Trang Chính
Giới thiệu chung về hơi nước
Hiện nay, hơi nước là một
trong
những công chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghi
ệp và dịch vụ. Ta có thể nhận thấy sự có mặt của hơi nước trong rất
nhi
ều 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 và tua bin hơi là hai thiết bị chính trong hệ động lực hơi nước. Nếu nồi hơi là thiết bị sinh hơi thì tua bin hơi là thiết bị tiêu thụ hơi để sinh công. Với hệ động lực hơi nước ở trên bờ, tua bin hơi được sử dụng để lai máy phát điện. Với hệ động lực hơi nước dưới tàu biển, tua bin hơi được sử dụng 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, còn tua bin hơi thường được sử dụng để lai các máy phụ khác như bơm, máy phát điện... Nói chung, nồi hơi và tua bin hơi là hai thiết bị 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
nguy
ên lý hoạt động của hai thiết bị này.
Định nghĩa nồi hơi
Một cách tổng quát, nồi hơi (boiler) là một thiết bị chịu áp lực 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 chức năng, nồi hơi có thể được xem như một thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hai loại môi chất là khí lò và nước cấp nồi. Nồi hơi là một thiết bị trao đổi nhiệt có biến đổi pha giống như bầu ngưng hơi nước nhưng quá trình biến đổi pha là từ pha lỏng chuyển sang pha hơi, ngược lại với bầu ngưng. Tuy nhiên, kết cấu của nồi hơi phức tạp hơn nhiều so với các thiết bị trao đổi nhiệt khác 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, đối với sinh viên hàng hải, 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.
Các yêu cầu đối với nồi hơi tàu thủy
Nồi hơi đốt dầu sử dụng dưới tàu thủy cần thỏa mãn những yêu cầu sau đây:
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 2545%; 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 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.
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 bộ 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.
Hiện nay, hơi nước là một
trong
những công chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghi
ệp và dịch vụ. Ta có thể nhận thấy sự có mặt của hơi nước trong rất
nhi
ều 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 và tua bin hơi là hai thiết bị chính trong hệ động lực hơi nước. Nếu nồi hơi là thiết bị sinh hơi thì tua bin hơi là thiết bị tiêu thụ hơi để sinh công. Với hệ động lực hơi nước ở trên bờ, tua bin hơi được sử dụng để lai máy phát điện. Với hệ động lực hơi nước dưới tàu biển, tua bin hơi được sử dụng 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, còn tua bin hơi thường được sử dụng để lai các máy phụ khác như bơm, máy phát điện... Nói chung, nồi hơi và tua bin hơi là hai thiết bị 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
nguy
ên lý hoạt động của hai thiết bị này.
Định nghĩa nồi hơi
Một cách tổng quát, nồi hơi (boiler) là một thiết bị chịu áp lực 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 chức năng, nồi hơi có thể được xem như một thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hai loại môi chất là khí lò và nước cấp nồi. Nồi hơi là một thiết bị trao đổi nhiệt có biến đổi pha giống như bầu ngưng hơi nước nhưng quá trình biến đổi pha là từ pha lỏng chuyển sang pha hơi, ngược lại với bầu ngưng. Tuy nhiên, kết cấu của nồi hơi phức tạp hơn nhiều so với các thiết bị trao đổi nhiệt khác 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, đối với sinh viên hàng hải, 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.
Các yêu cầu đối với nồi hơi tàu thủy
Nồi hơi đốt dầu sử dụng dưới tàu thủy cần thỏa mãn những yêu cầu sau đây:
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 2545%; 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 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.
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 bộ 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.
