Giáo trình Nồi hơi tàu thủy

183 trang ngocly 30

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nồi hơi tàu thủy", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_noi_hoi_tau_thuy.pdf

Nội dung text: Giáo trình Nồi hơi tàu thủy

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hiệu đính: TS. Nguyễn Đại An NỒI HƠI TÀU THỦY
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, hơi nước là một trong những công chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dịch vụ. Ta có thể nhận thấy sự có mặt của hơi nước trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội từ những ứng dụng công nghiệp nặng như sản xuất năng lượng, gia công chế tạo đến những nhu cầu hàng ngày của con người như hâm nóng, sấy sưởi Một số liệu thống kê về năng lượng cho thấy tính trên toàn thế giới, 80 – 90% điện năng sản xuất được là từ việc sử dụng hơi nước. Sở dĩ hơi nước phổ biến như vậy là do nó có rất nhiều ưu điểm như: tính kinh tế, sẵn có, không độc hại, có khả năng giãn nở lớn, sinh công lớn Nói riêng về lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy, từ thế kỷ 17 – 18 hơi nước đã được ứng dụng rất phổ biến trên các con tàu để phục vụ cho hệ động chính lai chân vịt. Ngày nay, tuy hệ động lực Diesel gần như đã được trang bị cho toàn bộ đội tàu thế giới, hơi nước vẫn được sử dụng cho nhiều mục đích cần thiết dưới tàu như: sinh công trong các máy phụ, phục vụ sinh hoạt của thuyền viên, là chất công tác trong các thiết bị trao đổi nhiệt Nồi hơi là thiết bị sinh hơi chính trong hệ động lực hơi nước. Với hệ động lực hơi nước ở trên bờ, hơi nước được cấp cho tua bin hơi để lai máy phát điện. Với hệ động lực hơi nước dưới tàu biển, hơi nước được cấp cho tua bin hơi để lai chân vịt tàu thủy. Hiện nay, ở những tàu sử dụng hệ động lực Diesel, khi mà động cơ Diesel là thiết bị động lực chính lai chân vịt tàu thủy thì nồi hơi được sử dụng như một thiết bị phụ phục vụ cho những mục đích như: hâm dầu, sấy không khí Nói chung, nồi hơi là một trong những thiết bị năng lượng quan trọng dưới tàu thủy. Một kỹ sư khai thác máy tàu biển để có thể hoàn thành tốt 1
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY công việc thì cần phải hiểu và nắm vững nguyên lý hoạt động cũng như cách thức khai thác vận hành thiết bị này. “Nồi hơi tàu thủy” là giáo trình được biên soạn để phục vụ cho môn học “Nồi hơi – Tua bin hơi” trong chương trình đào tạo kỹ sư khai thác máy tàu biển của Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Đây cũng là môn học chuyên ngành đầu tiên được giảng dạy vào năm thứ ba. Do đó, để giúp sinh viên tiếp cận kiến thức chuyên môn được tốt, nhóm tác giả gồm TS. Lê Văn Điểm và KS. Hoàng Anh Dũng đã biên soạn và xuất bản giáo trình này. Sách được trình bày một cách lô-gíc, dễ hiểu với nội dung được chia làm các chương mục rõ rệt. Để học tốt môn học này, sinh viên cần nắm vững kiến thức cơ sở chuyên ngành về nhiệt động học kỹ thuật và cần rèn luyện kỹ năng đọc bản vẽ kỹ thuật. Chúng tôi tin rằng cuốn sách sẽ là tài liệu bổ ích và đem lại hiệu quả cho việc học tập của sinh viên. Tuy nhiên, do lần đầu tiên xuất bản và do bản thân tác giả còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế nên thiếu sót là điều không thể tránh khỏi. Trong quá trình sử dụng, chúng tôi mong nhận được và xin chân thành cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của độc giả để sách ngày một hoàn thiện hơn. Tác giả 2
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng MỤC LỤC Chương 1. Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước 8 1.1. Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước 8 1.1.1. Nước và hơi nước 8 1.1.2. Đồ thị pha của nước 9 1.1.3. Các quá trình chuyển pha của nước 10 1.1.4. Độ khô và độ ẩm của hơi nước 12 1.2. Chu trình nhiệt động của thiết bị động lực hơi nước 12 1.2.1. Chu trình Carnot 12 1.2.2. Chu trình Rankine 14 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine 18 1.2.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình có quá nhiệt trung gian 21 1.3. Sử dụng năng lượng hơi nước dưới tàu thủy 25 Chương 2. Giới thiệu chung về nồi hơi tàu thủy 26 2.1. Định nghĩa 26 2.2. Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy 26 2.3. Phân loại nồi hơi tàu thủy 27 2.3.1. Phân loại theo áp suất công tác 27 2.3.2. Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước 28 2.3.3. Phân theo nguồn năng lượng sử dụng 28 2.3.4. Phân theo hình dáng và cách bố trí nồi hơi 29 2.3.5. Phân theo nguyên lý tuần hoàn 30 2.4. Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy 31 2.4.1. Áp suất 31 3
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 2.4.2. Nhiệt độ 32 2.4.3. Sản lượng hơi 32 2.4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu 33 2.4.5. Diện tích mặt hấp nhiệt 33 2.4.6. Dung tích buồng đốt 34 2.4.7. Nhiệt tải dung tích buồng đốt 35 2.4.8. Lượng nước nồi 35 2.4.9. Hiệu suất nồi hơi 36 2.5. Nguyên lý hoạt động của nồi hơi và hệ thống nồi hơi 37 2.5.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của nồi hơi 37 2.5.2. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi 38 2.5.3. Hệ thống nồi hơi 40 2.6. Yêu cầu đối với nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy 43 Chương 3. Nhiên liệu và quá trình cháy trong nồi hơi 46 3.1. Nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thủy 46 3.1.1. Thành phần dầu đốt nồi hơi 46 3.1.2. Các tính chất đặc trưng 47 3.1.3. Yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thuỷ 49 3.2. Qúa trình cháy trong buồng đốt nồi hơi 49 3.2.1. Các giai đoạn cháy nhiên liệu 49 3.2.2. Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn 50 3.2.3. Hệ số không khí thừa α 52 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi 54 3.2.5. Hiện tượng ăn mòn điểm sương và mục rỉ vanađi 55 3.3. Cân bằng nhiệt nồi hơi 57 3.3.1. Tổn thất nhiệt do khói lò q2 57 4
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3.3.2. Tổn thất hóa học q3 59 3.3.3. Tổn thất nhiệt ra ngoài trời q5 60 Chương 4. Kết cấu nồi hơi tàu thủy 62 4.1. Nồi hơi phụ tàu thủy 62 4.1.1. Nồi hơi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) 62 4.1.2. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler) 67 4.1.3. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng 69 4.1.4. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng 71 4.1.5. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức 75 4.2. Nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp 77 4.2.1. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm (Cochran) 79 4.2.2. Nồi hơi liên hợp ống nước đứng 82 4.2.3. Hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả 84 Chương 5. Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi 88 5.1. Thiết bị buồng đốt 88 5.1.1. Hệ thống cung cấp không khí 89 5.1.2. Hệ thống nhiên liệu 90 5.1.3. Thiết bị đánh lửa 101 5.1.4. Tế bào quang điện (mắt thần) 102 5.1.5. Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt 103 5.2. Thiết bị chỉ báo, cấp nước nồi 107 5.2.1. Thiết bị chỉ báo tại chỗ 108 5.2.2. Thiết bị chỉ báo mức nước từ xa 109 5.2.3. Hệ thống cung cấp nước nồi hơi 111 5.3. Tự động điều khiển và điều chỉnh nồi hơi 115 5.3.1. Tự động điều khiển quá trình cháy 116 5
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 5.3.2. Tự động điều khiển hâm nhiên liệu 118 5.3.3. Tự động giám sát và cấp nước nồi hơi 120 5.4. Van an toàn 121 5.4.1. Van an toàn kiểu đẩy thẳng 121 5.4.2. Van an toàn hoạt động gián tiếp 125 5.5. Thiết bị gạn xả và thổi muội 126 5.5.1. Gạn mặt, xả đáy nồi hơi 126 5.5.2. Thiết bị thổi muội 128 5.6. Hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi 128 Chương 6. Nước nồi hơi và xử lý nước nồi hơi 131 6.1. Nước cấp nồi hơi 131 6.1.1. Thành phần cáu cặn trong nước nồi hơi 131 6.1.2. Tiêu chuẩn nước cấp nồi hơi 133 6.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến sự hoạt động của nồi hơi 136 6.2.1. Cơ chế hình thành cáu cặn 138 6.2.2. Cơ chế ăn mòn các bề mặt trao nhiệt 139 6.2.3. Hiện tượng tạp chất và các hạt nước cuốn theo vào hơi 144 6.3. Xử lý nước nồi 146 6.3.1. Xử lý nước ngoài nồi hơi 146 6.3.2. Xử lý nước trong nồi hơi 151 6.4. Hóa nghiệm nước nồi hơi 155 6.4.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ 156 6.4.2. Các bài hoá nghiệm cơ bản 156 6.5. Các bài hoá nghiệm nưóc nồi hơi của hãng Unitor Chemicals 162 6.5.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ 162 6.5.2. Xác định hàm lượng kiềm phenolthalein (P Alkalinity) 163 6
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 6.5.3. Xác định độ pH 164 6.5.4. Xác định hàm lượng ion chloride (Cl-) 164 Chương 7. Khai thác và bảo dưỡng nồi hơi 166 7.1. Vận hành nồi hơi 166 7.1.1. Chuẩn bị đốt nồi hơi 166 7.1.2. Đốt nồi hơi 167 7.1.3. Tăng áp suất hơi 169 7.1.4. Khai thác nồi hơi đang hoạt động 171 7.1.5. Dừng nồi hơi 172 7.2. Một số hư hỏng thường gặp khi khai thác nồi hơi 172 7.2.1. Cạn nước nồi chưa nghiêm trọng 172 7.2.2. Cạn nước nồi nghiêm trọng 173 7.2.3. Hư hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt 174 7.2.4. Mức nước nồi hơi quá cao 175 7.2.5. Nồi hơi bị tắt 175 7.3. Bảo dưỡng nồi hơi tàu thủy 176 7.3.1. Vệ sinh nồi hơi 176 7.3.2. Tẩy rửa cáu cặn nồi hơi 178 7.3.3. Thử thủy lực nồi hơi 179 7
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Chương 1. Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước 1.1. Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước 1.1.1. Nước và hơi nước Nước (water) là một hợp chất hóa học của ôxy và hiđrô, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. Hơi nước (steam) là công chất nhận được từ nước do hiện tượng bay hơi trên bề mặt của nước. Hơi nước là một loại khí thực. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường hơi nước đã rất gần với trạng thái bão hoà. Ở trong các thiết bị nhiệt với diều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp, hơi nước gần với thể lỏng. Do đó trong hơi nước, không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và thể tích riêng của chúng. Hơi nước tuân theo các phương trình trạng thái khí thực như phương trình Van Der Walls. (1-1) Trong đó, a và b là các hệ số phụ thuộc vào bản chất chất khí. 8
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 1.1.2. Đồ thị pha của nước H ơ n i ắ q g uá nhi R g n n ỏ l ỏ + L ệ n t ắ R 0 = x x=1 Hình 1.1. Các trạng thái của hơi nước trên đồ thị p-v và T-s. 9
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Nước nói chung có thể tồn tại ở ba thể: thể rắn (solid), thể lỏng (liquid) và thể hơi (vapor). Nước ở thể lỏng được hiểu là trạng thái nước chưa sôi (compressed water) còn nước ở thể hơi được hiểu là trạng thái hơi quá nhiệt (superheated vapor). Đó là những trạng thái một pha cân bằng. Tùy theo điều kiện nhiệt độ và áp suất, nước còn có thể ở các trạng thái hai pha (trạng thái cân bằng động) như nước bão hòa (nước sôi), hơi bão hòa Những trạng thái này không bền và có xu hướng chuyển sang trang thái cân bằng. Nước bão hòa (saturated water): là nước đã đạt đến trạng thái nhiệt độ và áp suất bão hòa, lúc này quá trình hóa hơi bắt đầu diễn ra. Nước tồn tại ở cả hai pha lỏng và hơi nhưng thành phần lỏng chiếm đa số. Hơi bão hòa (saturated steam): là hơi ở trạng thái nhiệt độ và áp suất bão hòa. Giống như trạng thái nước bão hòa, hơi bão hòa gồm hai thành phần lỏng và hơi nhưng thành phần hơi chiếm đa số. Hơi bão hòa có thể ở trạng thái bão hòa chưa hoàn toàn, gọi là hơi bão hòa ẩm hoặc trạng thái bão hòa hoàn toàn, gọi là hơi bão hòa khô.  Hơi bão hòa ẩm (liquid-vapor): là hơi bão hòa mà còn chứa các hạt lỏng nhỏ li ti chưa kịp bay hơi hết.  Hơi bão hòa khô (saturated vapor): là hơi bão hòa mà không còn chứa thành phần lỏng nào. 1.1.3. Các quá trình chuyển pha của nước  Hóa hơi (vaporization): là quá trình nước chuyển từ pha lỏng sang pha hơi khi được cấp nhiệt. Nhiệt lượng này được gọi là nhiệt ẩn hóa hơi.  Bay hơi (evaporation): là quá trình hoá hơi tự nhiên xảy ra trên bề mặt thoáng của nước ở bất cứ nhiệt độ nào. Hiện tượng bay hơi là do những phần tử nước ở gần bề mặt thoáng có tốc độ lớn, do đó có động năng chuyển động lớn hơn các phần tử 10
