Giải thích nguyên lý hoạt động của nồi hơi trên tàu thủy
Nồi hơi tàu thủy là gì?
Nồi hơi tàu thủy (Marine Boiler) là hệ thống quan trọng, nồi hơi tạo ra hơi nước và đã được sử dụng từ thời tàu hơi nước cho đến nay. Chúng tận dụng nhiệt lượng sinh ra từ động cơ và máy móc trên tàu để tạo ra hơi nước bằng cách đun sôi nước ở nhiệt độ và áp suất rất cao, và hơi nước này được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau trên tàu cần hệ thống sưởi ấm.
Đối với các tàu chở dầu mang nhiều loại nhiên liệu nặng và nhiên liệu đốt khác nhau, hệ thống gia nhiệt phức tạp cung cấp nhiệt lượng ổn định cho hàng hóa để chúng duy trì độ nhớt thấp cần thiết cho quá trình vận chuyển và phân phối.
Ở những vùng khí hậu lạnh hơn, lượng hơi nước này cũng được sử dụng cho các khu vực như hầm chứa nước biển và các hệ thống làm mát bằng nước biển liên quan, đường ống làm mát và sưởi ấm, hệ thống dằn tàu, bể chứa nước ngọt, v.v., bị đóng băng do nhiệt độ rất thấp.
Ở những vùng khí hậu lạnh hơn, lượng hơi nước này cũng được sử dụng cho các khu vực như hầm chứa nước biển và các hệ thống làm mát bằng nước biển liên quan, đường ống làm mát và sưởi ấm, hệ thống dằn tàu, bể chứa nước ngọt, v.v., bị đóng băng do nhiệt độ rất thấp.
Hơn nữa, hơi nước này được sử dụng cho nhiều mục đích khác, chẳng hạn như vận hành một số máy bơm, tuabin, động cơ, thiết bị và các máy móc khác phụ thuộc vào hơi nước. Ngoài ra, hơi nước cũng được sử dụng cho nhiều mục đích tiêu thụ trên tàu, như nhà bếp, hệ thống điều hòa không khí và sưởi ấm, hệ thống phun nước nóng, v.v.
Trong thời đại tàu hơi nước, hơi nước từ nồi hơi về cơ bản được dẫn đến, cùng với các tiện ích khác, cho các động cơ chính và phụ trợ được cung cấp năng lượng bằng nguồn hơi nước liên tục, và đây là một phương tiện bổ sung liên tục bên cạnh nguồn cung chính.
Nguyên lý hoạt động nồi hơi tàu thủy
Về mặt kỹ thuật, nồi hơi được sử dụng trên tàu thủy dựa trên nguyên lý hệ thống thu hồi nhiệt thải. Mặc dù thuật ngữ này có vẻ mới mẻ và tiên phong, nhưng khái niệm đơn giản này đã được sử dụng từ lâu, ngay từ thời kỳ tàu hơi nước, như đã đề cập ở trên. Nhiệt lượng thu được từ tất cả các máy móc liên quan được tận dụng để đun sôi nước, tạo ra hơi nước ở nhiệt độ rất cao, sau đó được tuần hoàn một cách thích hợp.
Làm thế nào để khai thác hoặc sử dụng nguồn nhiệt? Câu trả lời rất đơn giản: khí thải hoặc khí phụt ra từ động cơ và thiết bị. Tất cả các máy móc hạng nặng hoạt động bằng nguồn năng lượng, dù là diesel hay điện (trước đây là hơi nước), đều thải ra khí nóng cần được thải ra ngoài.
Do đó, những khí nóng này, với nhiệt độ rất cao, là nguồn nhiệt lý tưởng có thể được tận dụng thêm. Trên thực tế, máy móc chính và phụ trợ trên tàu là nguồn nhiệt chính, và do đó, nguyên lý hoạt động của nồi hơi hàng hải về cơ bản cũng được gọi là cơ chế thu hồi khí thải.
Cơ chế hoạt động có thể được hình dung một cách đơn giản nhất như việc nối đầu ra của bộ giảm âm khí thải ô tô với một bếp đốt thông qua một đường ống và đun sôi một bình nước. Nhờ vào chỉ số đầu vào của khí thải từ xe, bạn sẽ thấy nước bốc hơi thành hơi nước.
(Cảnh báo: Vui lòng không tự ý thực hiện tại nhà mà không có sự hướng dẫn, chỉ dẫn hoặc độ chính xác theo quy định, vì điều này có thể gây ra nguy cơ ngộ độc khí carbon monoxide, cháy nổ, hỏa hoạn và các hậu quả nghiêm trọng khác).
Nguyên lý tương tự cũng được áp dụng trong các tàu, mặc dù theo cách phức tạp hơn nhiều. Nhiệt độ của khí thải từ tàu vào khoảng 350 đến 400 độ C.
Hàm lượng nhiệt, một thông số nhiệt động học, được trích xuất từ khí thu hồi từ đường ống xả hoặc đường ống phát thải phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Lưu lượng khí
- Mật độ của khí
- Nhiệt dung riêng (tính chất vật lý vốn có của khí)
- Chênh lệch nhiệt độ tại cửa ra
Các khí này sau đó được dẫn qua một bó ống và đường dẫn, rồi được lưu thông trong khu vực có lượng nước cần bay hơi. Trong quá trình lưu thông, khí mất nhiệt và nhiệt độ giảm đáng kể khi tiếp xúc với môi trường nước. Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình của phần khí còn lại vẫn cao hơn 100 độ, nhiệt độ sôi của nước.
