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
2


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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

3


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....................................................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
4


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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
5


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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
6


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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. Tựđộng điều khiển hâm nhiên liệu............................................................120
5.3.3. Tựđộng giám sát vàcấp 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, xảđáy nồi hơi....................................................................................128
5.5.2. Thiết bịthổi 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
7


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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
8


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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

9


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

Chương 1.
1.1.

Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước

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.

10


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

1.1.2. Đồ thị pha của nước

Hình 1.1. Các trạng thái của hơi nước trên đồ thị p-v và T-s.
11


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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
12


NỒI HƠI TÀU THỦY












TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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.

13

NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

 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.
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.

14


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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:
15


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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.

16


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.

17


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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:

18


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

(1-7)

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.

19


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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.

20


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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.
21


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

 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.

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%.
22


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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).

23


NỒI HƠI TÀU THỦY

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

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.
24


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
25