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng khác, khắc phục được lực tương tác giữa các phần tử, thắng được lực căng của bề mặt chất lỏng để tách ra và bay vào không khí. Cường độ bay hơi phụ thuộc vào nhiệt độ và diện tích mặt thoáng.  Sôi (boiling): khi cung cấp nhiệt lượng cho nước, nhiệt độ của nước tăng cao, cường độ bay hơi tăng. Đến một nhiệt độ nào đó hiện tượng hoá hơi xảy ra trong lòng chất lỏng tạo lên các bọt hơi nước. Các bong bóng hơi này đi lên, lớn dần và được tạo thành trong toàn bộ thể tích nước. Ta gọi đó là sự sôi. Quá trình sôi diễn ra tại áp suất và nhiệt độ không đổi. Nhiệt độ ứng với trạng thái sôi gọi là nhiệt độ sôi ts (boiling point).  Ngưng tụ (condensation): quá trình ngược lại với quá trình hoá hơi gọi là quá trình ngưng tụ, hơi nước biến thành nước và nhả nhiệt. Quá trình ngưng tụ cũng diễn ra tại áp suất và nhiệt độ không thay đổi.  Nóng chảy (melting): là quá trình nước chuyển từ pha rắn (nước đá) sang pha lỏng khi được cấp nhiệt lượng.  Đông đặc (solidification): là quá trình ngược lại với quá trình nóng chảy, tức là nước từ pha lỏng chuyển sang pha rắn và nhả nhiệt.  Thăng hoa (sublimation): là quá trình nước chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha hơi. Quá trình này chỉ diễn ra tại áp suất và nhiệt độ rất cao hoặc khi nhiệt lượng cấp là vô cùng lớn.  Ngưng kết (crystallization): là quá trình ngược lại với quá trình thăng hoa, tức là nước từ pha hơi chuyển trực tiếp sang pha rắn và nhả nhiệt. 11
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 1.1.4. Độ khô và độ ẩm của hơi nước Ngoài các thông số cơ bản của công chất như: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, enthalpy, entropy hơi nước còn có thông số độ khô và độ ẩm.  Độ khô (dryness): là tỷ số giữa khối lượng của phần hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm và khối lượng hơi bão hòa ẩm. Ký hiệu x. (1-2) Trong đó: Gh là khối lượng hơi khô trong ẩm; Gn là khối lượng của nước trong hơi ẩm. Nước sôi có x = 0; hơi ẩm có 0 < x < 1 và hơi khô có x = 1.  Độ ẩm (humidity): là tỷ số giữa khối lượng của phần nước trong hơi bão hòa ẩm và khối lượng hơi bão hòa ẩm. Ký hiệu y. (1-3) 1.2. Chu trình nhiệt động của thiết bị động lực hơi nước 1.2.1. Chu trình Carnot Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nước là chu trình lý tưởng gồm có hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau. Đồ thị nhiệt động của chu trình được thể hiện như Hình 1.2. Các quá trình nhiệt động trong chu trình gồm có: 1. Quá trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt, hơi từ nồi hơi sinh ra được cấp vào tua bin và giãn nở sinh công trong tua bin. 12
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2. Quá trình 2-3: Ngưng tụ đẳng áp, hơi nước sau khi giãn nở sinh công trong tua bin sẽ đi về bầu ngưng để ngưng tụ thành nước, nhiệt lượng q2 thải của hơi được trao cho công chất làm mát. 3. Quá trình 3-4: Nén đoạn nhiệt, nước ngưng tụ được bơm nén đoạn nhiệt để cấp trở lại nồi hơi. 4. Quá trình 4-1: Hóa hơi đẳng áp, nước được đun sôi, nhận nhiệt lượng q1 từ quá trình cháy trong nồi hơi để hóa thành hơi tiếp tục một chu trình sinh công mới. p K 4' 4 1 3' x=1 0 3 2 x= v T K 4 1 4' 3' 2 x 3 =1 0 = x s Hình 1.2. Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nước. 13
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Trên đồ thị, thực chất trạng thái của hơi nước ở điểm 3 là trạng thái hơi bão hòa ẩm, hay nói cách khác, một phần hơi vẫn chưa ngưng tụ thành nước. Chu trình 123’4’ là chu trình ứng với trường hợp ngưng tụ hoàn toàn (toàn bộ hơi ngưng tụ thành nước). Nhiệt lượng cấp, nhiệt lượng thải và hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định như sau:  Nhiệt cấp: là nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg).  Nhiệt thải: là nhiệt ẩn ngưng tụ (kJ/kg).  Công có ích: (1-4)  Hiệu suất nhiệt: (1-5) Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot là lớn nhất trong tất cả các chu trình thiết bị động lực hơi nước. Tuy nhiên, chu trình Carnot chỉ là chu trình lý thuyết lý tưởng, không được dùng trong thực tế. Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu chu trình Rankine – chu trình đơn giản nhất của thiết bị động lực hơi nước được áp dụng rộng rãi trong thực tế. 1.2.2. Chu trình Rankine Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động của chu trình Rankine được thể hiện như trên Hình 1.3. 14
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động của chu trình Rankine. Các quá trình nhiệt động trong chu trình gồm có: 1. Quá trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt (adiabatic expansion), hơi quá nhiệt được cấp vào tua bin và giãn nở sinh công trong tua bin. 2. Quá trình 2-3: Ngưng tụ đẳng áp (constant pressure condensation), hơi nước sau khi giãn nở sinh công trong tua bin sẽ đi về bầu ngưng để ngưng tụ thành nước, nhiệt lượng q2 thải của hơi được trao cho công chất làm mát. 15
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 3. Quá trình 3-4: Nén đoạn nhiệt (adiabatic compression), nước ngưng tụ được bơm nén đoạn nhiệt để cấp trở lại nồi hơi. 4. Quá trình 4-5: Cấp nhiệt đẳng áp (constant pressure heating), nước được đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi hơi bằng nguồn nhiệt từ phản ứng cháy nhiên liệu diễn ra trong nồi hơi. 5. Quá trình 5-6: Hóa hơi đẳng áp (constant pressure evaporation), quá trình cấp nhiệt vẫn tiếp diễn, nước sôi và bay hơi trong nồi hơi. 6. Quá trình 6-1: Quá nhiệt đẳng áp (constant pressure superheating), hơi nước được đưa vào bộ quá nhiệt, hay còn gọi là bộ sấy hơi, nhận thêm nhiệt lượng để biến thành hơi quá nhiệt. Các thông số cơ bản của chu trình được xác định như sau:  Nhiệt cấp: bao gồm nhiệt đun nóng qn, nhiệt hóa hơi r và nhiệt quá nhiệt qh.  Nhiệt thải:  Công có ích: (1-6) Ở đây, công có ích là hiệu số giữa công sinh ra từ tua bin ltb và công tiêu tốn cho bơm lb. Tuy nhiên, công bơm thường rất nhỏ, có thể bỏ qua.  Hiệu suất nhiệt: (1-7) 16
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng h gọi là nhiệt giáng lý thuyết đoạn nhiệt.  Suất tiêu hao hơi: Là lượng hơi cần thiết để sinh ra một đơn vị công. (1-8) Chu trình Rankine nói trên là loại chu trình kín. Hệ động lực hơi nước còn có thể làm việc theo chu trình hở. Chu trình hở khác với chu trình kín ở chỗ: hơi sau khi công tác trong tua bin sẽ được xả trực tiếp ra ngoài khí quyển. Như vậy, ở chu trình hở, bầu ngưng không được sử dụng (không có quá trình ngưng tụ đẳng áp) và nước cấp cho nồi hơi chỉ được bơm từ két chứa. Hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của chu trình hở. x =1 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động của chu trình hở. Hệ động lực hơi nước làm việc với chu trình hở chỉ được sử dụng trong những ứng dụng nhỏ hoặc khi thông số hơi thấp. So với chu trình hở thì chu trình kín có nhiều ưu điểm hơn hẳn như: hiệu suất lớn hơn; có khả năng tận dụng lại hơi nước sau khi công tác (điều này đặc biệt quan trọng ở dưới tàu vì nếu chu trình hở được sử dụng thì phải có một 17
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY lượng dự trữ nước khá lớn, làm giảm tải trọng có ích của con tàu). Do đó, ở dưới tàu thủy, chỉ có hệ động lực hơi nước làm việc theo chu trình kín được áp dụng. 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine a) Áp suất ban đầu (áp suất hơi vào tua bin) Hình 1.5. Ảnh hưởng của áp suất ban đầu. Tăng áp suất ban đầu p1 mà nhiệt độ đầu T1 và áp suất sau p2 không đổi thì có những ưu điểm sau:  Nhiệt độ sôi ts và nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt tăng làm cho hiệu suất nhiệt của chu trình tăng. tăng nhanh ở vùng p1 90bar vì ở vùng này 18
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nhiệt độ trung bình tăng chậm. Áp suất đầu p1 có thể lên đến 300bar.  Thể tích riêng của hơi giảm. Điều này có ý nghĩa trong việc chế tạo thiết bị vì khi đó thiết bị có kích cỡ nhỏ gọn hơn, chi phí giá thành vật tư chế tạo cũng giảm theo. Tuy nhiên, áp suất đầu tăng lại dẫn tới nhược điểm là:  Độ khô của hơi ở cuối quá trình giãn nở giảm làm cho độ ẩm tăng lên, có nhiều hạt nước chuyển động lớn ở tầng cánh cuối của tua bin, gây ra mài mòn, ăn mòn các tầng cánh cuối của tua bin hơi.  Áp suất hơi cao đòi hỏi phải chế tạo các bộ phận sinh hơi, bộ sấy hơi bằng các vật liệu có độ bền cao, chịu áp lực tốt, đắt tiền. b) Nhiệt độ ban đầu (nhiệt độ hơi vào tua bin) Khi nhiệt độ ban đầu T1 tăng, áp suất đầu p1 và áp suất cuối p2 không đổi thì hiệu suất nhiệt tăng (do nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt tăng). Nhiệt độ đầu có thể được tăng bằng cách tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt, đây là phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Nhiệt độ hơi quá nhiệt có thể tăng lên đến 550÷600oC. 19
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Hình 1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu. Tuy nhiên, nhiệt độ hơi quá nhiệt quá cao sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc lâu dài của tua bin hơi. Muốn đảm bảo tuổi thọ của thiết bị thì vật liệu chế tạo cũng phải có độ bền cao, đắt tiền. c) Áp suất cuối (áp suất hơi ra khỏi tua bin) Khi áp suất cuối p2 giảm, áp suất đầu p1.và nhiệt độ đầu T1 không đổi thì nhiệt độ cuối T2 giảm làm cho nhiệt độ trung bình của quá trình thải nhiệt giảm, do đó hiệu suất nhiệt của chu trình tăng (nhiệt cấp tăng ít và nhiệt thải giảm nhiều). Nếu áp suất cuối p2 giảm 0,01÷0,03bar thì hiệu suất nhiệt  tăng 0,396÷0,427%. Hình 1.7. Ảnh hưởng của áp suất cuối. 20
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Việc giảm áp suất cuối bị hạn chế bởi nhiệt độ bão hoà tương ứng do phải duy trì nhiệt độ này không nhỏ hơn nhiệt độ môi trường thì hơi nước mới có thể ngưng tụ được trong bầu ngưng. Nếu áp suất cuối p2 quá thấp, độ khô của hơi giảm thì tốc độ hơi ở phần sau của tua bin lớn gây ra ăn mòn, xói mòn các tầng cánh cuối. 1.2.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình có quá nhiệt trung gian Như đã trình bày, chu trình Rankine là chu trình cơ bản nhất của thiết bị động lực hơi nước. Để tăng cường hiệu quả làm việc của hệ động lực, giảm kích cỡ các thiết bị và tăng hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng chu trình hồi nhiệt (regenerative Rankine cycle) và chu trình có quá nhiệt trung gian (reheat Rankine cycle). 21
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY a) Chu trình hồi nhiệt Hình 1.8. Chu trình hồi nhiệt một lần. So với chu trình Rankine cơ bản, chu trình hồi nhiệt có những thay đổi sau đây:  Tua bin được chia làm nhiều cấp (ví dụ 2 cấp).  Hệ thống được bố trí bình hòa trộn có chức năng tương tự như một thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước cấp là chất nhận nhiệt, hơi nước là chất trao nhiệt. 22
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng  Hơi ra khỏi tua bin cấp 1 một phần được đưa vào bình hòa trộn để gia nhiệt cho nước cấp nồi, phần còn lại được cấp vào tua bin cấp 2 để tiếp tục sinh công. Như vậy, nếu như ở chu trình Rankine cơ bản, toàn bộ nhiệt của hơi ra khỏi tua bin được nhả ra ngoài tại bầu ngưng thì ở chu trình hồi nhiệt, một phần nhiệt lượng đó được tận dụng để hâm nóng sơ bộ nước cấp nồi. Nghĩa là một phần nhiệt thải q2 được bổ sung vào nhiệt cấp q1. Do đó, hiệu suất nhiệt của toàn bộ hệ động lực được cải thiện. Chu trình hồi nhiệt có thể có một lần hồi nhiệt (Hình 1.8) hoặc nhiều lần hồi nhiệt (kích cỡ hệ động lực và số lượng trang thiết bị tương ứng sẽ tăng lên). Với chu trình hồi nhiệt ở Hình 1.8, bình hòa trộn đóng vai trò như một bầu ngưng trung gian. Trên đồ thị T-s, quá trình ab được gọi là quá trình hồi nhiệt. Thực chất quá trình này chính là quá trình ngưng tụ đẳng áp diễn ra trong bình hòa trộn nhưng nhiệt lượng nhả ra được tận dụng để cấp cho nước. b) Chu trình có quá nhiệt trung gian Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình thì cần tăng áp suất đầu p1, nhiệt độ đầu T1 và giảm áp suất cuối p2. Tuy nhiên, những biện pháp đó đều làm cho độ khô của hơi ở trạng thái 2 giảm, độ ẩm tăng dẫn đến những ảnh hưởng có hại đối với thiết bị. Để đảm bảo độ khô của hơi cuối tua bin không giảm, người ta sử dụng chu trình có quá nhiệt trung gian. Chu trình này sử dụng tua bin nhiều cấp giống như chu trình hồi nhiệt. Ở đây, ta giả sử tua bin hơi là tua bin 2 cấp. Hơi sau khi ra khỏi tua bin cấp 1 sẽ được đưa trở lại bộ quá nhiệt trước khi đi vào tua bin cấp 2 để tiếp tục sinh công. Trên đồ thị T-s, quá trình 1a là quá trình dãn nở sinh công trong tua bin cấp 1, quá trình ab là quá trình quá nhiệt trung gian 23
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY trong bộ quá nhiệt, quá trình b2 là quá trình dãn nở sinh công của hơi đã được quá nhiệt lần thứ hai trong tua bin cấp 2. Hình 1.9. Chu trình có quá nhiệt trung gian. Như vậy, nếu như ở chu trình Rankine cơ bản, trạng thái hơi sau khi công tác là điểm 2’ thì ở chu trình có quá nhiệt trung gian, trạng thái hơi sau khi công tác là điểm 2 có độ khô lớn hơn. Do đó, sử dụng chu trình có quá nhiệt trung gian sẽ khắc phục được vấn đề độ khô của hơi 24