Về mặt lý thuyết, sự trao đổi nhiệt xảy ra giữa các khí và môi trường nước làm việc trong bình chứa bằng cả ba loại truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Sự truyền nhiệt thông qua bề mặt tiếp xúc nóng của các ống và đường ống đảm nhiệm việc dẫn nhiệt, trong khi năng lượng cao của khí truyền một lượng nhiệt đáng kể dưới dạng bức xạ. Cuối cùng, nước là một môi trường chất lỏng lý tưởng. Nó cũng có khả năng truyền nhiệt nội bộ rất lớn một cách liên tục và đồng đều, nhờ vào sự đối lưu.
Nước sôi thành hơi nước, được dẫn đến các điểm tiêu thụ. Sau khi hơi nước được tiêu thụ, hơi nước đã nguội sẽ chuyển hóa trở lại thành dạng lỏng, được gọi là nước ngưng tụ. Nước ngưng tụ được sử dụng làm nguồn bổ sung cho chất lỏng làm việc của hệ thống nồi hơi, và một máy bơm cấp liệu thường được sử dụng để đổ đầy bể chứa của trống nồi hơi bằng nước tái chế.
Về cơ bản, nhiệt được lấy từ hai ống xả của hai nguồn chính: động cơ chính và động cơ phụ. Khi các động cơ tắt, các đầu đốt bổ sung được sử dụng để làm nóng nồi hơi giống như một bếp lò thông thường nếu có nhu cầu.
Cấu tạo nồi hơi tàu thủy
Nồi hơi thường có hình trụ hoặc hình vòm, kích thước và độ phức tạp phụ thuộc vào kích thước, loại, công suất và mục đích sử dụng của tàu. Tàu chở dầu cần cơ chế gia nhiệt hàng hóa liên tục, tàu hoạt động ở vùng khí hậu lạnh và tàu chở khách có nhu cầu tiêu thụ hơi nước cao là một số loại tàu quan trọng có thiết kế nồi hơi lớn và phức tạp, thường là nhiều nồi hơi.
Nhìn chung, nồi hơi có cấu trúc buồng kín chủ yếu bao gồm thân hoặc vỏ chính chứa nước, các ống và đường ống để trao đổi nhiệt, cửa nạp (nước) và cửa xả (hơi nước), máy bơm, van và nút chặn, đồng hồ đo, giá đỡ và phụ kiện. Trước đây, nồi hơi được làm bằng sắt.
Theo thời gian, vật liệu đã chuyển sang sử dụng các loại thép cao cấp đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ chắc chắn và khả năng chống ăn mòn. Thép cacbon, thép hợp kim chịu nhiệt, thép không gỉ ferrit cao cấp và một số loại thép cường độ cao được sử dụng trong xây dựng.
Tất cả các công trình lò hơi đều tuân thủ các quy chuẩn và quy định về xây dựng. Vì bất kỳ lỗi, vết nứt hoặc rò rỉ nào cũng có thể gây nguy hiểm trong môi trường áp suất cao như lò hơi, tiềm ẩn nguy cơ nổ, nên việc kiểm tra vật liệu là một phần rất quan trọng. Cả kiểm tra phá hủy và không phá hủy đều được thực hiện ở các giai đoạn khác nhau của quá trình tạo hình và xây dựng.
Phân loại nồi hơi tàu thủy
Về cơ bản, các tàu có hai loại nồi hơi chính dựa trên cấu hình:
- Lò hơi ống lửa
- Lò hơi ống nước
Trong nồi hơi ống lửa, còn được gọi là nồi hơi ống khói, khí nóng lưu thông bên trong một mạng lưới các ống và đường ống được bao quanh bởi nước đóng vai trò là chất lỏng làm việc. Chúng tạo ra áp suất trong khoảng 10-15 bar và cần lượng nước cung cấp lớn. Chúng có cấu tạo đơn giản hơn và chủ yếu được sử dụng khi có nhu cầu sử dụng hơi nước lớn.
Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là nước được đun nóng ở nhiệt độ rất cao tiếp xúc trực tiếp với lớp vỏ ngoài, điều này, nếu với lượng lớn, cũng tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ. Do đó, chúng đòi hỏi bảo trì cao. Hơn nữa, chúng hoạt động kém hiệu quả và tạo ra áp suất hơi nước thấp hơn.
Hơn nữa, cấu hình này an toàn hơn vì lượng nước nóng dư thừa không tiếp xúc trực tiếp với vỏ nồi hơi. Ngày nay, ngày càng nhiều nồi hơi sử dụng ống nước thay vì ống lửa. Tuy nhiên, nhu cầu hơi nước lớn hơn đòi hỏi cấu hình phức tạp hơn và hệ thống bơm mạnh mẽ hơn để cung cấp nước và tuần hoàn hơi nước nhanh chóng.
Chúng cũng có chi phí cao hơn và phức tạp hơn trong vận hành. Vì các máy bơm cấp nước cần hoạt động liên tục, cùng với hệ thống tuần hoàn, chúng cũng tiêu thụ điện năng cao hơn trên tàu. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động nồi hơi tàu thủy giúp tối ưu vận hành và tiết kiệm nhiên liệu trên tàu biển.
Bạn cũng có thể muốn đọc thêm- tại đây