TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 250
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BẪY HƠI STEAM TRAP
STUDY OF STEAM TRAP DEVICES
Nguyễn Sỹ Thoan1,*, Nghiêm Viết Hưởng2, Đinh Gia Từ3,
Nguyễn Văn Đức3, Trần Hùng Vượng3, Nguyễn Văn Tài4
1Lớp Cơ ĐT 02 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Cơ khí 05 - K17, ĐT 02 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp Cơ khí 06 - K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: nguyensythoan@gmail.com
TÓM TẮT
Steam Trap là thiết bị quan trọng trong cung cấp hơi nước trong ngành công nghiệp. Chức năng chính là loại bỏ
condensate, đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Đề tài thực hiện tính toán và mô phỏng Steap Trap cho nhà máy
Samsung Electronics Viet Nam.
Từ khóa:. Steam Trap.
ABSTRACT
Steam Trap is an important equipment in steam supply in industry. The main function is to remove condensate, ensuring
performance and saving energy. The project performed calculations and simulations of Steap Trap for Samsung Electronics
Vietnam factory.
Keywords: Steam Trap.
1. GIỚI THIỆU
Steam Trap góp phần giảm thiểu thất thoát nhiệt do
condensate, giữ cho hệ thống không bị mất nhiệt, tránh lãng
phí năng lượng. Khi hệ thống hoạt động hiệu quả, nhu cầu
sử dụng năng lượng sẽ giảm đi đáng kể, từ đó tiết kiệm chi
phí nhiên liệu cho nhà máy.
Condensate có thể chứa các hạt rắn nhỏ, khi di chuyển
trong hệ thống với tốc độ cao có thể gây mài mòn đường
ống và thiết bị. Bẫy hơi giúp loại bỏ nước ngưng và các hạt
rắn ra khỏi hệ thống, giảm thiểu sự mài mòn và kéo dài tuổi
thọ thiết bị.
Bẫy hơi giúp loại bỏ condensate và các tạp chất ra khỏi
hệ thống, đảm bảo hơi nước di chuyển thông suốt. Điều
này giúp hiệu suất làm việc của thiết bị và quy trình được
đảm bảo.
Trong bài báo này, các tác giả trình bày về phương pháp
tính toán, lựa chọn Steam Trap cho nhà máy Samsung
Samsung Electronics Vietnam. Đồng thời mô phỏng thiết
bị đã tính toán.
2. TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN MÔ HÌNH STEAM TRAP
Thông số đầu vào
Nhà máy Samsung Electronics Viet Nam đưa ra yêu cầu:
- Áp suất danh định 4bar
- Nước tuần hoàn tốc độ 1l/s (1kg/s)
- Nhiệt độ 10°C đến 80°C
- Tải thiết kế là 293kW
- Tải nhiệt tối thiểu 60% tải nhiệt đầy đủ
- Họat động liên tục không tăng tải trong tương lai
Chú ý: Đường ống của bộ trao đổi nhiệt sẽ nâng cao
5 mét đến ống nước ngưng tụ và có tổng áp suất ngược
là 0,5bar. (Cột nước dài 1 mét dưới áp suất khí quyển sẽ
tạo ra áp suất ở đáy cột khoảng 10kPa hoặc 0,1bar. Do
đó, bất kỳ lực nâng nào trong đường xả nước ngưng sẽ
tạo ra lực nâng tĩnh do cột nước ngưng được giữ trong
đường ống).
Xác định bài toán
Để lựa chọn hệ thống, ta cần xác định:
- Tình trạng ngừng hoạt động có xảy ra trong quá trình
vận hành bình thường không?
- Ở mức tải nào sẽ xảy ra hiện tượng ngừng hoạt động?
Tính toán công suất
Từ phương trình (1), kiểm tra tải nhiệt ở điều kiện thiết
kế.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 251p
Q m C T
(1)
1*4,19*(80 10)
Q
293 293000
Q kW W
Để xác định công suất phù hợp nhất với điều kiện thiết
kế, ta cần tìm công suất tối thiểu thỏa mãn toàn tải hoạt
động.