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng ở cuối tua bin, qua đó cải thiện hiệu quả làm việc của thiết bị, nâng cao hiệu suất nhiệt của toàn bộ hệ động lực. Với những hệ động lực hơi nước cỡ lớn, hơi nước có thể được quá nhiệt trung gian nhiều lần. Nếu chu trình hồi nhiệt được sử dụng thì quá trình hồi nhiệt cũng được thực hiện nhiều lần. Trên thực tế, với hệ động lực hơi nước trên bờ dùng cho các nhà máy điện nguyên tử thì người ta thường áp dụng chu trình kết hợp, nghĩa là có cả quá trình hồi nhiệt và quá nhiệt trung gian. 1.3. Sử dụng năng lượng hơi nước dưới tàu thủy Hơi nước được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Thế giới đã được chứng kiến một lịch sử dài về sự phát triển và ứng dụng hơi nước trong công nghiệp cũng như đời sống. Trong lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật hàng hải, hơi nước cũng có vai trò không nhỏ với nhiều cột mốc phát triển đáng chú ý. Năm 1802, William Symington một kỹ sư người Scotland đã chế tạo thành công chiếc thuyền chạy bằng động cơ hơi nước đầu tiên, đó là chiếc Charlotte Dundas. Năm 1884, kỹ sư người Anh Parsons đã chế tạo thành công chiếc tua bin hơi nước đầu tiên có thể ứng dụng làm hệ động lực tàu thủy, nhưng đến năm 1894 công trình này mới được thử nghiệm thực tế trên con tàu Turbinia. Hơi nước dùng cho động cơ hơi nước và tua bin hơi đều được sinh ra từ một thiết bị sinh hơi gọi là nồi hơi. Ngày nay, hầu hết đội tàu trên thế giới không còn sử dụng hai loại hệ động lực nói trên nữa nhưng hơi nước thì vẫn được sử dụng rộng rãi, chủ yếu làm công chất trao đổi nhiệt phục vụ nhu cầu hâm, sấy ở dưới tàu. 25
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Chương 2. Giới thiệu chung về nồi hơi tàu thủy 2.1. Định nghĩa Một cách tổng quát, nồi hơi (steam boiler) là một thiết bị có chức năng biến nước thành hơi nhờ nhiệt năng có được từ việc đốt cháy nhiên liệu hoặc biến đổi từ các nguồn năng lượng khác như điện năng, năng lượng nguyên tử Về mặt nguyên lý, nồi hơi hoạt động tương tự như một thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hai loại môi chất là khí cháy và nước. Mục đích của quá trình trao đổi nhiệt trong nồi hơi là nhằm bay hơi nước, hơi sinh ra có áp suất và nhiệt độ cao để đem đi sử dụng. Kết cấu của nồi hơi phức tạp hơn nhiều so với các thiết bị trao đổi nhiệt do được lắp thêm nhiều thiết bị phục vụ. Nhiên liệu hay chất đốt dùng cho nồi hơi có thể là than, dầu hoặc khí đốt. Tất cả nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy đều là nồi hơi đốt dầu. Do đó, trong khuôn khổ cuốn sách, chúng ta chỉ nghiên cứu về nồi hơi đốt dầu, kết cấu, nguyên lý hoạt động cũng như cách thức khai thác vận hành loại nồi hơi này. 2.2. Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy Nồi hơi tàu thủy nói chung có thể được dùng để sinh hơi phục vụ các mục đích như lai máy phát điện, lai các máy phụ, dùng để hâm sấy nhiên liệu, phòng ở hoặc dùng cho động cơ tua bin hơi lai chân vịt. Vào những năm giữa thế kỷ 20 rất nhiều tàu thủy được trang bị tua bin hơi làm động lực chính lai chân vịt, khi đó nồi hơi chính và tua bin hơi chính lai chân vịt là hai thiết bị trung tâm trong hệ động lực hơi nước tàu thủy. Tuy nhiên, các cuộc khủng hoảng dầu mỏ (từ năm 1973) đã đẩy giá dầu trên thế giới lên rất cao. Điều này khiến các nhà sản suất buộc phải cải tiến công nghệ và thay thế công nghệ cũ bằng các thiết bị 26
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng công nghệ mới có hiệu suất cao hơn. Vì vậy hầu hết các tàu thủy gần đây đều được trang bị hệ động lực Diesel, có hiệu suất cao hơn. Trên các tàu thủy hiện nay hầu như chỉ còn sử dụng các nồi hơi phụ, dùng để cung cấp hơi cho mục đích hâm sấy nhiêu liệu và các mục đích sinh hoạt khác, một số cung cấp hơi cho tua bin hơi lai máy phát điện, bơm hoặc các máy phụ khác. Ngoại trừ một số loại tàu đặc thù như tàu chở khí tự nhiên hoá lỏng (LNG Carrier) thì hệ động lực tua bin hơi vẫn được áp dụng. 2.3. Phân loại nồi hơi tàu thủy Chủng loại nồi hơi tàu thủy rất phong phú, đa dạng. Những năm gần đây, giá nhiên liệu thế giới tăng cao đòi hỏi các nhà sản xuất phải tích cực nghiên cứu, cải tiến công nghệ để cạnh tranh trên thị trường. Nhờ vậy mà có rất nhiều mẫu mã nồi hơi được thiết kế, chế tạo thoả mãn các tiêu chí như: tiết kiệm nhiên liệu, tốn ít nhân công khai thác, giảm diện tích, không gian bố trí, giảm mức độ ô nhiễm môi trường. Tuỳ theo mục đích, nồi hơi tàu thủy có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Dưới đây trình bày một số cách phân loại cơ bản. 2.3.1. Phân loại theo áp suất công tác  Nồi hơi thấp áp (low pressure boiler): có áp suất làm việc đến 2MPa (1MPa = 10bar = 9.81kG/cm2). Hầu hết nồi hơi thấp áp là các nồi hơi phụ, cung cấp hơi cho việc hâm sấy nhiên liệu hay lai các thiết bị phụ dưới tàu.  Nồi hơi trung áp (high pressure boiler): có áp suất làm việc khoảng 2÷4,5MPa.  Nồi hơi cao áp (power boiler): có áp suất làm việc trên 4,5MPa. 27
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Nồi hơi trung và cao áp thường là các nồi hơi chính, sản suất hơi quá nhiệt có thông số cao, cung cấp cho tua bin hơi lai chân vịt. 2.3.2. Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước  Nồi hơi ống nước (water tube boiler): nước đi trong ống, khí lò quét ngoài ống.  Nồi hơi ống lửa (fire tube boiler): nước bao quanh bên ngoài ống, khí lò đi trong ống.  Nồi hơi hỗn hợp ống nước ống lửa (composite-tube boiler): kết hợp giữa hai loại trên, có vùng là ống nước, vùng khác là ống lửa. Tuy nhiên loại nồi hơi này ít được ứng dụng do cấu tạo phức tạp. Hình 2.1. Nồi hơi ống nước và nồi hơi ống lửa. 2.3.3. Phân theo nguồn năng lượng sử dụng  Nồi hơi sử dụng năng lượng từ phản ứng cháy nhiên liệu: nhiên liệu dùng cho nồi hơi có thể là than, dầu và khí đốt. Có loại nồi hơi sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu để đốt, ví dụ như nồi hơi đốt dầu - khí. Dưới tàu thủy, chỉ có nồi hơi đốt dầu (oil- fired boiler) được sử dụng. 28
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng  Nồi hơi sử dụng năng lượng điện (electric boiler): nhiệt cấp cho nồi hơi được biến đổi từ điện năng. Loại nồi hơi này có công suất nhỏ, chủ yếu phục vụ sinh hoạt của thuyền viên trên tàu.  Nồi hơi sử dụng năng lượng nguyên tử (nuclear boiler): nhiệt cấp cho nồi hơi sinh ra từ phản ứng hạt nhân. Loại nồi hơi này thường được sử dụng cho tàu quân sự, đặc biệt là tàu ngầm.  Nồi hơi sử dụng năng lượng từ khí xả của các máy nhiệt (exhaust gas boiler, economizer): nồi hơi loại này tận dụng năng lượng nhiệt từ khí xả của động cơ Diesel chính, của động cơ Diesel lai máy phát điện hoặc của tua bin khí để sinh hơi. Hơi sinh ra từ nồi hơi khí xả (hay còn gọi là nồi hơi kinh tế) chủ yếu dùng để phục vụ nhu cầu hâm sấy nhiên liệu và các nhu cầu sinh hoạt khác trên tàu. Tàu thủy cũng có thể được trang bị các tua bin phụ, được cung cấp hơi bởi nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp, đặc biệt là đối với các tàu hàng rời, tàu dầu cỡ lớn (có trọng tải từ vài vạn đến vài chục vạn tấn). Nồi hơi loại này có thể được chế tạo chung thân với nồi hơi phụ và được gọi là nồi hơi liên hợp phụ - khí xả (composite boiler), hiện đang được sử dụng rộng rãi dưới tàu biển. 2.3.4. Phân theo hình dáng và cách bố trí nồi hơi  Nồi hơi nằm ngang (horizontal boiler): có chiều ngang lớn hơn chiều cao.  Nồi hơi thẳng đứng (vertical boiler): có chiều cao lớn hơn rất nhiều so với chiều ngang. Loại nồi hơi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi dưới tàu thủy do thuận lợi khi bố trí dưới tàu thủy, nơi có không gian chật hẹp, đặc biệt các nồi hơi liên hợp 29
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY phụ - khí xả thường là loại thẳng đứng, rất thuận tiện cho việc lắp đặt trên phần ống khói (funnel) của thượng tầng tàu. Hình 2.2. Nồi hơi đặt nằm và nồi hơi đặt đứng. 2.3.5. Phân theo nguyên lý tuần hoàn  Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên (natural circulating boiler): nước và hơi nước trong nồi hơi tuần hoàn tự nhiên do chênh lệch tỷ trọng của nước và hơi giữa các vùng khác nhau. Hầu hết các nồi hơi tàu thủy đều sử dụng tuần hoàn tự nhiên vì lý do đơn giản, dễ chế tạo và giá thành rẻ.  Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức (forced circulating boiler): nước và hơi trong nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức nhờ bơm tuần hoàn. Loại nồi hơi này có cường độ trao đổi nhiệt cao hơn, nên kích thước thường nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên cần phải trang bị các bơm tuần hoàn hoạt động liên tục trong môi trường nhiệt độ, áp suất cao.  Nồi hơi không tuần hoàn (non-circulating boiler): loại nồi hơi này không có vòng tuần hoàn của nước, có kết cấu đơn giản 30
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nhất. Nồi hơi ống lửa cũng là nồi hơi không tuần hoàn do nước được chứa toàn bộ trong bầu nồi. Hình 2.3. Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức và nồi hơi không tuần hoàn. 2.4. Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy 2.4.1. Áp suất Đối với nồi hơi tàu thủy, các thông số áp suất (pressure) cần quan tâm gồm có: áp suất nồi hơi (áp suất làm việc), áp suất hơi sấy, áp suất hơi giảm sấy và áp suất nước cấp. Đơn vị đo thường được sử dụng đối với các loại áp suất này là kG/cm2 hoặc bar. 1 kG/cm2 = 1at = 0,981bar.  Áp suất nồi hơi pN là áp suất của nước và hơi bão hòa chứa trong thân (bầu) nồi hơi.  Áp suất hơi sấy phs là áp suất của hơi ra khỏi bộ sấy hơi (bộ quá nhiệt). Áp suất hơi sấy thấp hơn áp suất pN trong nồi hơi khoảng 14kG/cm2. 31
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY  Áp suất hơi giảm sấy pgs là áp suất của hơi sau khi ra khỏi bộ giảm sấy. Áp suất hơi giảm sấy thấp hơn áp suất hơi sấy.  Áp suất nước cấp pnc là áp suất của nước được bơm cấp vào nồi hơi. Để nước có thể được nén vào nồi hơi, áp suất nước cấp 2 phải cao hơn áp suất pN 36kG/cm để thắng được sức cản trên đường ống cấp nước, tại bầu hâm nước cấp nồi, tại bầu hâm nước tiết kiệm 2.4.2. Nhiệt độ Các thông số nhiệt độ (temperature) đối với nồi hơi tàu thủy gồm có: nhiệt độ hơi sấy, nhiệt độ hơi bão hòa, nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ khói, nhiệt độ không khí cấp.  Nhiệt độ hơi sấy ths là nhiệt độ của hơi quá nhiệt ra khỏi bộ sấy hơi.  Nhiệt độ hơi bão hòa tS là nhiệt độ của hơi bão hòa trong thân (bầu) nồi.  Nhiệt độ nước cấp tnc là nhiệt độ của nước được bơm cấp vào nồi, đây là giá trị áp suất được đo trước bộ tận dụng nhiệt hâm nước.  Nhiệt độ khói kl là nhiệt độ của khí lò ra khỏi nồi hơi, đo tại vị trí khí lò đi vào ống khói.  Nhiệt độ không khí cấp kk là nhiệt độ của không khí được cấp vào trong buồng đốt để thông gió cũng như duy trì quá trình cháy. 2.4.3. Sản lượng hơi Sản lượng hơi (steam output) là lượng hơi lớn nhất sinh ra trong một đơn vị thời gian dưới điều kiện nồi hơi cung cấp hơi nước ổn định lâu 32
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dài. Sản lượng hơi ký hiệu là D, có thể được đo bằng kg/h hoặc t/h (tấn/giờ). Sản lượng hơi chung DN là tổng của sản lượng hơi sấy Dhs, sản lượng hơi giảm sấy Dgs và sản lượng hơi bão hòa Dx. (2-1) DN = Dhs + Dgs + Dx (kg/h) Chú ý rằng Dx là lượng hơi bão hòa cung cấp cho máy phụ và hệ thống (chứ không phải là lượng hơi bão hòa sinh ra trong bầu nồi), ta gọi là tải của nồi hơi. Khi cần thiết, nồi hơi có thể quá tải đến sản lượng lớn nhất Dmax trong một số giờ qui định: (2-2) Dmax = 125140%DN 2.4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu Suất tiêu hao nhiên liệu (specific fuel consumption) là lượng nhiên liệu cần tiêu thụ để hệ động lực phát ra một mã lực có ích trong một giờ. Ký hiệu ge, đơn vị là kg/mlcih hoặc g/mlcih. 2 o Ví dụ: nồi hơi đốt dầu có pN = 100120kG/cm , ts = 550 C thì ge = 200210g/mlcih. 2.4.5. Diện tích mặt hấp nhiệt Diện tích mặt hấp nhiệt (heating surface) là tổng diện tích của các bề mặt kim loại (vách ống, ống nước sôi, ống hâm nước tiết kiệm, ống sấy hơi, ống sưởi không khí, ống lửa, hộp lửa, buồng đốt) tiếp xúc một phía với khí lò và phía còn lại với nước. Quá trình truyền nhiệt giữa khí lò và nước diễn ra thông qua các mặt hấp nhiệt. Diện tích mặt hấp nhiệt ký hiệu là H, đơn vị là m2. H được tính về phía tiếp xúc với khí lò. Riêng đối với bộ sưởi không khí và bộ giảm sấy thì tính theo đường kính trung bình của ống. Các mặt hấp nhiệt trong nồi hơi gồm có: 33
