giáo trình nồi hơi tàu thủy

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,

Hiệu đính: TS Nguyễn Đại An

NỒI HƠI TÀU THỦY

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

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

MỤC LỤC

Chương 1 Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước 10

1.1 Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước 10

1.1.1 Nước và hơi nước 10

1.1.2 Đồ thị pha của nước 11

1.1.3 Các quá trình chuyển pha của nước 12

1.1.4 Độ khô và độ ẩm của hơi nước 13

1.2 Chu trình nhiệt động của thiết bị động lực hơi nước 14

1.2.1 Chu trình Carnot 14

1.2.2 Chu trình Rankine 16

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine 21

1.2.4 Chu trình hồi nhiệt và chu trình có quá nhiệt trung gian 23

1.3 Sử dụng năng lượng hơi nước dưới tàu thủy 27

Chương 2 Giới thiệu chung về nồi hơi tàu thủy 28

2.1 Định nghĩa 28

2.2 Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy 28

2.3 Phân loại nồi hơi tàu thủy 29

2.3.1 Phân loại theo áp suất công tác 29

2.3.2 Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước 30

2.3.3 Phân theo nguồn năng lượng sử dụng 30

2.3.4 Phân theo hình dáng và cách bố trí nồi hơi 31

2.3.5 Phân theo nguyên lý tuần hoàn 32

2.4 Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy 33

2.4.1 Áp suất 33

2.4.2 Nhiệt độ 34

2.4.3 Sản lượng hơi 34

2.4.4 Suất tiêu hao nhiên liệu 35

2.4.5 Diện tích mặt hấp nhiệt 35

2.4.6 Dung tích buồng đốt 36

2.4.7 Nhiệt tải dung tích buồng đốt 36

2.4.8 Lượng nước nồi 37

2.4.9 Hiệu suất nồi hơi 37

2.5 Nguyên lý hoạt động của nồi hơi và hệ thống nồi hơi 39

2.5.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của nồi hơi 39

2.5.2 Quá trình sinh hơi trong nồi hơi 40

2.5.3 Hệ thống nồi hơi 42

2.6 Yêu cầu đối với nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy 45

Chương 3 Nhiên liệu và quá trình cháy trong nồi hơi 48

3.1 Nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thủy 48

3.1.1 Thành phần dầu đốt nồi hơi 48

3.1.2 Các tính chất đặc trưng 49

3.1.3 Yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thuỷ 50

3.2 Qúa trình cháy trong buồng đốt nồi hơi 51

3.2.1 Các giai đoạn cháy nhiên liệu 51

3.2.2 Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn 52

3.2.3 Hệ số không khí thừa α 54

3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi 56

3.2.5 Hiện tượng ăn mòn điểm sương và mục rỉ vanađi 57

3.3 Cân bằng nhiệt nồi hơi 59

3.3.1 Tổn thất nhiệt do khói lò q2 59

3.3.2 Tổn thất hóa học q3 61

3.3.3 Tổn thất nhiệt ra ngoài trời q5 62

Chương 4 Kết cấu nồi hơi tàu thủy 64

4.1 Nồi hơi phụ tàu thủy 64

4.1.1 Nồi hơi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) 64

4.1.2 Nồi hơi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler) 69

4.1.3 Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng 71

4.1.4 Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng 73

4.1.5 Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức 77

4.2 Nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp 79

4.2.1 Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm (Cochran) 81

4.2.2 Nồi hơi liên hợp ống nước đứng 85

4.2.3 Hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả 87

Chương 5 Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi 91

5.1 Thiết bị buồng đốt 91

5.1.1 Hệ thống cung cấp không khí 92

5.1.2 Hệ thống nhiên liệu 94

5.1.3 Thiết bị đánh lửa 104

5.1.4 Tế bào quang điện (mắt thần) 105

5.1.5 Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt 106

5.2 Thiết bị chỉ báo, cấp nước nồi 110

5.2.1 Thiết bị chỉ báo tại chỗ 110

5.2.2 Thiết bị chỉ báo mức nước từ xa 111

5.2.3 Hệ thống cung cấp nước nồi hơi 112

5.3 Tự động điều khiển và điều chỉnh nồi hơi 117

5.3.1 Tự động điều khiển quá trình cháy 117

5.3.2 Tự động điều khiển hâm nhiên liệu 120

5.3.3 Tự động giám sát và cấp nước nồi hơi 122

5.4 Van an toàn 123

5.4.1 Van an toàn kiểu đẩy thẳng 123

5.4.2 Van an toàn hoạt động gián tiếp 127

5.5 Thiết bị gạn xả và thổi muội 128

5.5.1 Gạn mặt, xả đáy nồi hơi 128

5.5.2 Thiết bị thổi muội 130

5.6 Hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi 131

Chương 6 Nước nồi hơi và xử lý nước nồi hơi 133

6.1 Nước cấp nồi hơi 133

6.1.1 Thành phần cáu cặn trong nước nồi hơi 133

6.1.2 Tiêu chuẩn nước cấp nồi hơi 135

6.2 Ảnh hưởng của tạp chất đến sự hoạt động của nồi hơi 138

6.2.1 Cơ chế hình thành cáu cặn 140

6.2.2 Cơ chế ăn mòn các bề mặt trao nhiệt 141

6.2.3 Hiện tượng tạp chất và các hạt nước cuốn theo vào hơi 146

