Bẫy hơi

Bẫy hơi (tiếng Anh: steam trap) còn được biết đến với các tên gọi như cốc ngưng tụ, bộ xả ngưng hay van cóc. Đây là thiết bị dùng để xả nước ngưng và khí không ngưng tụ, đồng thời hạn chế tối đa sự thất thoát hơi. Bẫy hơi thực chất là một loại van tự động, có khả năng mở, đóng hoặc điều chỉnh một cách tự động.

Bẫy hơi đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống năng lượng hơi. Nó không chỉ loại bỏ nước ngưng và các khí không ngưng tụ (như cacbon dioxide, nitơ, oxy…) mà còn giảm thiểu sự thất thoát hơi, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành. Thiếu bẫy hơi sẽ làm giảm lưu lượng của đường ống hơi và giảm hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị. Nước ngưng tích tụ có thể gây ra hiện tượng nước va (thủy kích), làm hỏng đường ống, thiết bị và nguy hiểm cho người vận hành. Các khí không ngưng tụ như oxy, cacbon dioxide nếu không được loại bỏ sẽ dẫn đến hiện tượng ăn mòn.

Nguyên lý hoạt động

Bẫy hơi hoạt động dựa trên sự khác biệt giữa hơi (steam) và nước ngưng (condensate). Nước ngưng sẽ tập trung ở vị trí thấp nhất vì hơi nước có thể tích lớn gấp khoảng 1600 lần so với dạng lỏng của nó ở cùng nhiệt độ và áp suất. Tính chất của hơi cũng thay đổi theo áp suất; ở các áp suất khác nhau, điểm sôi của hơi cũng khác nhau. Có ba loại bẫy hơi chính: bẫy hơi cơ học (dựa vào sự chênh lệch khối lượng riêng của hơi và nước ngưng), bẫy hơi nhiệt tĩnh (dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ), và bẫy hơi nhiệt động (dựa vào sự chênh lệch động năng). Các loại bẫy hơi này tận dụng những đặc tính khác nhau của hơi nước và các quy luật vật lý để loại bỏ nước ngưng và khí không ngưng (non-condensable gases), đồng thời giữ hơi trong hệ thống, tránh thất thoát. Tất cả các hệ thống phân phối hơi hoặc khí và thiết bị trao đổi nhiệt cần sử dụng bẫy hơi.

Bẫy hơi cơ học

Bẫy hơi cơ (mechanical steam trap) loại bỏ nước ngưng dựa trên sự khác biệt khối lượng riêng giữa hơi và nước ngưng. Nước ở dạng lỏng (nước ngưng) có khối lượng riêng nặng hơn so với dạng khí (hơi nước). Vì vậy, nước ngưng sẽ di chuyển xuống phần thấp nhất của hệ thống thiết bị có lắp đặt bẫy hơi. Cấu tạo cơ bản của bẫy hơi cơ học bao gồm một phao nổi gắn với một van đóng–mở. Khi nước ngưng tích tụ đủ nhiều, nó làm dâng mực chất lỏng trong bẫy hơi, khiến phao nổi lên và mở van, thải nước ngưng ra ngoài. Khi nước ngưng đã được loại bỏ phần lớn, mực chất lỏng giảm xuống và van đóng lại. Bẫy hơi cơ học 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 nhẹ đủ để nổi trên nước. Khi mực nước ngưng trong bẫy hơi dâng cao, bi phao sẽ nâng lên và mở van. Bi phao có thể điều chỉnh đóng–mở bằng cách che trực tiếp lên lỗ thoát nước ngưng hoặc thông qua cơ cấu đòn bẩy để kéo van. Để chọn bẫy hơi bi phao đúng kích thước, cần biết thông số của hệ thống như áp suất tối đa của hơi và lưu lượng nước ngưng. Nếu bẫy hơi không được chọn đúng kích cỡ, sự chênh lệch áp suất có thể khiến bi phao không nổi và không xả được nước ngưng. Bẫy hơi bi phao thường ở trạng thái đóng khi không có áp lực (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 kim loại đặt ngược để điều khiển van qua cơ cấu đòn bẩy. Khi chỉ có hơi và khí không ngưng trong bẫy hơi, cốc sẽ nổi lên và van sẽ đóng lại, ngăn không cho hơi và khí thoát ra ngoài. Khi nước ngưng vào bẫy hơi, cốc chìm xuống, kéo van ra khỏi vị trí đóng và cho phép xả nước ngưng. Bẫy hơi thùng ngược có thể được kích hoạt khi hệ thống hơi khởi động bằng cách đóng van thoát đầu ra và chờ cho đến khi cốc nổi lên.