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY  Mặt hấp nhiệt bức xạ Hb: là mặt hấp nhiệt cạnh buồng đốt, trực tiếp tiếp xúc với ngọn lửa. Ở đây hình thức trao nhiệt chủ yếu là bức xạ nhiệt.  Mặt hấp nhiệt đối lưu Hđl: là mặt hấp nhiệt ở xa buồng đốt và được khí lò quét qua. Hình thức trao nhiệt chính ở đây là tỏa nhiệt đối lưu.  Mặt hấp nhiệt bốc hơi Hbh: là bề mặt hấp nhiệt của khí lò làm cho nước sôi và bốc hơi, bao gồm mặt hấp nhiệt của vách ống và ống nước sôi.  Mặt hấp nhiệt tiết kiệm Htk: là bề mặt hấp nhiệt của các thiết bị tận dụng nhiệt như bộ tận dụng nhiệt hâm nước và bộ tận dụng nhiệt sấy không khí. 2.4.6. Dung tích buồng đốt Dung tích buồng đốt (furnace capacity) là thể tích toàn bộ không gian 3 buồng đốt. Dung tích buồng đốt ký hiệu là Vbđ, đơn vị là m . Để bảo đảm cho chất đốt cháy hoàn toàn, ngoài yêu cầu cung cấp đầy đủ ôxy ra còn cần bảo đảm nhiệt độ trong không gian buồng đốt cao hơn nhiệt độ bén cháy của nhiên liệu, nhiệt độ khí lò trong buồng đốt cần đủ cao để truyền nhiệt bức xạ được mạnh mẽ, ngọn lửa cháy không nên tiếp xúc đến các bề mặt không phải là bề mặt hấp nhiệt (nếu không lượng nhiên liệu chưa cháy hoàn toàn sẽ kết thành muội cốc trên các bề mặt ấy). Vì vậy trị số của Vbđ phải được chọn vừa phải tuỳ theo kiểu buồng đốt, loại nhiên liệu, lượng tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ không khí trong nồi. Dung tích buồng đốt không tính đến dung tích đường khí lò của phần trao đổi nhiệt đối lưu. 34
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2.4.7. Nhiệt tải dung tích buồng đốt Nhiệt tải dung tích buồng đốt (furnace heat density) là nhiệt lượng cung cấp vào buồng đốt trong một giờ trên một đơn vị dung tích buồng 2 đốt. Nhiệt tải dung tích buồng đốt ký hiệu là qv, đơn vị là kCal/m h. (2-3) Trong đó: Bt – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ (kg/h). QH – Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kCal/kg). Nhiệt tải dung tích buồng đốt đặc trưng cho mức độ tập trung nhiệt lượng trong không gian buồng đốt. Trị số qv quá cao có thể làm hỏng gạch chịu lửa, hỏng vách buồng đốt. 6  Với nồi hơi đốt dầu có diện tích vách lớn, qv = 0,60,7.10 kCal/m3h. 6 3  Với nồi hơi tàu chiến, qv = 3.10 kCal/m h. Ngoài ra, qv còn đặc trưng cho độ lâu dài của chất cháy lưu lại trong buồng đốt. 2.4.8. Lượng nước nồi Lượng nước nồi (water quantity) là lượng nước tại mặt tách hơi tính ở nhiệt độ bão hòa. Mặt tách hơi là bề mặt ngăn cách giữa không gian nước với không gian hơi của bầu nồi. Lượng nước nồi ký hiệu là Gn, đơn vị là kg. (2-4) Gn = Vn (kg) Trong đó:  – Tỷ trọng của nước ở nhiệt độ bão hòa (kg/m3). 3 Vn – Dung tích nước tại mặt tách hơi (m ). 35
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Chú ý rằng trong không gian nước (nhất là đối với nồi hơi ống nước) luôn có lẫn hơi nước, lượng hơi nước ấy thay đổi tuỳ theo tải trọng của nồi hơi. Vì vậy, giá trị của Gn tính như trên luôn lớn hơn giá trị thực tế một lượng nhất định. 2.4.9. Hiệu suất nồi hơi Hiệu suất nhiêt của nồi hơi (boiler thermal efficiency) là tỷ số giữa nhiệt lượng có ích cấp cho nồi hơi và nhiệt lượng do nhiên liệu tỏa ra. (2-5) Chú ý rằng N tính như trên chưa xét tới lượng nhiệt tiêu hao cho bản thân nồi hơi như việc cấp nhiên liệu, cấp nước, thông gió, thổi muội cho nồi hơi Hiệu suất nồi hơi là một thông số quan trọng, trực tiếp cho ta biết hiệu quả hoạt động của nồi hơi. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hiệu suất nồi hơi, các yếu tố ảnh hưởng cũng như các biện pháp cải thiện thông số này ở chương tiếp theo. Ngoài ra, nồi hơi còn có rất nhiều thông số khác như: bội số tuần hoàn, chu kỳ không cấp nước, suất trọng lượng nồi hơi Các thông số này chủ yếu được sử dụng trong thiết kế, chế tạo hay tính nghiệm nhiệt nồi hơi. Với kỹ sư khai thác máy tàu biển, chúng ta chỉ cần nắm được những thông số chính nói trên để có thể khai thác nồi hơi một cách hiệu quả, an toàn và kinh tế. 36
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2.5. Nguyên lý hoạt động của nồi hơi và hệ thống nồi hơi 2.5.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của nồi hơi Hình 2.4. Nguyên lý chung của nồi hơi đốt dầu. Nước được cấp vào nồi hơi nhờ bơm nước cấp, mức nước trong nồi được theo dõi qua ống thủy. Nhiên liệu và gió cấp được cấp vào buồng đốt nồi hơi qua thiết bị buồng đốt. Gió cấp có hai chức năng: duy trì sự cháy của ngọn lửa và thông gió cho buồng đốt. Quá trao nhiệt diễn ra như sau (Hình 2.6): nhiên liệu (dầu đốt) được phun vào buồng đốt với áp lực cao, được đốt cháy tạo thành khí lò có nhiệt độ cao, tiến hành trao đổi nhiệt bức xạ cho các bề mặt hấp nhiệt bức xạ xung quanh buồng đốt, sau đó quét qua các bề mặt hấp nhiệt đối lưu của nồi hơi (các cụm ống, bộ sấy hơi, các thiết bị tận dụng nhiệt ) để trao nhiệt đối lưu và cuối cùng theo ống khói bay lên trời. 37
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Nước trong bầu nồi hoặc trong các ống nước (chỉ có ở nồi hơi ống nước) nhận nhiệt để sôi và bay hơi. Hơi sinh ra tập trung trong không gian hơi của nồi hơi. Khi áp lực hơi đủ lớn, ta mở van hơi chính để đưa hơi nước đi sử dụng. Do nồi hơi là một thiết bị chịu áp lực nên mọi nồi hơi đều được lắp van an toàn. Van an toàn là một thiết bị có chức năng bảo vệ, tránh nổ vỡ cho nồi hơi khi áp suất trong nồi tăng quá giới hạn cho phép. Áp suất này được chỉ báo trên áp kế. Như vậy, một nồi hơi muốn hoạt động được bao giờ cũng phải có nguồn nhiệt (hệ thống nhiên liệu); nguồn nước (chất nhận nhiệt); thiết bị trao đổi nhiệt (các trống, ống, bộ sấy hơi ); thiết bị phân phối hơi (van, ống dẫn hơi ); thiết bị chỉ báo, báo động và bảo vệ an toàn. Đây là nguyên lý cơ bản đối với mọi chủng loại nồi hơi. 2.5.2. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi Quá trình sinh hơi trong nồi hơi gồm 3 giai đoạn được biểu diễn trên đồ thị i-t như Hình 2.7. 1. Quá trình đun sôi nước (ở áp suất nồi hơi) tiến hành theo đường nước sôi x = 0 (đoạn 12 hoặc 12’). 2. Quá trình bốc hơi tiến hành theo đường đẳng nhiệt (đoạn 23 hoặc 2’3’). 3. Quá trình sấy hơi tiến hành theo đường đẳng áp (đoạn 34 hoặc 3’4’). Quá trình 1234 là quá trình sinh hơi của một nồi hơi có thông số 20kG/cm2, 212oC (nồi hơi thông số thấp); 12’3’4’ là quá trình sinh hơi của một nồi hơi có thông số 180kG/cm2, 356oC (nồi hơi thông số cao). 38
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng I (kcal/kg) 4 p=1at 4’ 1 20 sh 700 i 3 40 80 120 2 sh x = 1 i 180 600 0.9 0.8 3’ 0.7 K 500 2 bh i 1 bh i i 400 2’ 300 0.3 2 đs i 0.2 2 200 1 0.1 đs i 100 1 x = 0 t (oC) 100 200 300 400 Hình 2.5. Quá trình sinh hơi của nồi hơi trên đồ thị i-t. Từ đồ thị ta thấy rằng: biến thiên enthalpy trong quá trình đun sôi iđs2 > iđs1, nghĩa là diện tích bề mặt hấp nhiệt đun sôi Fđs1 ibh2 nên diện tích hấp nhiệt bốc hơi Fbh1 > Fbh2. Mặt khác, trên thực tế giá thành chế tạo một đơn vị diện tích bề mặt bốc hơi cao hơn giá thành chế tạo một đơn vị diện tích bề mặt đun sôi. Như vậy, dùng nồi hơi thông số cao sẽ tăng tính kinh tế do có diện tích bốc hơi nhỏ hơn. 39
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Chú ý rằng quá trình sinh hơi thực tế có phần khác quá trình biểu diễn trên đồ thị do nhiệt độ nước ra bộ tận dụng nhiệt hâm nước chưa đạt tới độ sôi, nhiệt bốc hơi cũng thấp hơn trị số lý thuyết. 2.5.3. Hệ thống nồi hơi Hệ thống nồi hơi tàu thủy (boiler system) có thể gồm có:  Nồi hơi (một hoặc nhiều chiếc): thiết bị chính trong hệ thống.  Hệ thống nhiên liệu (fuel system): bao gồm bơm dầu đốt, bầu hâm dầu, thiết bị đốt dầu, két chứa dầu, phin lọc dầu  Hệ thống cấp nước (feed water system): bao gồm bơm cấp nước nồi, bầu hâm nước cấp, két nước cấp, két nước ngưng, bầu ngưng  Hệ thống xử lý nước nồi (water conditioning equipments): bao gồm bầu lọc nước, bộ làm mềm nước, két hóa chất  Hệ thống thông gió (ventilation system): bao gồm quạt gió, quạt hút khói.  Hệ thống phân phối hơi (steam distribution system): bao gồm van hơi chính, ống dẫn hơi, van giảm áp  Các thiết bị cải thiện chất lượng hoạt động của nồi hơi (boiler maintenance equipment): gồm có van gạn mặt, van xả đáy, bộ khử khí, thiết bị thổi muội, thiết bị khô hơi  Các thiết bị tận dụng nhiệt (economizers) như: bộ sấy hơi, bộ tận dụng nhiệt hâm nước, bộ tận dụng nhiệt sấy không khí, bộ giảm sấy  Các thiết bị điều khiển và kiểm tra (control & monitoring equipment): gồm có rơle áp suất, rơle nhiệt độ, mắt thần, van 40
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng điện từ, van một chiều và các thiết bị tự động điều chỉnh quá trình làm việc của nồi hơi.  Các thiết bị chỉ báo, báo động và bảo vệ (indicators, alarm system and protection equipment): bao gồm ống thủy, kính nhìn, áp kế, nhiệt kế, đèn báo động, chuông báo động, van an toàn, rơle áp lực Dưới đây là ví dụ về hệ thống nồi hơi điển hình dưới tàu hiện nay. Nồi hơi sử dụng ở hệ thống này là kiểu nồi hơi hình trụ đứng ống nước đứng. Dầu đốt sử dụng cho nồi hơi có thể là dầu nặng (FO) hoặc dầu nhẹ (DO). Khi cần chuyển đổi loại nhiên liệu, ta chỉ cần đóng mở các van tương ứng. Trên sơ đồ này, ta có thể nhận thấy và phân biệt các hệ thống phục vụ cho nồi hơi, đó là: hệ thống nhiên liệu (bao gồm phin lọc dầu, bơm dầu tuần hoàn, bầu hâm dầu, van điện từ, súng phun ), hệ thống nước cấp (bao gồm két nước cấp, két nước ngưng, hai bơm cấp nước nối song song, bầu ngưng, van một chiều ), hệ thống phối hơi (bao gồm van hơi chính, bình tích năng, van tắt ) và một số thiết bị phục vụ khác. Bơm dầu luôn chạy ngay cả khi nồi hơi đang tắt, dầu đốt được bơm cấp liên tục qua bầu hâm, vào súng phun. Giả sử lúc này nồi hơi đang dừng, van điện từ trên đường dầu về sẽ mở, do đó, dầu từ súng phun trở về luôn cửa hút của bơm, tạo thành một mạch dầu tuần hoàn. Điều này giúp cho dầu đốt luôn được hâm ở một nhiệt độ nhất định để có thể sẵn sàng cho việc đốt nồi bất kỳ lúc nào. Khi có tín hiệu đốt nồi hơi, van điện từ sẽ đóng, áp lực dầu vào súng phun tăng vọt và dầu được phun vào buồng đốt, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu dưới dạng sương mù. Cùng lúc đó, thiết bị đánh lửa hoạt động và quá trình cháy bắt đầu. 41
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Hình 2.6. Hệ thống nồi hơi tàu thủy. 42
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Khi nồi hơi hoạt động, mức nước trong nồi sẽ liên tục thay đổi. Việc duy trì một mức nước phù hợp được thực hiện bởi các bơm cấp nước kết hợp với thiết bị cảm ứng mức nước nồi. Các bơm này được bật/tắt thông qua các rơle điều khiển. Tín hiệu mức nước được truyền tới rơle từ thiết bị cảm ứng mức nước đặt trong ống thủy. Khi mức nước nồi cạn dưới mức cho phép, rơle điều khiển sẽ đưa tín hiệu bật bơm để bổ sung. Các bơm có thể hoạt động độc lập hoặc song song. Thông thường, chỉ có một bơm hoạt động, bơm còn lại để dự phòng. Bơm có thể hút nước từ két nước cấp hoặc két nước ngưng. Nước trong két nước ngưng chính là nước ngưng tụ từ hơi về bầu ngưng. Trên đường cấp nước tới nồi hơi, một van một chiều được lắp để tránh hiện tượng trào ngược khi áp suất trong nồi hơi tăng cao. Khi mức nước nồi cao quá mức cho phép, rơle điều khiển sẽ đưa tín hiệu dừng bơm. Khi áp suất trong nồi đủ cao, hơi nước sinh ra có nhiệt độ đủ lớn, ta mở van hơi chính để đưa hơi đi sử dụng. Ngay trước van hơi chính là một bình tích năng, thiết bị này có nhiệm vụ duy trì áp lực hơi ở một giá trị không đổi. Một van tắt được bố trí giữa đường cấp hơi đi công tác và đường hơi về. Van tắt có chức năng điều chỉnh lượng hơi đi sử dụng, ví dụ như khi muốn giảm lượng hơi đi công tác, ta mở van tắt đến một độ mở nhất định để trích một phần hơi về thẳng bầu ngưng. Đây là một hệ thống nồi hơi cơ bản, khá đơn giản và nhỏ gọn. Với nồi hơi cỡ lớn, ở những hệ thống lớn, nhiều thiết bị, phụ kiện khác được trang bị. Chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu cụ thể kết cấu của từng loại nồi hơi, các thiết bị cũng như hệ thống phục vụ ở những chương tiếp theo. 2.6. Yêu cầu đối với nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy Nồi hơi đốt dầu sử dụng dưới tàu thủy cần thỏa mãn những yêu cầu sau đây: 43
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 1. An toàn khi sử dụng. Đây là yêu cầu quan trọng nhất vì nếu có sự cố xảy ra trong quá trình hoạt động của nồi hơi, sự làm việc bình thường của máy móc xung quanh sẽ bị ảnh hưởng, gây tai nạn cho thuyền viên, làm ảnh hưởng đến hoạt động của tàu, các hệ thống phục vụ. Với nồi hơi chính, sự cố nồi hơi có thể làm cho tàu dừng. Do đó, ở dưới tàu chỉ có các kiểu nồi hơi có cấu tạo bền, chắc, đã qua thử nghiệm kỹ lưỡng mới được sử dụng. 2. Kích thước nhỏ, gọn nhẹ, dễ bố trí trên tàu. Điều này nhằm tăng trọng tải, mở rộng tầm xa hoạt động của tàu. Do đó, nồi hơi tàu thủy thường là loại có nhiệt tải dung tích buồng đốt lớn, suất bốc hơi lớn, lưu tốc khí lò nhanh, số bầu nồi ít, đường kính bầu nồi và ống bé để giảm độ dày và trọng lượng. 3. Cấu tạo đơn giản, thuận tiện cho việc khai thác, sửa chữa. Yêu cầu này cần được đảm bảo do thuyền viên trên tàu thường thay đổi liên tục. Ngoài ra, nồi hơi tàu thủy phải là loại phù hợp với trình độ của kỹ sư máy trên tàu. 4. Tính kinh tế cao. Yêu cầu này thể hiện ở chỗ: đảm bảo hiệu suất ở toàn tải, hiệu suất giảm ít khi nhẹ tải; suất tiêu hao nhiên liệu thấp; tuổi thọ cao; chu kỳ bảo dưỡng, sửa chữa dài 5. Tính cơ động cao. Tính cơ động cao thể hiện ở chỗ: thời gian đốt nồi lấy hơi nhanh, có thể nhanh chóng tăng giảm tải để thích ứng với sự thay đổi chế độ làm việc của tuan bin hơi (với hệ động lực hơi nước); có năng lượng tiềm tàng lớn, buồng đốt ít quán tính; khi cần thiết có khả năng quá tải 2545%; các mặt hấp nhiệt không bị nhô lên khỏi mặt nước (với nồi hơi ống lửa) khi tàu lắc ngang 30o hoặc chúi mũi 12o; thích hợp với nhiều loại dầu đốt Chú ý rằng yêu cầu đối với nồi hơi của các loại tàu không giống nhau. Tàu khách, tàu hàng chạy định tuyến được cung cấp đều đặn một loại 44
