Bẫy hơi

Bẫy hơi (tiếng Anh: steam trap) hay còn gọi là cốc ngưng tụ, bộ xả ngưng, hoặc van cóc là một thiết bị được sử dụng để xả nước ngưng và khí không ngưng tụ mà vẫn tránh thất thoát hoặc tiêu thụ tối thiểu hơi. Bẫy hơi thật ra là một loại van tự động vì có thể tự mở, đóng hoặc điều biến tự động.

Bẫy hơi là thiết bị quan trọng trong hệ thống năng lượng sử dụng hơi. Chức năng quan trọng của bẫy hơi bao gồm việc loại bỏ nước ngưng và các khí không ngưng tụ (như cacbon dioxide, nitơ, oxy…), đồng thời hạn chế sự thất thoát hơi giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành. Nếu không sử dụng bẫy hơi, nước ngưng và không khí sẽ làm giảm lưu lượng của đường ống hơi và giảm năng suất truyền nhiệt của thiết bị. Tính chất hơi cũng thay đổi theo áp suất; ở các điều kiện áp suất khác nhau, hơi sẽ có điểm sôi khác nhau. Bẫy hơi có thể được chia thành ba loại chính: bẫy hơi cơ học (dựa trên sự chênh lệch về khối lượng riêng của hơi và nước ngưng), bẫy hơi nhiệt tĩnh (dựa trên sự chênh lệch về nhiệt độ), và bẫy hơi nhiệt động (dựa trên sự chênh lệch về động năng). Những loại bẫy hơi này sử dụng các tính chất khác nhau của hơi nước và các định luật vật lý khác nhau để loại bỏ nước ngưng và những loại khí không ngưng (non-condensable gases), đồng thời giữ hơi trong hệ thống, không bị thất thoát hơi. Tất cả các đường phân phối hơi hoặc khí và các thiết bị trao đổi nhiệt đều phải sử dụng bẫy hơi.

Bẫy hơi cơ học
Bẫy hơi cơ (mechanical steam trap) loại bỏ nước ngưng dựa trên sự chênh lệch về khối lượng riêng của hơi và nước ngưng. Nước khi ở thể lỏng (nước ngưng) sẽ có khối lượng riêng nặng hơn khi ở thể khí (hơi nước). Do vậy, nước ngưng có xu hướng di chuyển xuống khu vực thấp nhất của hệ thống thiết bị có lắp đặt bẫy hơi. Bẫy hơi cơ học có cấu tạo cơ bản gồm một phao nổi được gắn trực tiếp với một van đóng–mở. Khi lượng nước ngưng đủ nhiều sẽ làm dâng mực chất lỏng trong bẫy hơi, làm phao nổi lên và mở van, giúp thải nước ngưng ra ngoài. Khi nước ngưng đã thoát ra phần lớn, mực chất lỏng hạ xuống và đóng van xả nước ngưng. Bẫy hơi cơ có hai loại chính: dạng bi phao và dạng thùng ngược.

Bẫy hơi bi phao

Bi phao (float hoặc ball float) là một quả cầu kim loại đủ nhẹ để nổi trên nước. Khi mực nước ngưng trong bẫy hơi dâng lên, bi phao sẽ nâng lên để mở van. Bi phao có thể đóng–mở bằng cách che trực tiếp trên lỗ thoát nước ngưng hoặc bằng cách kéo van thông qua cơ cấu đòn bẩy. Để chọn kích thước bẫy hơi bi phao phù hợp cần biết những thông số của hệ thống như áp suất tối đa của hơi và lưu lượng nước ngưng tạo ra. Nếu không chọn bẫy hơi có kích thước phù hợp với hệ thống, sự chênh lệch áp suất khi hơi đi qua bẫy hơi sẽ làm bi phao không nổi và không thể xả nước ngưng. Bẫy hơi dạng bi phao là loại thiết bị thường đóng (fail closed).

Bẫy hơi thùng ngược

Bẫy hơi thùng ngược (inverted bucket trap), hay còn gọi là "bẫy hơi cốc phao", sử dụng một cốc nhỏ kim loại úp ngược giúp đóng–mở van thông qua cơ cấu đòn bẩy. Khi chỉ có hơi và khí không ngưng có mặt trong bẫy hơi, thùng sẽ nổi lên, van ở vị trí đóng, không cho hơi và khí thoát ra ngoài. Khi nước ngưng đi vào bẫy hơi, thùng chìm xuống, kéo van đi xuống khỏi vị trí đóng, giúp xả nước ngưng ra ngoài. Bẫy hơi thùng ngược có thể được mồi kích hoạt khi hệ thống hơi bắt đầu khởi động bằng cách đóng van thoát đầu ra của bẫy hơi, chờ cho đến khi thùng nổi lên. Bẫy hơi thùng ngược bị hạn chế sử dụng trong môi trường có nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ đóng băng của nước). Khả năng chứa khí không ngưng của bẫy hơi loại này cũng không tốt bằng các loại bẫy hơi khác.