Cốc ngược có một lỗ thông hơi ở phần trên giúp khí không ngưng thoát ra ngoài và hòa vào nước ngưng. Khi nước ngưng được xả ra, khí sẽ thoát theo cùng. Nếu không có lỗ thông hơi, khí không ngưng sẽ tích tụ trong cốc, làm cốc tiếp tục nổi lên và đóng van, gây ra hiện tượng bịt khí (airbind). Điều này có thể làm nước ngưng không thoát ra được và dẫn đến hiện tượng nước va gây nguy hiểm. Bẫy hơi thùng ngược không thích hợp sử dụng trong môi trường lạnh (dưới nhiệt độ đóng băng của nước) và khả năng chứa khí không ngưng của nó cũng không hiệu quả bằng các loại bẫy hơi khác.

Bẫy hơi nhiệt tĩnh

Bẫy hơi nhiệt tĩnh (thermostatic steam trap) hoạt động dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và nước lỏng để loại bỏ nước ngưng. Thuật ngữ 'nhiệt tĩnh' thể hiện sự cân bằng nhiệt độ. Hơi nước chứa nhiệt năng lớn có thể được sử dụng để điều chỉnh hoạt động của bẫy hơi. Bẫy hơi nhiệt tĩnh rất hiệu quả trong việc loại bỏ không khí và khí không ngưng, đặc biệt khi khởi động hệ thống. Các loại bẫy hơi nhiệt tĩnh phổ biến bao gồm: lưỡng kim, ống xếp, nhiệt tĩnh–bi phao, và nhiệt giãn nở.

Bẫy hơi lưỡng kim

Bẫy hơi lưỡng kim (bimetallic steam trap) có cấu tạo một thanh lưỡng kim thay đổi hình dạng và kích thước khi nhiệt độ thay đổi. Nước ngưng vào bẫy khi van xả mở; khi hơi vào làm tăng nhiệt độ, thanh lưỡng kim thay đổi hình dạng và đóng van xả để ngăn thất thoát hơi. Bẫy hơi lưỡng kim hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ, cần điều chỉnh theo dải áp suất hoạt động phù hợp (dựa trên đồ thị áp suất–nhiệt độ hơi nước bão hòa). Để ngăn thất thoát hơi hoặc nước ngưng tích tụ, nhà sản xuất sử dụng nhiều loại van và thanh lưỡng kim với hình dạng và kích thước khác nhau. Những thiết kế này giúp bẫy hơi hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện hệ thống khác nhau. Bẫy hơi lưỡng kim thường đóng.

Bẫy hơi ống xếp

Bẫy hơi ống xếp (bellows) và bẫy hơi dạng màng (diaphragm) thường được sử dụng trong hệ thống gia nhiệt với áp suất thấp. Bộ phận ống xếp có nhiều nếp gấp chứa chất lỏng bên trong (như cồn, nước hoặc hỗn hợp của chúng). Khi hơi vào bẫy, nhiệt độ tăng khiến chất lỏng trong ống xếp giãn nở, làm cho áp suất bên trong và bên ngoài ống xếp cân bằng. Bẫy hơi ống xếp có thể hoạt động ở nhiều mức áp suất khác nhau vì hơi bên ngoài và bên trong ống xếp đều có sự hiện diện của hơi nước.

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

Bẫy hơi nhiệt tĩnh–bi phao

Bẫy hơi nhiệt tĩnh–bi phao (float and thermostatic trap hay F&T trap) có cấu tạo tương tự bẫy hơi bi phao, với một bi phao kết nối với cơ cấu đòn bẩy. Khi bi phao nổi lên do nước ngưng tích tụ, nó mở van; ngược lại, khi bi phao hạ xuống, van đóng lại. Bộ phận nhiệt tĩnh có thể là loại ống xếp, màng, hoặc lưỡng kim. Bộ phận này hoạt động dựa vào lượng hơi và khí không ngưng trong bẫy hơi, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bên trong: van đóng khi có hơi và mở khi có khí không ngưng. Bộ phận nhiệt tĩnh thường có thiết kế dễ tháo gỡ để bảo trì. Bẫy hơi nhiệt tĩnh–bi phao là loại thiết bị thường đóng và không phù hợp với hệ thống sử dụng hơi quá nhiệt.