6.3 Xử lý nước nồi 148

6.3.1 Xử lý nước ngoài nồi hơi 148

6.3.2 Xử lý nước trong nồi hơi 152

6.4 Hóa nghiệm nước nồi hơi 157

6.4.1 Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ 157

6.4.2 Các bài hoá nghiệm cơ bản 158

6.5 Bài hoá nghiệm nưóc nồi hơi của hãng Unitor Chemicals 163

6.5.1 Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ 163

6.5.2 Xác định hàm lượng kiềm phenolthalein (P Alkalinity) 164

6.5.3 Xác định độ pH 164

6.5.4 Xác định hàm lượng ion chloride (Cl-) 165

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 168

7.1.4 Khai thác nồi hơi đang hoạt động 170

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 173

7.2.4 Mức nước nồi hơi quá cao 174

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 177

7.3.3 Thử thủy lực nồi hơi 179

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.

1.1.2 Đồ thị pha của nước

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 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

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 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

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

Hình 1.2 Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nước.

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).

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

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

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.

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

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 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; � tăng chậm ở vùng p1 > 90bar vì ở vùng này 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÷600o C.

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 η tăng 0,396÷0,427%.

Hình 1.7 Ảnh hưởng của áp suất cuối.

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).

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

 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

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

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

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 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/cm 2 ) 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

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 2.10 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.

 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 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 2.11 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 nhất Nồi hơi ống lửa cũng là nồi hơi không tuần hoàn do nước được chứa toàn bộ trong bầu nồi

Hình 2.12 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

 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

phải cao hơn áp suất pN 3÷6kG/cm2 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 θkl 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 θkk 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

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.

D N = D hs + D gs + D x (kg/h) (2-1)

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:

2.4.4 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/mlci h hoặc g/ml ci h.

Ví dụ: nồi hơi đốt dầu có p N = 100÷120kG/cm 2 , t s = 550 o C thì g e =

200÷210g/ml ci h.

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:

 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 buồng đốt Dung tích buồng đốt ký hiệu là Vbđ, đơn vị là m3

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

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

đốt Nhiệt tải dung tích buồng đốt ký hiệu là qv, đơn vị là kCal/m2h.

(2-3)

Trong đó: B t – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ (kg/h).

Q H – 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

 Với nồi hơi đốt dầu có diện tích vách lớn, qv = 0,6÷0,7.106

kCal/m3h.

 Với nồi hơi tàu chiến, qv = 3.106 kCal/m 3 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.

Trong đó: γ – Tỷ trọng của nước ở nhiệt độ bão hòa (kg/m 3 ).

V n – Dung tích nước tại mặt tách hơi (m 3 ).

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 ηN 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

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 2.13 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

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, 212o C (nồi hơi thông số thấp); 12’3’4’ là quá trình sinh hơi

của một nồi hơi có thông số 180kG/cm2, 356o C (nồi hơi thông số cao)