiên bẫy phao – nhiệt tĩnh vì xả liên tục và làm việc được khi ΔP nhỏ.
6. Kiểm tra PMO: lưới cấp 7 barg và van giảm áp có thể hỏng mở, nên chọn bẫy có PMO ≥ 7 barg. Thân và bích chọn theo cấp áp phù hợp, ví dụ PN16 hoặc Class 150; lưu ý cấp áp của thân là giới hạn PMA, khác với PMO của cơ cấu.

Kết quả của ví dụ về kích thước của bẫy hơi là một điều kiện chọn (≥ 1.004 kg/h ở ΔP 4 bar, PMO ≥ 7 barg), không phải một mã sản phẩm cụ thể. Mã hàng chỉ chốt được sau khi đối chiếu biểu đồ công suất của hãng bạn chọn. Nếu thiết bị có thể chạy ở tải thấp với áp trong thiết bị giảm còn 2 barg, ΔP chỉ còn 1,0 bar và bạn phải kiểm tra lại kích thước của bẫy hơi ở ΔP đó.

Hậu quả khi kích thước của bẫy hơi quá nhỏ hoặc quá lớn

Chọn kích thước của bẫy hơi nhỏ hơn tải thật là lỗi nặng hơn, vì hậu quả là ngập thiết bị và búa nước. Nếu kích thước của bẫy hơi lớn hơn một cấp so với tính toán, thường chỉ tốn thêm chi phí và mòn nhanh hơn. Ý chính là xác định kích thước của bẫy hơi theo tải đã nhân hệ số an toàn hợp lý, không nhân chồng nhiều lớp.

Ngoài kích thước của bẫy hơi, đường ống nối sau bẫy cũng phải đủ lớn. Ống nước ngưng sau bẫy không được nhỏ hơn cổng ra của bẫy. Khi nước ngưng 7 barg về ống hồi áp thấp, một phần hóa hơi flash (khoảng 13,4% khi xuống 0 barg), thể tích tăng mạnh nên ống hồi cần cỡ lớn hơn mức tính theo nước lỏng để vận tốc hai pha không quá cao.

Vị trí điểm xả trên đường ống hơi

Nước ngưng tạo ra dọc ống hơi, chảy theo đáy ống và được hơi tốc độ cao cuốn thành từng nút. Điểm xả đặt đúng chỗ sẽ gom nước tại các vị trí nó tích tụ. Chi tiết lắp từng bẫy có trong bài 10 lưu ý kỹ thuật khi lắp đặt bẫy hơi. Sau phần tính kích thước của bẫy hơi, phần này nói về việc đặt điểm xả ở đâu và chân góp lớn cỡ nào.

Chân góp (drip pocket) đúng cỡ

Chân góp là đoạn ống đứng nối xuống từ đáy ống chính, có nhiệm vụ gom nước ngưng chảy theo đáy ống và cặn nặng. Nó phải đủ rộng để nước rơi vào mà không bị hơi cuốn đi tiếp. Cỡ chân góp tính theo đường kính ống chính, khác với kích thước của bẫy hơi tính theo tải.

Bẫy lấy nước từ cạnh chân góp, cách đáy một khoảng, không lấy từ đáy. Đáy dành cho cặn và gỉ lắng, kết thúc bằng van xả đáy để xả định kỳ. Nếu lấy từ đáy, cặn sẽ kéo thẳng vào bẫy và làm kẹt cửa xả.

Khoảng cách và các vị trí bắt buộc

Trên đoạn ống thẳng, đặt một điểm xả mỗi 30–50 m (tham khảo). Ống hơi nên dốc xuống theo chiều dòng khoảng 1:100 (tham khảo 1:100–1:250) để nước chảy về điểm xả. Ngoài khoảng cách đều, một số vị trí luôn cần điểm xả.

Van chặn, van giảm áp và van điều khiển nằm cạnh bẫy nên cần chọn đúng; tham khảo các loại van cho lò hơi để biết từng loại phù hợp với hơi ở đâu.

Điểm xả ở thiết bị dùng hơi

Ở thiết bị, kích thước của bẫy hơi tính theo tải riêng của thiết bị đó, còn bẫy đặt thấp hơn cửa ra nước ngưng để nước chảy xuống bẫy nhờ trọng lực, không phụ thuộc vận tốc dòng. Mỗi thiết bị một bẫy riêng, với kích thước của bẫy hơi tính riêng. Nếu nối nhiều thiết bị chung một bẫy (group trapping), áp suất trong các thiết bị khác nhau, nên thiết bị áp thấp không đẩy được nước ngưng ra và bị ngập.

Trước bẫy lắp lọc Y với lưới khoảng 0,8 mm (tham khảo), đặt nhánh lọc nằm ngang trên đường hơi để rọ lọc không đọng nước. Lắp van chặn trước và sau bẫy để tháo bảo trì, thêm van một chiều ở đầu ra khi nước ngưng đi lên hoặc đường hồi chung có áp, tránh nước chảy ngược vào thiết bị.

Thông số cần gửi khi hỏi mua theo kích thước của bẫy hơi

Sau khi tính xong kích thước của bẫy hơi, bạn cần chuyển kết quả thành thông tin để nhà cung cấp chọn đúng cỡ. Danh mục dưới đây gồm các dữ liệu tối thiểu. Danh sách đầy đủ có trong bài về thông số cần chuẩn bị khi mua bẫy hơi tại Hà Nội.

• Ứng dụng: đường ống, thiết bị trao đổi nhiệt, sấy lô, tracing.
• Áp suất vào và áp suất ra (hoặc áp suất ngược), từ đó ΔP; áp suất hơi tối đa có thể xảy ra để chọn PMO.
• Tải nước ngưng đã tính (kg/h) và hệ số an toàn đã dùng.
• Nhiệt độ hơi, hơi bão hòa hay quá nhiệt.
• Kiểu nối và DN: nối ren BSPT/NPT thường dùng cho DN15–DN50; nối bích theo JIS 10K/20K, EN PN16/PN40 hoặc ANSI Class 150/300.
• Vật liệu thân: gang, thép đúc hoặc inox, theo chất lượng nước ngưng và yêu cầu vệ sinh.

Khi chưa chắc về tải, gửi kèm công suất thiết bị (kW hoặc kJ/h), lưu lượng và nhiệt độ sản phẩm được gia nhiệt để kỹ thuật tính lại. Cung cấp thông số sai làm kích thước của bẫy hơi lệch theo.

Bước tiếp theo là tính tải nước ngưng cho từng điểm xả và từng thiết bị theo các ví dụ trên, rồi gửi bảng áp suất, tải, DN và kiểu nối cho kỹ thuật Viva để đối chiếu biểu đồ công suất. Bạn có thể xem danh mục bẫy hơi để chọn kiểu và vật liệu, hoặc đến trực tiếp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.