Bẫy hơi giãn nở nhiệt

Bẫy hơi giãn nở nhiệt (thermal expansion steam trap) hoạt động hiệu quả trong một dải nhiệt độ cụ thể mà không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi áp suất. Phần cảm nhiệt của bẫy hơi có thể là parafin, nhựa hoặc chất lỏng đặc biệt. Khi nhiệt độ thay đổi, bộ phận cảm nhiệt có tỷ lệ giãn nở cao. Khi nước ngưng vào bẫy hơi, van xả sẽ mở hoàn toàn. Khi nhiệt độ đạt mức bão hòa, bộ phận cảm nhiệt giãn nở nhiều hơn để đóng van và ngăn ngừa sự mất mát hơi. Bẫy hơi cần được lựa chọn phù hợp với dải nhiệt độ cụ thể, tương ứng với nhiệt độ bão hòa và áp suất. Loại bẫy hơi này thường mở và được gọi là bẫy hơi nhiệt tĩnh–bi phao (fail open).

Bẫy hơi nhiệt động

Bẫy hơi nhiệt động (thermodynamic steam trap) hoạt động dựa trên sự khác biệt về vận tốc, lưu lượng và áp suất giữa 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 có tiết diện thu hẹp, áp suất giảm và vận tốc tăng lên. Loại bẫy hơi này sử dụng một lỗ tiết lưu hoặc ống venturi. Đường kính đầu ra của bẫy hơi tiết lưu thường nhỏ hơn so với các loại bẫy hơi khác với cơ chế đóng–mở van. Khi hơi đi qua tiết lưu, vận tốc khối lượng thấp hơn so với nước ngưng, dẫn đến sự thất thoát hơi ít hơn trong quá trình khởi động hệ thống.

Bẫy hơi xung lực

Bẫy hơi xung lực piston (piston impulse steam trap) là loại bẫy hơi nhiệt động đầu tiên được ứng dụng. Loại bẫy này sử dụng dĩa van có bề mặt rộng tiếp xúc với nước ngưng lạnh. Khi nước ngưng nóng lên và đạt đến nhiệt độ bốc hơi, một phần nước ngưng sẽ dâng lên dĩa van piston và chuyển thành hơi chớp (flash steam). Hơi chớp là nước ngưng khi giảm áp suất đến mức bão hòa, do còn nhiều nhiệt, lập tức chuyển thành hơi. Hơi chớp trên dĩa van piston sẽ nén và đóng van. Áp lực từ hơi chớp sẽ ngăn hơi vào bẫy hơi. Van trong bẫy sẽ tiếp tục đóng cho đến khi hơi ngưng tụ. Khi nhiệt độ giảm, hơi trên dĩa van ngưng tụ, áp suất hơi giảm và van mở để xả nước ngưng. Không khí hoặc khí không ngưng qua lỗ thông hơi trên piston. Bẫy hơi piston có thể là loại thường đóng hoặc thường mở. Bẫy hơi xung lực không hoạt động hiệu quả nếu áp suất ngược (back pressure) vượt quá 50% áp suất đầu vào.

Bẫy hơi đồng tiền

Bẫy hơi đồng tiền (disk steam trap) chỉ có một bộ phận di động, đó là dĩa van (hay gọi là 'đồng tiền'). Tương tự như bẫy hơi piston, phía trên dĩa van có một buồng nhỏ chứa hơi và nước ngưng hóa hơi. Áp suất hơi trong buồng nhỏ sẽ đè xuống dĩa van và đóng van lại. Khi hơi trong buồng nhỏ giảm nhiệt và ngưng tụ, áp suất trên dĩa van giảm, van mở để xả nước ngưng ra ngoài. Bẫy hơi đồng tiền thường mở và không phù hợp cho áp suất dưới 10 psi (khoảng 69 kPa), cũng như không hiệu quả nếu áp suất ngược lớn hơn 50% so với áp suất đầu vào.