Bẫy hơi nhiệt tĩnh
Bẫy hơi nhiệt tĩnh (thermostatic steam trap) loại bỏ nước ngưng qua chênh lệch nhiệt độ của hơi so với pha lỏng. Thuật ngữ "nhiệt tĩnh" có ý nghĩa là sự cân bằng nhiệt. Hơi chứa nhiều nhiệt năng hơi nước ngưng, do vậy, năng lượng này có thể được dùng để điều khiển bẫy hơi hoạt động. Bẫy hơi nhiệt tĩnh rất hiệu quả trong việc loại bỏ không khí và các khí không ngưng, đặc biệt trong quá trình khởi động hệ thống. Bẫy hơi nhiệt tĩnh có bốn loại phổ biến: lưỡng kim, ống xếp, nhiệt tĩnh–bi phao, và nhiệt giãn nở.

Nếu mở bẫy hơi ống xếp khi vẫn còn nóng, ống xếp tiếp tục nở và có thể bị hỏng. Nếu bẫy hơi ống xếp tiếp xúc với hơi quá nhiệt (superheated steam), toàn bộ chất lỏng trong ống xếp sẽ hóa hơi hoàn toàn, áp suất bên trong ống xếp sẽ vô cùng lớn, dẫn đến hư hỏng. Bẫy hơi dạng ống xếp là loại thiết bị thường đóng. Bẫy hơi ống xếp và bẫy hơi màng chỉ sử dụng được cho áp suất tối đa là 300psi (khoảng 2.070kPa) và nhiệt độ dưới 220°C.

Bẫy hơi nhiệt động
Bẫy hơi nhiệt động (thermodynamic steam trap) hoạt động dựa trên sự chênh lệch về vận tốc, lưu lượng, và áp suất của hơi và nước ngưng.

Bẫy hơi tiết lưu
Bẫy hơi tiết lưu (orifice trap) hoạt động dựa trên nguyên lý Bernoulli: khi lưu chất (hơi hoặc khí) đi qua vùng tiết diện thu hẹp sẽ bị giảm áp suất và tăng vận tốc. Dạng bẫy hơi này dùng một lỗ tiết lưu hoặc ống venturi. Bẫy hơi tiết lưu có đường kính đầu ra nhỏ hơn so với các bẫy hơi loại đóng–mở van khác. Vận tốc khối lượng của hơi khi đi qua tiết lưu thấp hơn so với nước ngưng. Do vậy, sự thất thoát hơi trong quá trình khởi động hệ thống của bẫy hơi tiết lưu sẽ ít hơn so với các bẫy hơi khác. Bẫy hơi xung lực không hiệu quả nếu áp suất ngược (back pressure) lớn hơn 50% so với áp suất đầu vào bẫy hơi. Bẫy hơi đồng tiền không phù hợp cho áp suất dưới 10psi (khoảng 69kPa) và không hiệu quả nếu áp suất ngược lớn hơn 50% so với áp suất đầu vào bẫy hơi.

Phương pháp âm thanh
Khi bẫy hơi hoạt động, chuyển động lưu chất giữa hơi và nước ngưng sẽ gây ra âm thanh khả thính và siêu âm. Việc đánh giá bằng âm thanh có thể từ cách đơn giản là dùng dụng cụ cơ khí kiểm tra âm thanh cho đến phức tạp hơn với thiết bị chuyên dụng đặc biệt. Việc sử dụng những thiết bị chuyên dụng có thể giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của bẫy hơi chính xác.

Phương pháp độ dẫn điện
Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch về độ dẫn điện giữa hơi và nước ngưng. Đầu đo độ dẫn điện được gắn trực tiếp trong cấu kiện bẫy hơi hoặc được đặt trước đầu vào của bẫy hơi. Trong điều kiện hoạt động bình thường, đầu đo sẽ chìm trong nước ngưng. Nếu bẫy hơi có vấn đề, hơi sẽ tràn qua bẫy hơi, đầu đọc sẽ đo được độ dẫn điện của hơi, thay vì của nước ngưng. Từ đó, sẽ xác định được bẫy hơi đang có vấn đề hay không. Việc đo nhiệt độ có thể được dùng kèm với thiết bị đo độ dẫn điện để mang lại kết quả đánh giá chính xác hơn.

Tham khảo

Liên kết ngoài

STEAM MANUAL -"Cẩm nang hướng dẫn bẫy hơi"của V. Blazquez (Kỹ sư hàng không).
Hướng dẫn bẫy hơi - Công ty Emerson Electric.
Thông tin cơ bản về hơi nước - Công ty Armstrong International, Inc.
Các loại bẫy hơi - Chương trình quản lý năng lượng liên bang của Bộ năng lượng Hoa Kỳ.