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dầu đốt, có điều kiện kiểm tra sửa chữa ở cảng, thời gian điều động tàu (manouvering) ít, hầu hết thời gian làm việc đều ở chế độ toàn tải nên cần bảo đảm hiệu suất cao khi tàu chạy bình thường (tốc độ định mức). Tàu kéo, tàu cá, tàu công trình làm việc ở chế độ tải hay thay đổi, đôi khi lại cần lai dắt nên yêu cầu tính cơ động tốt và bảo đảm hiệu suất cao kể cả khi nhẹ tải. Tàu chiến yêu cầu thời gian đốt nồi lấy hơi thật ngắn và tính cơ động rất cao. Chúng ta nên biết rằng nồi hơi cũng được sử dụng ở trên bờ. Tuy nhiên, yêu cầu đối với nồi hơi tàu thủy rất khác so với nồi hơi trên bờ: kích thước, trọng lượng, cấu tạo phải gọn nhẹ, đơn giản hơn, chất đốt tốt hơn. Song nồi hơi tàu thủy không phải lúc nào cũng hoạt động nên có điều kiện thường xuyên rửa nồi và sửa chữa. Nồi hơi trên bờ thông thường trên một năm mới dừng lò và tiến hành bảo dưỡng, sửa chữa. Các yêu cầu kể trên mang tính chất tương đối và có thể không hoàn toàn thống nhất với nhau. Ví dụ, lượng nước nồi ít sẽ rút ngắn được thời gian đốt nồi lấy hơi, giảm trọng lượng nồi hơi, song mực nước nồi và áp suất hơi nước có thể kém ổn định. 45
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Chương 3. Nhiên liệu và quá trình cháy trong nồi hơi 3.1. Nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thủy Nhiên liệu (fuel) là những vật có thể cháy được (hay có thể ôxy hóa được), khi cháy tỏa ra nhiều nhiệt và ánh sáng. Ngày nay, một trong những loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các lĩnh vực công nghiệp là dầu mazut. Trong các sản phẩm chế biến từ dầu mỏ, dầu mazut chiếm khoảng 40% về khối lượng và đây chính là loại nhiên liệu được sử dụng cho nồi hơi tàu thủy. Dầu mazut gồm hai loại hay được sử dụng nhất là dầu nhẹ DO (diesel oil) và dầu nặng FO (fuel oil). 3.1.1. Thành phần dầu đốt nồi hơi Dầu đốt bao gồm hai nhóm thành phần sau:  Thành phần cháy được (combustible constituent): gồm có cácbon (C), hyđrô (H2), lưu huỳnh bốc (Sb).  Thành phần không cháy được (non-combustible constituent): gồm có nitơ (N2), lưu huỳnh không bốc - tức là ở dạng sunfat (Skb), chất tro (A), chất ẩm (W) và chất trợ cháy ôxy (O2). Lưu huỳnh bốc Sb là hợp chất sunfua của kim loại như FeS2. Nó có tính bốc cháy được và sinh ra khí SO2, SO3. Lưu huỳnh không bốc Skb ở thể sunfat không cháy được vì nó ở dạng ôxy hóa tới hạn (SO3). Thành phần cháy được càng nhiều thì lượng sinh nhiệt của dầu đốt càng cao. Ví dụ: 1kg cácbon cháy hoàn toàn sẽ tỏa ra 8100kCal, nhiệt lượng đó sẽ là 28700kCal với 1kg H2 và 2130kCal với 1kg Sb. 46
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chất tro tồn tại là do quặng lẫn trong dầu đốt như ôxít silic, ôxít sắt, ôxít nhôm, sunfat lưu huỳnh, sunfat magiê. Chất tro nhiều sẽ làm giảm lượng sinh nhiệt của dầu đốt. Hạm lượng chất tro trong dầu đốt nồi hơi thường dưới 1%. Ôxy không thể sinh ra nhiệt, mà còn ôxy hóa các nguyên tố cháy được, hạ thấp lượng sinh nhiệt của dầu đốt. Nitơ là khí trơ, không tham gia vào phản ứng cháy, dễ bay lên cùng khí lò khi đốt dầu. Lượng N2 trong dầu đốt càng ít càng tốt, thường không đến 2%. Chất ẩm trong dầu đốt làm giảm lượng sinh nhiệt vì không những nó không cháy được mà còn hấp nhiệt để bốc thành hơi trong quá trình đốt dầu. 3.1.2. Các tính chất đặc trưng a) Nhiệt trị Nhiệt trị của nhiên liệu (heating value) là nhiệt lượng mà 1kg nhiên liệu đó tỏa ra khi được đốt cháy hoàn toàn. Nhiệt trị gồm có nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.  Nhiệt trị cao (high heating value) là nhiệt lượng mà 1kg nhiên liệu đó tỏa ra khi được đốt cháy hoàn toàn, trong đó phần nước của bản thân nhiên liệu và nước do hyđrô sinh ra chưa biến thành hơi. Ký hiệu: QB (kJ/kg hoặc kCal/kg).  Nhiệt trị thấp (low heating value) là nhiệt lượng mà 1kg nhiên liệu đó tỏa ra khi được đốt cháy hoàn toàn, trong đó phần nước của bản thân nhiên liệu và nước do hyđrô sinh ra đã biến thành hơi. Ký hiệu: QH (kJ/kg hoặc kCal/kg). Như vậy, nhiệt trị thấp chính là nhiệt trị cao của nhiên liệu trừ đi phần nhiệt lượng tiêu tốn để bay hơi thành phần nước có trong 1kg nhiên liệu và nước tạo thành từ hyđrô trong 1kg nhiên liệu đó. Một cách gần 47
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY đúng, có thể tính nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp bằng công thức của Meldelyyv: (3-1) (3-2) Trong đó: lần lượt là lượng cácbon, hyđrô, lưu huỳnh bốc, ôxy và nước có trong 1kg nhiên liệu. Tuy nhiên, vì các thành phần trong chất đốt có liên hệ với nhau, phản ứng cháy tiến hành phức tạp hơn nhiều nên không thể dùng công thức trên đựơc. Trên thực tế, để có độ chính xác cao, nhiệt trị được đo bằng nhiệt lượng kế (caloriemetter). Nhiệt trị là thông số đặc trưng cho khả năng sinh nhiệt của dầu đốt nồi hơi. Nhiệt trị càng cao thì lượng sinh nhiệt của dầu đốt càng lớn, do đó suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm và ngược lại. b) Nhiệt độ bén cháy Nhiệt độ bén cháy (flash point) của dầu là nhiệt độ mà tại đó hơi dầu bốc lên có khả năng bắt lửa khi có mồi lửa từ bên ngoài. Nhiệt độ bén cháy của dầu đốt nồi hơi từ 80oC đến 150oC tùy theo loại dầu. c) Nhiệt độ tự cháy Nhiệt độ tự cháy (autoignition temperature/kindling point) của dầu là nhiệt độ mà tại đó dầu có khả năng tự bốc cháy mà không cần mồi lửa từ bên ngoài. 48
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3.1.3. Yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thuỷ Nhiên liệu sử dụng cho nồi hơi tàu thủy phải đảm bảo những yêu cầu sau: 1. Nhiệt trị lớn: để tăng thêm trọng tải có ích và tăng thêm bán kính hoạt động của tàu. 2. Không tự bén cháy trong két chứa trên tàu: để đảm bảo an toàn cho con tàu và thuyền viên. 3. Không bị biến chất. 4. Ít tro bụi, ít lưu huỳnh và chất độc: để ít tổn hại đến sức khỏe thuyền viên trên tàu, ít làm mục rỉ ống khói, bộ tận dụng nhiệt hâm nước, bộ sưởi không khí 5. Giá thành rẻ vì chi phí về dầu đốt có thể chiếm tới 3040% chi phí sử dụng tàu thủy. 3.2. Qúa trình cháy trong buồng đốt nồi hơi 3.2.1. Các giai đoạn cháy nhiên liệu Dầu từ súng phun được phun vào buồng đốt với áp lực cao, hòa trộn với không khí và được xé nhỏ thành các hạt sương dầu. Quá trình đốt cháy hạt sương dầu diễn ra gồm 3 giai đoạn: a) Giai đoạn nung nóng, bốc hơi (giai đoạn chuẩn bị cháy) Nhiệt lượng xung quanh buồng đốt truyền tới hạt sương dầu, nung nóng nó, làm nó bốc hơi, tạo thành một tầng hơi dầu bao lấy hạt sương dầu. Lúc này, trên bề mặt của hạt sương dầu có các hợp chất cao phân tử, là phần còn lại của lớp dầu ngoài cùng bị nung nóng đã bốc thành hơi dầu. Các hợp chất cao phân tử này làm giảm năng lực khuyếch tán của ôxy tới hạt dầu, tạo điều kiện hóa cốc. Sở dĩ hiện tượng hóa cốc xảy ra là do tốc độ bốc hơi của hạt sương dầu chậm hơn tốc độ phân 49
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY giải các hợp chất cao phân tử. Giai đoạn này diễn ra mãnh liệt ở nhiệt độ 200300oC. b) Giai đoạn phân giải Hạt sương dầu đã được sấy khô tiếp tục nhận nhiệt để chất bốc trong nó thoát ra dần và có thể bắt đầu cháy. Trong quá trình nung nóng hạt sương dầu, các cácbua hyđrô cao phân tử bị nhiệt phân thành những nguyên tố đơn giản cácbon và hyđrô. Dầu madút chứa nhiều mêtan o (CH4) và khí thiên nhiên nên phải ở nhiệt độ trên 600 C, các cácbua hyđrô mới phân huỷ. c) Giai đoạn cháy Khi các thành phần hơi dầu dễ bén lửa đạt đến nhiệt độ bén cháy, giai đoạn cháy bắt đầu diễn ra. Dầu đốt nồi hơi thường có 1520% thành phần nhẹ, nên ở nhiệt độ 150200oC (nhiệt độ bén cháy của thành phần nhẹ) đã xuất hiện ngọn lửa ổn đinh, tức là giai đoạn cháy đã bắt đầu. Tốc độ phản ứng cháy nhanh hơn nhiều so với tốc độ chuẩn bị cháy (nung nóng, bốc hơi, phân giải hợp chất cao phân tử), thời gian tiến hành phản ứng cháy hóa học chỉ chiếm khoảng 1% tổng thời gian cháy. Tổng thời gian cháy hạt sương dầu thường là 0,10,15 giây. Trên thực tế, cả ba giai đoạn của quá trình cháy hầu như diễn ra đồng thời. 3.2.2. Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn Cháy hoàn toàn (complete combustion) nghĩa là các sản phẩm cháy (H2O, CO2, SO2, N2, O2) khi ra khỏi buồng đốt (nhiệt độ từ 8001200oC) không thể hòa hợp với ôxy mà tiếp tục cháy nữa, nói 50
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng cách khác các thành phần cháy được đã cháy hết và tỏa nhiệt ra hết trong buồng đốt. Ngược lại, khi cung cấp không đủ không khí, không khí không được trộn đều với dầu đốt, cung cấp quá nhiều không khí làm cho nhiệt độ buồng đốt thấp, hoặc dung tích buồng đốt quá hẹp thì quá trình cháy sẽ diễn ra không hoàn toàn (incomplete combustion). Trong khói lò ngoài H2O, N2, O2 ra còn có các khí cháy chưa kịp cháy như CO, H2, CH4, CmHn, đồng thời trên bề mặt hấp nhiệt còn có muội (muội là cácbon thuần tuý và hyđrô, hyđrô cháy hết còn lại cácbon ở dạng muội). Do đó, mọi quá trình cháy thực tế trong nồi hơi đều là cháy không hoàn toàn. Ngọn lửa đốt dầu được cung cấp không khí vào với số lượng vừa phải sẽ có màu vàng nhạt, có thể lờ mờ nhìn thấy vách sau của buồng đốt. Nếu thiếu không khí ngọn lửa sẽ có màu vàng, thiếu nhiều không khi sẽ có màu da cam, rất thiếu không khí sẽ có màu đỏ. Nếu cung cấp quá nhiều không khí, có thể nhìn thấy rõ vách sau của buồng đốt qua ngọn lửa. Trong trường hợp khí cháy chưa cháy hết đã đi lên tiếp xúc với thành vách buồng đốt, các bề mặt trao nhiệt có nhiệt độ cao, nó sẽ tiếp tục cháy (hiện tượng cháy muộn, hay còn gọi là cháy rớt) và có thể tạo muội bẩn, gây hư hỏng buồng đốt cũng như các mặt hấp nhiệt. Để giảm bớt tổn thất về cháy trong buồng đốt, cần tạo ra các điều kiện để đưa quá trình cháy thực tế gần với quá trình cháy hoàn toàn. Các điều kiện đó là: 1. Cung cấp đầy đủ không khí. Quá ít không khí hoặc quá nhiều không khí đều không có lợi. Quá thừa không khí không những tốn thêm năng lượng cho việc thông gió của nồi hơi mà còn hạ thấp nhiệt độ trong buồng đốt, làm tăng nhiệt lượng tổn thất do khói lò mang đi . 51
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 2. Trộn đều không khí với dầu đốt, nói cách khác là đảm bảo cho hỗn hợp dầu - không khí tơi, mịn, có khả năng phun sương tốt. Áp dụng các biện pháp để phun nhiên liệu thành dòng xoáy lốc trong buồng đốt là cách làm rất hiệu quả. 3. Đảm bảo nhiệt độ trong buồng đốt đủ cao và phân bố đều đặn. Nhiệt độ buồng đốt quá cao (>2000oC) sẽ tạo điều kiện cho quá trình phân giải diễn ra và hấp thụ bớt một phần nhiệt lượng. Nhiệt độ buồng đốt quá thấp sẽ kéo dài giai đoạn chuẩn bị cháy, thậm chí làm tắt nồi. Nên duy trì nhiệt độ trong buồng đốt vào khoảng 10002000oC. 4. Buồng đốt đủ dung tích để cháy hết nhiên liệu, hạn chế hiện tượng cháy muộn. 3.2.3. Hệ số không khí thừa α Trên thực tế, không thể đảm bảo trộn đều không khí với dầu đốt và cung cấp lượng không khí thích hợp cho mỗi giai đoạn cháy cũng như mỗi vùng của buồng đốt. Vì vậy, để đảm bảo cháy hoàn toàn, so với phương trình phản ứng cháy cần cung cấp thừa không khí, tức là lượng không khí thực tế cấp vào buồng đốt phải lớn hơn lượng không khí lý thuyết tính theo các phương trình phản ứng cháy. Việc cung cấp thừa không khí được đặc trưng bởi hệ số không khí thừa, khí hiệu α, là tỷ số giữa lượng không khí thực tế cấp vào buồng đốt để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu và lượng không khí lý thuyết tính theo phản ứng cháy để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu đó. Cung cấp không đủ không khí sẽ không thể đảm bảo cháy hoàn toàn. Song cung cấp quá thừa không khí không những làm tăng lượng khói lò, kéo theo tăng tổn thất nhiệt do khói lò mang đi mà còn làm tăng lượng SO2 (vì SO2 dưới xúc tác của Fe2O3 sẽ sinh ra SO3), do đó tăng khả năng ăn mòn điểm sương. Vì vậy cần cung cấp không khí với hệ 52