Trong đó, áp suất hơi định mức cho bộ trao đổi nhiệt có
áp suất không gian hơi là 4 barg (TS = 152°C):
2 1
2
2
ln S
S
T T
T
T T
T T
(2)
Trong đó:
= 10℃
= 80℃
= 152℃
152 10
ln
152 80
T
70
142
ln
72
T
70
ln 1,972
T
70
103
0,679
T C
Q
A
U T
(3)
Trong đó:
A = Diện tích gia nhiệt (m2)
Q
Công suất truyền nhiệt (kW)
U = Hệ số truyền nhiệt 2
(W/ )
m C
Sử dụng công thức (3), diện tích gia nhiệt tối thiểu cho
công suất 293kW:
2
293000
1138( )
2500*103
A m
Vậy diện tích gia nhiệt là
2
1138( )
m
Từ phạm vi tiêu chuẩn của bộ trao đổi nhiệt, ta có thể
lựa chọn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đáp ứng thông số kỹ
thuật với diện tích gia nhiệt là 1,198m2. Mức này vượt quá
giới hạn (khoảng 5%) và do đó áp suất hơi sẽ nhỏ hơn 4bar
ở điều kiện vận hành tối đa.
Trong thực tế, các bộ trao đổi nhiệt có thể được chỉ định
vượt quá công suất ít nhất 10%. Vì lý do này mà áp suất hơi
vận hành (không phải áp suất làm việc bình thường được
nhắc đến) phải luôn được thiết lập trước khi lựa chọn thiết
bị bẫy hơi.
Tiếp theo, ta tìm áp suất định mức cho bộ trao đổi nhiệt
có diện tích 1198m2:
Q
T
UA
(4)
293000
2500*1198
T
97,8
T C
Sử dụng công thức (2) với :
97,8
T C
1
10
T C
2
80
T C
T = Nhiệt độ hơi nước
C
80 10
97,8
10
ln
80
S
S
T
T
10
70
ln
80 97,8
S
S
T
T
10
ln 0,715
80
S
S
T
T
0,715
10
80
S
S
T
T
e
10
2, 045
80
S
S
T
T
10 2, 045( 80)
S S
T T
Nhiệt độ hơi
( ) 147
S
T C
Nhiệt độ hơi nước này tương đương với áp suất hơi
3,4bar ở điều kiện thiết kế. Vì áp suất này lớn hơn áp suất
ngược 0,5bar không đổi nên hệ thống sẽ không dừng ở mức
vận hành tối đa.
Lưu lượng hơi sẽ phụ thuộc vào áp suất không gian hơi
là 3,4 bar khi vận hành tối đa, với Entanpy bay hơi là 2122
kJ/kg. Từ phương trình 5:
*3600
( ) TaiVao
m s hfg
(5)
293*3600
( ) /
2122
m s kg h
Lưu lượng hơi nước
( ) 498 /
m s kg h
(ở mức vận
hành tối đa)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 252Mức vận hành mà tại đó hệ thống sẽ ngừng hoạt
động.
Để tìm được điểm ngừng hoạt động, ta cần tính toán
hằng số nhiệt độ thiết kế T(DC) cho bộ trao đổi nhiệt này
từ các điều kiện thiết kế.
1
2
( ) S
S
T T
T DC
T T
(6)
Trong đó:
= 10℃
= 80℃
= 147℃
147 10
( )
147 80
T DC
137
( ) 2,045
67
T DC
Khi ngừng hoạt động, áp suất trong không gian hơi sẽ
bằng áp suất ngược 0,5bar. Nhiệt độ bão hòa của hơi nước
ở áp suất 0,5 bar g là 111,6°C.
Từ phương trình (7) có thể tìm được nhiệt độ đầu vào:
1 2
[T(DC)*(T -T )]
S S
T T (7)
Trong đó:
T1 = Nhiệt độ đầu vào
T2 = 80
C
Ts = 111,6
C
T(DC) = 2,045
1
111, 6 [2, 045*(111, 6 80)]
T
1
47
T C
Từ phương trình lưu lượng truyền nhiệt (công thức 8):
P
Q m C T
(8)
1*4,19*(80 47)
Q
Tốc độ truyền nhiệt
138 138000
Q kW W
Với mức vận hành tối đa 293kW
% tải bị tiêu hao 138
100% 48%
293
Việc lựa chọn thiết bị bẫy sẽ phụ thuộc vào tải nhiệt tối
thiểu cao hơn hay thấp hơn tải tròng trành. Tải tối thiểu
được trích dẫn là 60% của toàn tải 293 kW, do đó:
Tải tối thiểu = 0,6 x 293kW = 176kW.