Đánh giá hiệu quả hoạt động

Bẫy hơi là thiết bị thiết yếu trong các hệ thống và thiết bị sử dụng hơi nước. Để đảm bảo bẫy hơi hoạt động hiệu quả, cần thực hiện kiểm tra định kỳ nhằm xác định tình trạng hoạt động của nó, xem bẫy hơi có hoạt động đúng cách không, và nếu có vấn đề, bẫy hơi đang ở trạng thái đóng hay mở. Có bốn cách để đánh giá hiệu quả hoạt động của bẫy hơi: quan sát bên ngoài, nghe âm thanh, đo nhiệt độ và kiểm tra độ dẫn điện.

Phương pháp quan sát bên ngoài

Phương pháp quan sát bên ngoài chủ yếu dựa vào việc kiểm tra chất lượng lưu chất thoát ra từ bẫy hơi. Phương pháp này áp dụng cho các đường ống có van thử bằng tay lắp sau bẫy hơi hoặc hệ thống không thu hồi nước ngưng. Người vận hành cần phân biệt giữa hơi chớp (flash steam), cho thấy bẫy hơi hoạt động bình thường, và hơi hoạt động (live steam), cho thấy bẫy hơi đang gặp sự cố và bị rò rỉ hơi. Hơi chớp được hình thành khi một phần nước ngưng chuyển thành hơi nhanh chóng sau khi bị giảm áp suất.

Phương pháp nghe âm thanh

Khi bẫy hơi hoạt động, sự di chuyển của hơi và nước ngưng tạo ra âm thanh có thể nghe thấy và âm thanh siêu âm. Việc kiểm tra âm thanh có thể thực hiện bằng các dụng cụ cơ khí đơn giản hoặc thiết bị chuyên dụng phức tạp hơn. Sử dụng thiết bị chuyên dụng giúp đánh giá chính xác hơn hiệu quả hoạt động của bẫy hơi.

Phương pháp nhiệt độ

Phương pháp này có độ chính xác thấp nhất vì hơi bão hòa và nước ngưng có thể có cùng một nhiệt độ, làm cho việc phân biệt hai dạng lưu chất này chỉ bằng nhiệt độ trở nên khó khăn. Tuy nhiên, nó vẫn có giá trị trong một số tình huống. Ví dụ, nếu nhiệt độ ở đầu ra của bẫy hơi thấp hơn nhiệt độ đầu vào, điều này cho thấy nước ngưng được thải ra và bẫy hơi đang hoạt động bình thường. Ngược lại, nếu nhiệt độ ở cả hai đầu vào và đầu ra giống nhau, điều đó có nghĩa là hơi bị rò rỉ qua bẫy hơi và bẫy hơi đang gặp vấn đề.

Phương pháp đo độ dẫn điện

Phương pháp này dựa vào sự khác biệt về độ dẫn điện giữa hơi và nước ngưng. Đầu đo độ dẫn điện được lắp trực tiếp trong bẫy hơi hoặc trước đầu vào của bẫy hơi. Trong điều kiện hoạt động bình thường, đầu đo sẽ ngâm trong nước ngưng. Nếu bẫy hơi gặp sự cố, hơi sẽ tràn qua bẫy hơi và đầu đo sẽ ghi nhận độ dẫn điện của hơi thay vì của nước ngưng, từ đó xác định được tình trạng của bẫy hơi. Kết quả từ việc đo nhiệt độ có thể được kết hợp với đo độ dẫn điện để có đánh giá chính xác hơn.

Liên kết bên ngoài

• SÁCH HƯỚNG DẪN BẪY HƠI - 'Cẩm nang hướng dẫn bẫy hơi' của V. Blazquez (Kỹ sư hàng không).
• Sách hướng dẫn bẫy hơi - Công ty Emerson Electric.
• Thông tin cơ bản về hơi nước Lưu trữ 2020-07-04 tại Wayback Machine - Công ty Armstrong International, Inc.
• Thông tin về các loại bẫy hơi - Chương trình quản lý năng lượng liên bang của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.