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng số không khí thừa vừa phải, phù hợp với kiểu buồng đốt, loại dầu đốt và tải trọng nồi hơi. Do đó, ngoài cách thường xuyên quan sát màu ngọn lửa và màu khói lò, cần định kỳ phân tích khói lò để biết hệ số không khí thừa có được thích hợp không. Đối với nhiên liệu là dầu, thành phần khí không cháy hết trong khói chủ yếu là CO, các thành phần khác rất ít, không đáng kể nên hệ số không khí thừa α được tính theo công thức rút gọn sau: (3-3) Trong đó, O2, CO, RO2 là thành phần ôxy, cácbon ôxit và khí hai nguyên tử (CO2, SO2) có trong khói. Khi nhẹ tải, lượng dầu đốt cung cấp vào buồng đốt giảm nên hệ số không khí thừa tăng lên, ngay cả khi đã điều chỉnh quạt gió để giảm lượng gió cung cấp vào. Ngược lại, khi quá tải giảm vì phải đốt thêm dầu. Giá trị ở mỗi tải trọng tùy thuộc vào lượng tiêu thụ nhiên liệu và khả năng cung cấp (điều chỉnh) quạt gió ở tải trọng ấy. Khi nồi hơi hoạt động ở 75  100% tải, có thể coi const. Khi nhẹ tải (dưới 75%), ta có thể xác định giá trị phù hợp bằng công thức quy đổi sau: (3-4) Trong đó: ', D' – Hệ số không khí thừa và lượng sinh hơi khi nhẹ tải. , D – Hệ số không khí thừa và lượng sinh hơi khi toàn tải. 53
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi a) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi Thời gian chuẩn bị cháy ảnh hưởng rất nhiều đến toàn bộ quá trình cháy trong nồi hơi. Thời gian chuẩn bị cháy chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1. Loại dầu đốt. Dầu đốt có ít chất bốc, hàm lượng tro, ẩm cao, nồng độ của thành phần cháy được không cao sẽ kéo dài thời gian chuẩn bị cháy. Ngược lại, với dầu đốt có nhiều chất bốc, ít tro, ẩm, nồng độ của thành phần cháy được cao, thời gian chuẩn bị cháy sẽ ngắn hơn. Dầu DO có tốc độ cháy rất nhanh vì trong giai đoạn chuẩn bị cháy, dầu lỏng được biến hoàn toàn thành khí cháy. 2. Kết cấu và tình trạng kỹ thuật của thiết bị đốt dầu (súng phun, quạt gió ). Kích thước hạt dầu càng bé, khả năng tiếp xúc với khí nóng trong trong buồng đốt càng cao, do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ ngắn hơn. Điều này phụ thuộc vào chất lượng súng phun và khả năng hòa trộn, tán nhỏ nhiên liệu. Kết cấu thiết bị buồng đốt cũng ảnh hưởng tới tốc độ tương đối giữa dầu đốt với không khí. Khi tốc độ này nhanh và hỗn hợp lưu động kiểu xoáy lốc, không khí sẽ hòa trộn với dầu tốt hơn, giúp cho quá trình khuếch tán không khí tới các hạt dầu nhanh chóng hơn. 3. Nhiệt độ và áp suất buồng đốt. Nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt càng cao, nhiệt độ bén cháy của dầu càng thấp, thời gian chuẩn bị cháy càng ngắn. 4. Nhiệt độ, áp suất và mật độ của không khí cấp vào. Không khí cấp vào có nhiệt độ, áp suất và mật độ cao sẽ làm cho hạt dầu nhanh chóng được sấy khô và nung nóng, làm tăng nhiệt độ bình quân của buồng đốt. 54
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5. Vị trí tương đối giữa dầu đang cháy với dầu mới cấp vào. Điều này được quyết định bởi kiểu kết cấu buồng đốt. 6. Hệ số không khí thừa α. Hệ số không khí thừa tốt nhất là vào khoảng 1,05÷1,25. Với nồi hơi cũ, có thể chọn α lên đến 1,5 để đảm bảo dầu đốt được hoà trộn hết với không khí. 7. Tốc độ phản ứng cháy hóa học. Tốc độ này phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ tuyệt đối. Áp suất hay nhiệt độ tuyệt đối càng cao thì nồng độ các chất tham gia phản ứng càng tăng, do đó tốc độ phản ứng cháy hoá học càng nhanh và quá trình cháy diễn ra nhanh hơn. b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy ổn định Cần đảm bảo quá trình cháy trong buồng đốt được ổn định để cho chất đốt tự bén cháy được kể cả khi nhẹ tải, giữ ngọn lửa ở vị trí thích hợp không làm hỏng tường buồng đốt hoặc đầu súng phun. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy ổn định là: 1. Khả năng tự bén cháy của chất đốt. 2. Khả năng cung cấp không khí đầy đủ và liên tục. 3. Chất lượng thông gió, thể hiện ở việc liên tục đưa khí lò ra xa để cho không khí khuếch tán đến bề mặt của chất đốt. 3.2.5. Hiện tượng ăn mòn điểm sương và mục rỉ vanađi a) Ăn mòn điểm sương Lưu huỳnh khi cháy sẽ sinh ra SO3, SO3 sẽ kết hợp với H2O tạo thành axít H2SO4. Khi nhiệt độ khói lò nhỏ hơn nhiệt độ điểm sương thì hơi H2SO4 và hơi H2O sẽ ngưng đọng lên các mặt hấp nhiệt và làm mục rỉ các bề mặt ấy. Hiện tượng ăn mòn này xảy ra khi nhiệt độ giảm đến 120oC130oC. 55
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Cơ chế: S + O2 → SO2 2SO2 + O2 → 2SO3 SO3 + H2O → H2SO4 H2SO4 + Fe → FeSO4 + H2↑ 3H2SO4 + Fe2O3 → Fe2(SO4) 3 + 3H2O 3H2O + Fe2O3 → 2Fe(OH)3 Do đó, để hạn chế hiện tượng ăn mòn điểm sương, cần duy trì nhiệt độ khói lò cao hơn nhiệt độ điểm sương ở áp suất tương ứng. b) Mục gỉ vanađi Vanađi cháy sinh ra penta ôxít vanađi (V2O5) có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, khoảng 675oC nhưng còn có thể giảm đến 550580oC nếu cũng có Na2SO4 và K2SO4 được tạo thành bởi sự kết hợp giữa K2O, Na2O với SO3 khi cháy lưu huỳnh. Ở nhiệt độ nóng chảy, V2O5 bám trên các bề mặt kim loại sẽ làm mục gỉ các bề mặt ấy. Cơ chế: V + O2 → V2O3 o Trên 450 C: V2O3 + O2 → V2O5 o 550675 C: 3V2O5 + 4Fe → 2Fe2O3 + 3V2O3↑ V2O3 lại hấp thụ khí lò để trở thành V2O5, quá trình mục rỉ cứ thế tiếp diễn. o Thí nghiệm cho thấy, V2O5 bám lên bề mặt có nhiệt độ trên 550 C trong 2000 giờ có thể ăn mòn bề mặt ấy sâu khoảng 1mm. 56
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3.3. Cân bằng nhiệt nồi hơi Trong khi tính nhiệt, phải tính các tổn thất nhiệt, từ đó tính ra hiệu suất nồi hơi, lượng tiêu dùng chất đốt. Nhiệt lượng QH (đối với 1kg chất đốt) do chất đốt cấp vào buồng đốt chỉ có một phần Q1 được sử dụng có ích (nhiệt lượng có ích), có nghĩa là nhiệt lượng để biến nước thành hơi; phần còn lại là nhiệt lượng tổn thất bao gồm: tổn thất nhiệt Q2 do khói lò mang đi, tổn thất nhiệt hóa học Q3 do cháy không hoàn toàn, tổn thất nhiệt cơ học Q4, tổn thất nhiệt ra môi trường Q5, tổn thất nhiệt Q6 do tro xỉ lò còn nóng, do xả nước nồi ra ngoài. Đối với nồi hơi đốt dầu thì Q4 = 0, Q6 = 0. (3-5a) QH = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 (kJ/kg) (3-5b) Hay: 100% = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 3.3.1. Tổn thất nhiệt do khói lò q2 Khi khói lò ra ống khói, nhiệt độ khói lò còn cao hơn nhiệt độ không khí lạnh cấp lò nên gây ra tổn thất nhiệt q2. (3-6) Trong đó: Vk – Lượng khí lò (kể cả hơi ẩm trong khí lò ) do đốt 1kg chất 3 đốt sinh ra (m tc/kg). Ckh – Nhiệt dung riêng của khói lò, 3 Ckh = 0,323 + 0,000018kh (kCal/m tcđộ) o tkkl – Nhiệt độ không khí lạnh ( C). o kh – Nhiệt độ khói lò ( C). 57
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Đối với nồi hơi đốt dầu, khi có số liệu phân tích khói lò, ta có thể tính Q2 như sau: (3-7) Tổn thất nhiệt q2 là tổn thất nhiệt lớn nhất, nó vào khoảng 512% nhiều khi tới 2025%. Trị số của q2 phụ thuộc vào nhiệt độ khói lò, hệ số không khí thừa, tải trọng, thiết bị buồng đốt, các biện pháp làm giảm bớt q2 là: 1. Nếu có điều kiện nên tăng diện tích mặt hấp nhiệt tiết kiệm (bộ tận dụng nhiệt hâm nước và bộ sưởi không khí). Đây là biện pháp chính. 2. Giữ cho bề mặt hấp nhiệt sạch cáu cặn và muội. 3. Đốt lò với hệ số không khí thừa thích hợp cho kiểu buồng đốt, loại chất đốt và tải trọng nồi hơi. 4. điều chỉnh thiết bị buồng đốt cho phù hợp, đốt nồi đúng cách. 5. Bố trí các tấm dẫn khí (với nồi hơi ống nước) sao cho khí lò quét qua khắp các mặt hấp nhiệt đối lưu và phải sửa chữa ngay khi bị cháy hỏng. Bảng 3.1. Nhiệt độ khói lò kh của nồi hơi tàu thủy. o Loại nồi hơi kh, C Nồi hơi ống nước nhiệt tải cao 250350 Nồi hơi ống nước nhiệt tải bình thường 150250 Nồi hơi ống lửa không có bộ sấy không khí 250400 Nồi hơi ống lửa có bộ sấy không khí 200280 58
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Giảm được nhiệt độ khói lò sẽ giảm được tổn thất nhiệt do khói lò q2. Song nếu hạ thấp kh đến dưới điểm sương, sẽ làm cho hơi nước trong khói lò ngưng đọng trên mặt hấp nhiệt tiết kiệm, làm mục rỉ nhanh chóng các bộ phận này. Để đảm bảo cho khi nhẹ tải nhất tức là lúc nhiệt độ khói lò thấp nhất kh vẫn không được nhỏ hơn điểm sương, nói chung thường chọn kh lớn hơn 155oC cho khi tải trọng bình thường. o Riêng một số nồi hơi cho phép kh nhỏ hơn 155 C, khi ấy các bộ phận hấp nhiệt tiết kiệm được chế tạo bằng vật liệu khó mục rỉ hoặc được rắc hóa chất (ví dụ: hỗn hợp 34% CaO, 20,8% MgO, 38,6% CO2) vào chất đốt hoặc vào dòng khí lò trước bộ sưởi không khí ở chế độ nhẹ tải. 3.3.2. Tổn thất hóa học q3 Khi thiết bị buồng đốt không tốt, khi đốt lò với nhiệt độ buồng đốt quá thấp, hoặc đốt với hệ số không khí thừa quá bé, sẽ làm cho các phản ứng cháy không hoàn toàn, trong khói lò bay lên trời có các chất khó còn cháy được như CO, H2, CH4 và cácbua hyđrô. Đối với buồng đốt có cấu tạo và thiết bị đốt, cách đốt khéo léo q3 = 0,51% ngược lại có thể tới 910%. q3 có thể được tính gần đúng như sau, theo số liệu phân tích khói lò: (3-8) q3 = 3,2CO (%) Trong đó: CO – Nồng độ khí CO trong khói lò (%). Ta thấy rằng khi nồng độ khí CO trong khói lò tăng 1% thì q3 tăng 45%. Chú ý rằng khi lấy mẫu khói lò để phân tích nồng độ CO, phải lấy mẫu tại các điểm cách đều nhau trên một mặt cắt của đường khói. Khi đường khói bị hỏng nặng, phải lấy mẫu khí lò tại các nơi gần buồng đốt. 59
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Với nồi hơi đốt dầu, khi thay đổi tải q3 biến đổi rất ít nên có thể lấy cùng một trị số q3 cho mọi tải trọng. 3.3.3. Tổn thất nhiệt ra ngoài trời q5 Do nhiệt độ bề mặt vỏ nồi hơi, bề mặt bầu nồi, đường ống cao hơn nhiệt độ khí trời, nên gây ra tổn thất q5. Tổn thất q5 sẽ được giảm bớt nếu vỏ nồi hơi, bầu nồi, đường khí lò được bọc cách nhiệt dầy và khô, hoặc sử dụng vỏ hai lớp (ở giữa hai lớp có không khí cấp lò đi qua) để tránh rò rỉ hơi và nước. Khi tính nhiệt có thể chọn q5 theo bảng sau: Bảng 3.2. Tổn thất nhiệt q5 của một số loại nồi hơi Loại nồi hơi q5 (%) Nồi hơi cỡ nhỏ 23,5 Nồi hơi ống nước 2 đường khí 33,5 Nồi hơi ống nước 1 đường khí 35 Nồi hơi ống lửa có bộ sấy không khí 25 Khi tính nghiệm nhiệt, q5 có thể tính gần đúng như sau: (3-9) Trong đó: F – diện tích bề mặt ngoài nồi hơi (m2). 400 – nhiệt lượng tổn thất trên 1m2 bề mặt ngoài của nồi hơi (kCal/m2h). 30000 – nhiệt lượng tổn thất tại các bề mặt bầu nồi hộp ống (kCal/h). 60
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Khi thay đổi tải, ta sử dụng công thức quy đổi: (3-10) Trong đó: q5, Bt – tổn thất nhiệt ra ngoài và lượng chất đốt ở 100% tải. , – tổn thất tản nhiệt ra ngoài và lượng tiêu chất đốt ở nhẹ tải. 61
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Chương 4. Kết cấu nồi hơi tàu thủy 4.1. Nồi hơi phụ tàu thủy 4.1.1. Nồi hơi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) 1. Thân nồi hơi; 2. Đinh chằng dài; 3. Ống lửa chằng; 4. Ống lửa thường; 5. Buồng đốt; 6. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt; 7. Cửa thăm; 8. Đinh chằng ngắn; 9. Thiết bị buồng đốt; 10. Hộp lửa; 11. Ống thủy; 12. Mã đỉnh hộp lửa; 13. Cửa lấy hơi ra; 14. Ống khói. Hình 4.1. Nồi hơi Scotch. 62
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Trong nhiều năm trước đây, nồi hơi Scotch được sử dụng rộng rãi dưới tàu thủy do cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Hiện nay loại nồi hơi này thường được sử dụng trên bộ do kích thước cồng kềnh, không thuận lợi bố trí dưới tàu thủy và tính cơ động không cao (thời gian từ khi đốt lò đến khi sinh hơi đủ áp suất định mức dài). Các bộ phận chính của nồi hơi bao gồm vỏ hình trụ nằm ngang, bên trong có buồng đốt, hộp lửa và cụm ống lửa nằm. Buồng đốt dạng hình trụ có vách gợn sóng để bù giãn nở nhiệt khi đốt. Số lượng buồng đốt phụ thuộc vào kích thước nồi hơi. Nồi hơi có đường kính tới 4m có thể được trang bị hai buồng đốt, những nồi hơi lớn hơn có thể lắp ba buồng đốt. Hộp lửa vừa là nơi diễn ra quá trình cháy của nhiên liệu, vừa là nơi phân phối khí lò vào các ống lửa. Hộp lửa có dạng hình hộp bán nguyệt, hoặc hai nửa hình hộp bán nguyệt, phía dưới nối với cuối buồng đốt, phía trên là mặt sàng nối với các ống lửa. Trên đỉnh hộp lửa có mã đỉnh hộp lửa vừa làm kín hộp lửa vừa có tác dụng bảo vệ nồi hơi khi bị cạn nước nhờ nút bằng kim loại dễ nóng chảy. Hộp lửa được gia cố với vỏ nồi nhờ các đinh chằng ngắn. Các ống lửa nằm là nơi dẫn khói lò đi qua để trao nhiệt cho nước. Một đầu ống lửa nối với mặt sàng của hộp lửa, đầu kia nối với mặt sàng trước. Có hai loại ông lửa: ống lửa thường và ống lửa chằng. Các ống lửa thường có đường kính vào khoảng 65mm và độ dày 5mm. Chúng được nong chặt hai đầu vào hai mặt sàng, đầu phía hộp lửa sau khi nong được làm loe miệng, hoặc có thể được hàn từng điểm với vách hộp lửa (Hình 3.2). Đầu phía mặt sàng trước thường được nong để có đường kính lớn hơn, điều này cho phép dễ dàng rút ống về phía này khi sửa chữa, ngay cả khi có lớp cáu cặn bám ở bề mặt ngoài ống. Một số trường hợp đầu phía mặt sàng trước được làm dài ra một đoạn khoảng 12mm. Điều này cho phép nong lại ống khi đầu phía hộp lửa bị cháy làm mỏng mối ghép với hộp lửa. Khi đó người ta rút ống ra, vệ 63