Tải tròng trành = 138kW.
Ta tính toán lưu lượng hơi và áp suất không gian hơi
tương ứng với mức hoạt động tối đa và tối thiểu.
Đầu tiên cần tính toán nhiệt độ đầu vào thứ cấp ở mức
hoạt động tối thiểu. Ta có thể tính toán bằng cách sử dụng
phương trình (9):
2 1 1
( )(1 )
X
T T T X T
(9)
Trong đó:
= Nhiệt độ đầu vào thứ cấp khi hoạt động ở bất mức
'X' nào (°C)
= Nhiệt độ đầu vào thứ cấp ở mức hoạt động tối
đa(°C)
= Nhiệt độ đầu ra thứ cấp ở mức hoạt động tối đa
(°C)
X = Hệ số mức hoạt động
Mức hoạt động tối thiểu 60% tương đương với hệ số
mức hoạt động là 0,6
( 0 , 6 ) 2 1 1
( )(1 )
T T T X T
( 0 ,6 )
(8 0 1 0 )(1 0, 6 ) 10
T
(0,6)
70*0,4 10
T
(0,6)
38
T C
Điều kiện mức hoạt động tối thiểu. Từ phương trình
(10):
2 1
( * ( ))
( ) 1
S
T T DC T
TT DC
(10)
Trong đó:
T(DC) = 2,045
= 38℃
= 80℃
S
T
nhiệt độ hơi nước
C
(80 * 2, 045) 38 125, 6
120
2, 045 1 1, 045
S
T
Nhiệt độ hơi S
T
120
C
của mức hoạt động tối thiểu
Đây là nhiệt độ hơi ở mức tải tối thiểu là 176kW và
tương đương với áp suất hơi là 1,0bar. Áp suất ngưng tụ là
0,5bar. Do đó, chênh lệch áp suất giữa bẫy hơi ở tải tối thiểu
bằng 1,0bar - 0,5 bar = 0,5bar.
Vậy lưu lượng hơi (ṁ (phút)) ở mức tải nhiệt tối thiểu
là 176 kW là bao nhiêu?
Tốc độ hơi tối thiểu sẽ phụ thuộc vào áp suất không gian
hơi, là 1,0bar với Entanpy bay hơi là 2201,1kJ/kg. Từ
phương trình (5), ta tính được:
= 176 × 3 600
2 201.1 /ℎ
Lưu lượng hơi
S
m
= 288 kg/h ở mức hoạt động tối
thiểu của 176kW.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 253Xác định kích thước bẫy
Tiếp theo, ta cần phải xác định kích thước bẫy hơi để
vận hành với chênh lệch áp suất tối đa của hệ thống là 3,5bar
và vượt qua:
Mức đầy đủ là 498kg/h với chênh lệch áp suất 3,4bar -
0,5bar = 2,9bar.
Mức thiểu 288kg/h với chênh lệch áp suất 1,0bar -
0,5bar = 0,5bar.
Có thể thấy từ biểu đồ kích thước bẫy hơi rằng TDK –
45 sẽ đáp ứng cả hai điều kiện này và có thể được chọn.
Hình 1. biểu đồ kích thước bẫy
3. MÔ PHỎNG
Đầu tiên, ta dựng mô hình của bẫy hơi trong phần mềm:
Hình 2. Mô hình trên phần mềm Ansys
Thực hiện chia lưới mô hình với 481393 nút và 243624
phần tử:
Hình 3. Chia lưới mô hình
Mô phỏng mô hình với đường lưới đã chia:
Hình 4. Kết quả mô phỏng
4. KẾT LUẬN
Bằng phương pháp tính toán và mô phỏng, ta có thể lựa
chọn Steam Trap phù hợp với yêu cầu của nhà máy đưa ra.
Từ đó mở rộng nghiên cứu sâu hơn về Steam Trap giúp đảm
bảo hiệu suất nhiệt cho hệ thống của nhà máy đồng thời đảm
bảo tuổi thọ của hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ryan Lee, 2019. ABAQUS for Engineers: A Practical Tutorial Book.
[2]. Tadeusz Stolarski, Y. Nakasone, S. Yoshimoto, Engineering Analysis with ANSYS Software
[3]. McCaulay, James, The steam trap handbook.
[4]. Gordon Stewart, Modern Steam Traps (English and American): Their Construction and Working.