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY sinh sạch sẽ, cắt bỏ phần mối ghép bị cháy hỏng, đẩy ống sâu về phía hộp lửa và nong lại. Các ống lửa chằng có nhiệm vụ chằng giữ các mặt sàng với nhau. Hai đầu các ống lửa chằng có đường kính ngoài lớn hơn và có ren để bắt vào các lỗ ren trên các mặt sàng. Sau khi bắt ren đồng thời vào hai mặt sàng, hai đầu ống lửa chằng được nong chặt, đầu phía mặt sàng trước thường được lắp êcu. Hình 4.2.Mối lắp ráp ống lửa thường và ống lửa chằng. Thiết bị buồng đốt được lắp ở mặt trước buồng đốt. Nhiên liệu được phun sương vào trong buồng đốt, hoà trộn với không khí, cháy, sinh nhiệt. Một phần nhiệt được truyền cho nước bao bên ngoài buồng đốt. Hỗn hợp khí cháy sau đó đi vào hộp lửa, ở đây nhiên liệu tiếp tục cháy, một phần nhiệt được truyền cho nước bao xung quanh hộp lửa. Khí cháy sau đó được chia vào trong các hộp lửa, ở đây quá trình truyền nhiệt cho nước tiếp tục diễn ra, khí lò lưu động một lượt dọc theo các ống lửa rồi thoát ra ống khói. Nước trong nồi hơi bao xung quanh buồng đốt, hộp lửa và các ống lửa nhận nhiệt của khí cháy, sôi và sinh hơi, lượng hơi sinh ra nổi lên, tách ra ở không gian hơi phía trên và được đưa đi sử dụng. Nước được bổ xung định kỳ cho nồi hơi nhờ bơm cấp nước. Trên thân nồi hơi và mặt trước được bố trí các nắp cửa thăm để kiểm tra không gian nước. Nồi hơi Scotch ở Hình 3.1 còn được gọi là nồi hơi ống lửa quét hai lần, có nghĩa là khí lò có hai lần trao nhiệt cho nước, lần thứ nhất ở bu`ồng đốt cùng với hộp lửa và lần thứ hai là ở các ống lửa. Với nồi hơi cỡ 64
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng lớn, số lần trao nhiệt có thể tăng lên bằng cách bố trí thêm các cụm ống và hộp lửa như thể hiện trên Hình 3.3. Hình 4.3. Nồi hơi ống lửa quét ba lần và nồi hơi ống lửa quét bốn lần. Ở nồi hơi ống lửa quét ba lần, khí lò sau khi đi qua cụm ống lửa thứ nhất sẽ đi vào hộp lửa thứ hai rồi tiếp tục đi qua cụm ống lửa thứ hai trước khi vào ống khói. Với nồi hơi ống lửa quét bốn lần, số cụm ống lửa và số hộp lửa tăng lên một so với nồi hơi ống lửa quét ba lần. Nồi hơi ống lửa quét bốn lần cũng là nồi hơi có số lần trao nhiệt tối đa, kích cỡ và công suất là lớn nhất. 65
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Nồi hơi Scotch có các ưu và nhược điểm sau:  Các ống lửa thẳng nên thuận lợi cho việc vệ sinh muội bên trong ống.  Không cần chất lượng nước nồi hơi cao do tuần hoàn đơn giản.  Năng suất, thông số hơi thấp do tỷ lệ bề mặt trao đổi nhiệt thấp và hình dáng nồi hơi không thuận lợi cho tuần hoàn.  Thời gian nhóm lò lấy hơi lâu do lượng nước trong bầu nồi lớn. Tuy nhiên do lượng nước trong nồi hơi lớn nên năng lực tiềm tàng lớn.  Lượng nước trong nồi hơi lớn nên nếu xảy ra sự cố, mức độ nghiêm trọng sẽ rất cao.  Do chiều cao không gian hơi khá lớn nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra khá tốt.  Do kích thước chiều ngang lớn nên cồng kềnh, không thuận lợi cho bố trí dưới tàu thủy. Nồi hơi Scotch thường được ứng dụng làm nồi hơi phụ phục vụ hâm sấy nhiên liệu và sinh hoạt cho một số tàu Diesel. Do có kích thước dạng hình trụ đặt nằm nên loại nồi hơi này không thuận tiện cho việc bố trí ở khu vực thượng tầng ống khói. Khi sử dụng trên tàu thủy, loại nồi hơi này thường được dùng làm làm nồi hơi phụ trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ - bộ tận dụng nhiệt khí xả (xem phần sau). Trong trường hợp này nồi hơi phụ có thể bố trí ở nơi thuận tiện, không phụ thuộc vào vị trí của bộ tận dụng nhiệt khí xả (đặt trên đường khí xả của động cơ Diesel chính). 66
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 4.1.2. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler) Nồi hơi Cochran có dạng hình trụ đặt đứng (Hình 4.4). Đây là loại nồi hơi phổ biến, rất phù hợp cho nhu cầu sinh hơi bão hoà thông số thấp, phục vụ các nhu cầu hâm sấy nhiên liệu và sinh hoạt trên tàu. 1. Vỏ nồi hơi; 2. Cửa thăm; 3. Mã nối; 4. Cửa kiểm tra; 5. Ống lửa; 6. Buồng đốt; 7. Ống khói; 8. Cửa hộp khói; 9. Đất chịu lửa; 10. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt. Hình 4.4. Nồi hơi Cochran. Buồng đốt nồi hơi được bố trí ở phía dưới. Mặt trước buống đốt lắp thiết bị đốt dầu (oil burner). Vách phần dưới buồng đốt được cách nhiệt bởi lớp gạch chịu lửa. Lớp gạch chịu lửa có tác dụng bảo vệ lớp vỏ kim loại ở phần dưới buồng đốt khỏi bị quá nhiệt. Điều này rất quan trọng bởi phần vách phía dưới buồng đốt tiếp xúc với phần không gian nước hẹp, lưu động kém và là nơi lắng đọng cáu cặn nên cường độ trao đổi nhiệt kém. Vách phần trên buồng đốt có dạng hình bán cầu tiếp xúc trực tiếp với nước nồi, tạo nên bề mặt trao đổi nhiệt, nên không cần bố 67
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY trí lớp gạch cách nhiệt. Phía trên buồng đốt có cửa nối với hộp lửa. Các ống lửa được lắp ghép thành cụm nhờ hai mặt sàng và được đặt nằm ngang phía trên buồng đốt. Để gia cường cụm ống lửa và hai mặt sàng, người ta sử dụng các ống lửa chằng được lắp ren với hai mặt sàng. Thân nồi hình trụ, phần đỉnh có hình bán cầu, cùng với buồng đốt hình bán cầu tạo nên cấu trúc cứng vững, ổn định, không cần bố trí các thanh chằng. Các ống lửa thẳng và tương đối ngắn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh ống. Phần đỉnh bán cầu là không gian hơi, có trang bị lắp cửa thăm để có thể kiểm tra bề mặt trao đổi nhiệt phía không gian nước, phần phía dưới có thăm để kiểm tra bề mặt trao đổi nhiệt phía dưới. Phần mặt trước hộp lửa có bố trí cửa thăm để vệ sinh các ống lửa. Cửa này có thể mở ra dễ dàng nhờ khớp bản lề. Nắp hộp khói cũng có thể tháo ra để vệ sinh và kiểm tra phần mặt sàng sau. Nhiên liệu là không khí được đưa vào buồng đốt nhờ bộ đốt dầu. Ban đầu hỗn hợp nhiên liệu cháy nhờ tia lửa điện do bộ đánh lửa tạo ra. Sau khi đã cháy, nhiên liệu và không khí tiếp tục được phun vào buồng đốt và cháy nhờ ngọn lửa duy trì trong buồng đốt. Khí lò tạo ra trao một phần nhiệt cho nước bao phía ngoài buồng đốt. Khí lò sau đó đi vào hộp lửa, chia vào các ống lửa nằm ngang, lưu động một lượt dọc theo các ống lửa rồi thoát ra ngoài hộp khói và theo ống khói xả ra ngoài. Nước bao phủ toàn bộ các bề mặt buồng đốt, hộp lửa, ống lửa và hộp khói. Phần nước tiếp xúc với các bề mặt trao nhiệt nhận nhiệt từ khí lò, sinh ra hơi, phần hơi sinh ra thoát lên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Lượng nước đã hoá thành hơi được bổ xung vào phần không gian nước nhờ bơm cấp nước nồi. Loại nồi hơi này có các ưu nhược điểm sau:  Cấu tạo các bề mặt trao đổi nhiệt đơn giản nên không yêu cầu chất lượng nước nồi hơi cao. 68
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng  Các cụm ống lửa ngắn, bố trí thuận tiện cho việc vệ sinh, bảo dưỡng.  Lượng nước trong nồi hơi không lớn nên thời gian đốt lò sinh hơi tương đối ngắn, an toàn khi gặp sự cố.  Có cấu tạo thẳng đứng, thuận lợi cho việc bố trí trên tàu thủy.  Chiều cao không gian hơi cao nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra tốt. Loại nồi hơi này không có bộ sấy hơi và các bộ hấp nhiệt tiết kiệm, nên chỉ phù hợp cho việc sử dụng làm nồi hơi phụ trên các tàu có động cơ Diesel chính lai chân vịt. Nồi hơi Cochran còn có thể được thiết kế thêm phần ống lửa sử dụng khí xả để trở thành nồi hơi liên hợp (composite boiler). 4.1.3. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng có cấu tạo tiêu biểu như chỉ ra ở Hình 4.5. Thân nồi hơi có dạng hình trụ thẳng đứng. Phần chính của nồi hơi được tạo bởi buồng đốt, cụm ống lửa thẳng đứng và hộp khói. Buồng đốt có dạng hình trụ đặt ở phía dưới. Toàn bộ buồng đốt được tiếp xúc trực tiếp với nước, trừ mặt dưới, do không có nước tuần hoàn nên được cách nhiệt bởi lớp gạch chịu lửa. Cụm ống lửa thẳng đứng nối mặt trên của buồng đốt với mặt dưới của hộp khói. Các ống lửa thẳng đứng có thể có dạng xoắn ốc để tăng cường mức độ xoáy lốc của khí lò chuyển động trong ống, tăng cường độ trao đổi nhiệt. Toàn bộ thân nồi, buồng đốt, cụm ống lửa và hộp khói tạo thành một kết cấu cứng vững, không cần các kết cấu gia cường. Hai mặt sàng của buồng đốt và hộp khói có dạng mặt phẳng nên thường được gia cường nhờ các ống lửa chằng. Các ống lửa chằng được loe miệng và hàn vào mặt sàng. 69
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Trên thân nồi, ở một vài vị trí được bố trí các nắp cửa thăm, cửa kiểm tra để thuận lợi cho việc kiểm tra, vệ sinh các bề mặt trao đổi nhiệt khi nồi hơi dừng. Bộ đốt dầu được bố trí ở mặt trước buồng đốt. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được phun vào buồng đốt và đốt cháy. Khí lò tạo ra trao nhiệt cho nước bao bên ngoài buồng đốt. Khí lò được chia vào các ống lửa thẳng đứng, tiếp tục trao nhiệt cho nước bao bên ngoài các ống lửa rồi thoát ra ống khói. Nước bao bên ngoài buồng đốt, các ống lửa, nhận nhiệt của khí lò, sinh hơi. Phần hơi tạo ra nổi lên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Phần nước đã sinh hơi được bổ xung vào phần không gian nước nhờ bơm cấp nước nồi hơi. 1. Đất chịu lửa; 2. Buồng đốt; 3. Màn vách ống; 4. Vỏ nồi hơi; 5. Ống nước xuống; 6. Ống lửa; 7. Ống thủy; 8. Miệng ống khói; 9. Đường hơi ra; 10. Van an toàn; 11. Cửa kiểm tra; 12. Thiết bị buồng đốt. Hình 4.5. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng. 70
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Loại nồi hơi này có các ưu nhược điểm sau:  Có cấu tạo đơn giản nên không yêu cầu chất lượng nước nồi hơi cao.  Các cụm ống lửa thẳng, bố trí thuận tiện cho việc vệ sinh, bảo dưỡng, sức cản khí lò nhỏ.  Có cấu tạo thẳng đứng, thuận lợi cho việc bố trí trên tàu thủy.  Chiều cao không gian hơi cao nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra tốt. Ngoài phiên bản nồi hơi phụ đốt dầu như trên, loại nồi hơi này còn có thể được thiết kế làm nồi hơi khí xả hoặc nồi hơi liên hợp đốt dầu-khí xả để lắp đặt trên các tàu có động lực chính là Diesel (xem phần nồi hơi liên hợp). Khi dùng làm nồi hơi khí xả, khoang buồng đốt không được lắp bộ đốt dầu mà bố trí cửa nối với đường khí xả của động cơ Diesel chính. Trường hợp dùng làm nồi hơi liên hợp khoang buồng đốt được chia làm hai phần: một phần làm buồng đốt; một phần nối với đường khí xả của động cơ Diesel. Như vậy sẽ có hai cụm ống lửa đứng: một cụm cho nồi hơi phụ; một cụm cho nồi hơi khí xả, mỗi cụm có đường ống khói riêng. Cấu tạo như vậy cho phép nồi hơi phụ và nồi hơi khí xả có thể hoạt động đồng thời. 4.1.4. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng Nhiên liệu và không khí được phun vào và cháy trong buồng đốt. Khí lò sinh ra trao một phần nhiệt cho nước ở trong màn vách ống bao xung quanh buồng đốt. Khí lò sau đó qua ống thoát đi lên phía trên, quét ngang qua cụm ống nước đứng, tiếp tục trao nhiệt cho nước trong ống, rồi thoát ra ống khói. Các cụm ống nước thường được bố trí thành hàng hình xoắn ốc, để tạo ra quỹ đạo xoắn ốc cho dòng khí lò, tăng quãng đường và thời gian trao đổi nhiệt của khí lò cho các ống nước. Nước ở trong các ống của màn vách ống nhận nhiệt bức xạ từ khí lò 71
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY trong buồng đốt, sinh hơi, lượng hơi sinh ra thoát lên khoang nước. Nước trong khoang nước cũng như trong các ống nước thẳng đứng tiếp tục nhận nhiệt của khí lò, sinh hơi. Lượng hơi sinh ra thoát lên khoang hơi và được đưa đi sử dụng. Nước ở phần dưới của khoang hơi theo các ống xuống, được bố trí ở bên ngoài nồi hơi, đi xuống ống góp để bổ xung cho lượng nước đã sinh hơi. 1. Ống góp; 2. Màn vách ống; 3. Vỏ nồi hơi; 4. Thanh chằng dọc; 5. Ống dẫn khí; 6. Ống nước; 7. Ống khói; 8. Ống nước xuống; 9. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt; 10. Đất chịu nhiệt. Hình 4.6. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng. Loại nồi hơi này có các đặc điểm sau:  Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng.  Tuần hoàn đơn giản, các ống nước thẳng đứng nên không đòi hỏi chất lượng nước cao. 72
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng  Các ống nước thẳng đứng, lại bố trí các ống xuống bên ngoài nên thuận lợi cho tuần hoàn tự nhiên.  Các ống nước tạo nên diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn, nên kích thước nồi hơi tương đối gọn nhẹ.  Có cấu tạo thẳng đứng, thuận lợi cho việc bố trí trên tàu thủy. Loại nồi hơi này được dùng làm nồi hơi phụ, sinh hơi phục vụ cho các nhu cầu trên các tàu động lực Diesel. Trong nhiều trường hợp nồi hơi này được sử dụng kết hợp với một bộ tận dụng nhiệt khí xả trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả (xem phần sau). Khi đó nồi hơi phụ (khoang hơi) sẽ đóng vai trò là khoang tách hơi cho bộ tận dụng nhiệt khí xả khi tàu chạy hành trình (bộ tận dụng nhiệt khí xả làm việc). Hình 4.7 mô tả cấu tạo của một loại nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng khác: Nồi hơi của hãng Muira, Nhật bản. Loại nồi hơi này được sử dụng rất phổ biến làm nồi hơi phụ trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ- bộ tận dụng nhiệt khí xả trên các tàu do Nhật bản thiết kế. Thân nồi hơi có dạng hình trụ đứng, phía dưới là trống nước, phía trên là trống hơi. Trống nước và trống hơi đều có dạng vành khăn có thiết diện chữ nhật. Hai hàng ống nước thẳng đứng nồi liền trống nước và trống hơi. Hai hàng ống nước hình thành hai màn ống hình trụ có hai cung hở đối xứng nhau tạo ra đường đi của khói lò. Thiết bị buồng đốt được bố trí phía trên nồi hơi. ống khói được bố trí ở bên vách, phía có bố trí cung hở của hàng ống bên ngoài. Nguyên lý hoạt động như sau: Phía khí lò: Nhiên liệu và không khí được cấp vào buồng đốt từ phía trên, cháy và trao nhiệt bức xạ cho nước trong ống của hàng ống tiếp xúc với buồng đốt. Sau đó thoát qua cung khuyết của hàng ống phía trong quét qua khe hở giữa hai hàng ống, trao nhiệt cho nước bên trong 73
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY hai hàng ống. Sau đó khí lò lưu động tới cung khuyết của hàng ống bên ngoài rồi thoát ra ngoài qua ống khói. 1. Quạt gió; 2. Bướm gió; 3. Nắp nồi hơi; 4. Trống hơi; 5. Mặt sàng trên; 6. Loa gió; 7. Đất chịu lửa; 8. Trống nước; 9. Bulông nối; 10. Biến áp đánh lửa; 11. Súng phun; 12. Hộp gió; 13. Vỏ ngoài; 14. Vỏ trong; 15. Ống nước; 16. Hộp ống khói; 17. Mặt sàng dưới. Hình 4.7. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng của hãng MIURA. 74
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Phía nước: Nước trong các ống nước đứng nhận nhiệt của khí lò quét bên ngoài. Hàng ống phía trong do tiếp xúc với buồng đốt, nhận nhiệt bức xạ, sôi và sinh hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ đi lên trống hơi. Nước trong hàng ống phía ngoài nhận nhiệt ít hơn, chưa đủ sôi nên có tỷ trọng nặng hơn chảy xuống khoang nước, bù vào lượng nước đã sinh hơi tạo thành vòng tuần hoàn. Tại không gian hơi, hơi nước được tách ra và được dẫn đi sử dụng. Nước bổ xung cho phần nước đã sinh hơi được bơm cấp nước nồi cấp vào trống nước. Đặc điểm kết cấu và ứng dụng:  Các ống nước thẳng đứng nên thuận lợi cho việc vệ sinh ống.  Không cần chất lượng nước nồi hơi cao do ống nước to, thẳng, tuần hoàn đơn giản.  Năng suất, thông số hơi thấp do tỷ lệ bề mặt trao đổi nhiệt thấp.  Lượng nước trong nồi hơi lớn lên nổ khi nổ vỡ nguy hiểm.  Do chiều cao không gian hơi khá lớn nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra khá tốt. Thường ứng dụng làm nồi hơi phụ trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả, phục vụ hâm sấy nhiên liệu và sinh hoạt cho một số tàu Diesel. a) Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức Việc sử dụng tuần hoàn cưỡng bức trong nồi hơi cho phép tăng tốc độ chuyển động của dòng nước, dẫn đến tăng cường độ trao đổi nhiệt. Điều này cho phép giảm trọng lượng, kích thước của nồi hơi. Mặc dù có rất nhiều loại nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức, nhưng chúng đều có chung đặc điểm kết cấu như được chỉ ra ở Hình 4.8. Hệ thống nồi hơi này bao gồm thân nồi hơi, buồng đốt, các cụm ống nước, bầu tách hơi, bơm tuần hoàn và bơm cấp nước. 75
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY Thân nồi hơi thường có dạng hình trụ, là nơi đặt buồng đốt và các cụm ống nước. Các cụm ống nước thường được uốn thành tựng cuộn, đặt bên trong thân nồi. Một số trường hợp sử dụng các cuộn ống đặt chồng lên nhau, nối chung vào các ống góp thẳng đứng. 1. Bướm gió; 2. Quạt gió; 3. Đất chịu nhiệt; 4. Buồng đốt; 5. Cuộn ống nước; 6. Vỏ nồi hơi; 7. Ống khói; 8. Két nước cấp; 9. Van hơi chính; 10. Van an toàn; 11. Ống thủy; 12. Bầu hơi; 13. Van xả đáy; 14. Súng phun; 15. Đường cấp nhiên liệu; 16. Van xả cặn; 17. Bơm tuần hoàn; 18. Bơm nước cấp. Hình 4.8. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức. Nhiên liệu và không khí được cấp vào và đốt cháy trong buồng đốt. Khí lò tạo ra quét dọc qua các chồng ống nước, trao nhiệt cho nước ở trong ống, rồi thoát ra ống khói. Nước trong các ống lưu động cưỡng bức nhờ bơm tuần hoàn hút nước từ phía dưới của bầu tách hơi. Nước được cấp cho các cụm ống từ phía trên để đảm bảo nhiệt độ nước tăng dần. Dọc theo đường lưu động của nước trong ống, nhiệt độ nước tăng 76
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dần, sôi và sinh hơi. Hỗn hợp nước và hơi được đưa tới bầu tách hơi, ở đây phần hơi được tách ra, nổi lên phía trên và được đưa đi sử dụng. Lượng nước ở phía dưới tiếp tục được bơm tuần hoàn hút và đưa đến cụm ống nước. Bơm cấp nước có nhiệm vụ cấp nước vào bầu tách hơi (phần không gian nước) để bổ xung cho lượng nước đã sinh hơi. Loại nồi hơi này không cần trống nước, nên lượng nước trong nồi hơi tương đối nhỏ. Vì vậy chúng an toàn hơn nhiều so với các loại nồi hơi khác. Nhờ lượng nước nhỏ cộng với cường độ trao đổi nhiệt cao do tuần hoàn cưỡng bức, nên loại nồi hơi này thường có trọng lượng, kích thước nhỏ hơn nhiều so với các nồi hơi tuần hoàn tự nhiên có cùng công suất. Lượng nước nhỏ cũng giúp cho thời gian sinh hơi nhanh, điều này là đặc biệt hữu ích trong các trường hợp cần cung cấp hơi nhanh. Nhờ tuần hoàn cưỡng bức, loại nồi hơi này cho phép sử dụng các ống nước cong và có đường kính nhỏ hơn, nên tăng diện tích bề mặt trao nhiệt trên một đơn vị thể tích, tăng cường độ trao đổi nhiệt nhờ đối lưu cưỡng bức. Nhờ sử dụng tuần hoàn cưỡng bức, con cho phép sử dụng buồng đốt tăng áp, tăng nhiệt tải dung tích buồng đốt, giảm trọng lượng, kích thước của nồi hơi. Tuy nhiên, do các cụm ống nước cong, nhỏ, cường độ bay hơi trên một đơn vị diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cao, nên đòi hỏi chất lượng nước nồi hơi cao. Đồng thời cần đặc biệt chú ý cấp nước cho các cụm ống nước khi nồi hơi làm việc ở các chế độ quá độ hay khi khởi động. Để đảm bảo hoạt động an toàn, loại nồi hơi này thường được trang bị một hệ thống tự động điều khiển, giám sát và bảo vê. Hệ thống này tự động đưa bơm tuần hoàn vào hoạt động khi đốt nồi hơi và tự động dừng nồi hơi khi nhiệt độ các cụm ống nước quá cao. 4.2. Nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp Nhằm nâng cao hiệu suất chung của hệ động lực, người ta thường tìm cách tận dụng nguồn nhiệt thải của khí xả. Ví dụ trên các tàu thủy sử 77
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY dụng động cơ Diesel chính lai chân vịt, nguồn nhiệt thải từ khí xả có thể tới 30%. Việc sử dụng các thiết bị tận dụng nhiệt khí xả để sinh hơi (nồi hơi khí xả - exhaust gas boiler, bộ tận dụng nhiệt khí xả - exhaust gas economizer) cho phép tận dụng từ 20% đến 60% nguồn nhiệt khí thải từ động cơ Diesel chính. Mức độ tận dụng nhiệt phụ thuộc vào cấu hình và độ phức tạp của hệ thống tận dụng nhiệt. Những hệ thống tận dụng nhiệt đơn giản chỉ sản xuất hơi cho mục đích hâm sấy nhiên liệu nặng, hâm nước nóng hoặc các mục đích sinh hoạt khác. Những hệ thống phức tạp có thể sử dụng hơi từ nồi hơi khí xả cho việc lai các tua bin phụ để cung cấp điện phục vụ con tàu hoặc lai các bơm (bơm ballast, bơm hàng lỏng). Những hệ thống tận dụng nhiệt khí xả có tua bin phụ thường có chi phí ban đầu khá lớn, do vậy chỉ phù hợp cho các tàu chuyên dụng, có trọng tải lớn (các tàu hàng rời, tàu dầu, tàu hoá chất, tàu khí hoá lỏng, dàn khoan, ). Các tàu này thường được thiết kế với thời gian hoạt động trên biển chiếm tỷ lệ lớn hoặc để chạy các tuyến xa. Thông thường công suất sinh hơi của các hệ thống tận dụng nhiệt khí xả là đủ lớn cho các tiêu dùng thông thường của con tàu khi chạy biển. Việc sử dụng nồi hơi phụ (nồi hơi đốt dầu) chỉ cần thiết khi tàu đậu ở các cảng, hoặc trong các trường hợp đặc biệt, khi hệ thống tận dụng nhiệt khí xả không cung cấp đủ cho nhu cầu tiêu dùng hơi. Một tác dụng khác khi lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt khí xả trên các tàu là chúng đóng vai trò như một bộ tiêu âm cho các động cơ Diesel. Các hệ thống tận dụng nhiệt khí xả thường được bố trí theo hai dạng: Nồi hơi liên hợp phụ-khí xả và hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả. Ở dạng thứ nhất, hệ thống tận dụng nhiệt khí xả là một nồi hơi có hai phần: nồi hơi phụ đốt dầu và nồi hơi khí xả. Hai nồi hơi này được bố trí chung trong một thân, có cùng chung không gian hơi, không gian nước, chúng có thể hoạt động độc lập hoặc đồng thời. Do cả phần nồi hơi phụ đốt dầu và phần nồi hơi khí xả được bố trí trong cùng một 78
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng thân, nên nồi hơi liên hợp luôn được bố trí ở tầng trên, nơi bố trí đường ống khí thải của động cơ Diesel chính. Ở dạng thứ hai, hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả bao gồm một nồi hơi phụ đốt dầu và một bộ tận dụng nhiệt khí xả được bố trí độc lập. Nồi hơi phụ có thể bố trí ở vị trí phù hợp trong buồng máy, còn bộ tận dụng nhiệt khí xả được bố trí trên đường khí thải của động cơ Diesel chính. Hai phần này được nối với nhau nhờ hệ thống đường ống và các thiết bị phục vụ khác. Phần dưới sẽ nghiên cứu một vài dạng nồi hơi liên hợp và hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả. 4.2.1. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm (Cochran) Hầu hết các tàu Diesel đều được lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt khí xả để sinh hơi. Sản lượng hơi sinh ra của các hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào lượng nhiệt thải từ động cơ Diesel chính. Vì vậy cần phải trang bị thêm cho hệ thống một nồi hơi phụ, để cung cấp hơi trong thời gian tàu dừng (động cơ chính không hoạt động). Một trong hai phương pháp là tích hợp với nồi hơi khí xả một nồi hơi đốt dầu để được một nồi hơi liên hợp. Trong hầu hết các trường hợp hệ thống này có chung không gian nước nhưng không gian khí lò thì được tách biệt. Như vậy nồi hơi phụ có thể hoạt động độc lập, bổ xung nhiệt khi động cơ chính chạy ở các chế độ nhẹ tải, thay thế nồi hơi khí xả khi động cơ chính dừng hoạt động. Điều này cho phép duy trì năng suất sinh hơi, không phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ chính. Nồi hơi phụ kiểu Cochran như Hình 4.9 có thể được tích hợp cụm ống lửa cho nồi hơi khí xả để trở thành nồi hơi liên hợp. Nồi hơi bao gồm hai phần: phần dưới bố trí buồng đốt và cụm ống lửa nằm của nồi hơi phụ, phần trên bố trí cụm ống lửa nằm của nồi hơi khí xả. 79
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 1. Nắp nồi hơi; 2. Cửa thăm; 3. Ống lửa; 4. Cửa kiểm tra; 5. Đường khí xả Diesel vào; 6. Buồng đốt; 7. Ống khói; 8. Cửa kiểm tra ống khói; 9. Đất chịu lửa; 10. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt. Hình 4.9. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm kiểu Cochran. 80
NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nguyên lý hoạt động của nồi hơi này như sau: Phần nồi hơi phụ: Khi làm việc với nồi hơi phụ, nhiên liệu và không khí được đốt cháy trong buồng đốt nồi hơi trao nhiệt cho nước bao bên ngoài. Sau đó thoát lên hộp lửa và chia vào các ống lửa nằm. Khí lò tiếp tục trao nhiệt cho nước bên ngoài ống rồi thoát ra ngoài qua ống khói. Nước bên ngoài ống nhận nhiệt của khí lò, sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ thoát lên không gian hơi. Phần hơi tách ra trên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Phần nồi hơi khí xả: Khi tàu chạy hành trình, khí xả từ động cơ Diesel chính được dẫn vào nồi hơi, chia vào các ống lửa, trao nhiệt cho nước bên ngoài ống sau đó thoát ra ngoài qua ống khói. Nước bên ngoài ống nhận nhiệt của khí xả, sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ thoát lên không gian hơi. Phần hơi tách ra trên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Ngoài dạng kết cấu như hình bên trái, là kết cấu mà cả hai phần của nồi hơi đều sử dụng chung cụm ống trao nhiệt, nồi hơi liên hợp phụ - khí xả Cochran còn có kết cấu dạng cụm ống tách riêng như hình bên phải. Với kết cấu dạng này, nồi hơi không tận dụng hết được toàn bộ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nếu chỉ sử dụng hoặc phần nồi hơi phụ, hoặc phần nồi hơi khí xả độc lập. Tuy nhiên, khi cần tăng cường lượng sinh hơi, ta có thể dùng song song cả nồi hơi phụ và nồi hơi khí xả mà không sợ hoạt động của phần nồi hơi phụ ảnh hưởng đến công tác của động cơ chính do chúng đã có các cụm ống trao nhiệt riêng. Đồng thời, nếu có sự cố xảy ra với một phần (nồi hơi phụ hoặc nồi hơi khí xả), ta vẫn có thể duy trì hoạt động của nồi hơi bằng phần còn lại. Thông thường các nồi hơi dạng này được trang bị hệ thống tự động điều khiển bộ đốt dầu theo áp suất hơi trong khoang hơi. Nhờ vậy, nồi hơi phụ được tự động đưa vào hoạt động khi áp suất trong khoang hơi 81