ครั้งที่แล้วได้ยกคำถามคลาสสิกวัดความเข้าใจพื้นฐานวิชาเทอร์โมไดนามิกส์เรื่องเปิดประตูตู้เย็นทิ้งไว้ในห้อง
แล้วอุณหภูมิห้องจะเปลี่ยนแปลงหรือไม่
อย่างไร มาคราวนี้ขอยกคำถามคลาสสิกอีกคำถามหนึ่ง
ที่แต่ก่อนจะมีการกล่าวถึงกันเป็นประจำ
แต่พักหลัง ๆ ไม่ค่อยจะได้ยินแล้ว
ไม่รู้ว่ายังคงมีใช้ในการสอบสัมภาษณ์งานกันอยู่หรือเปล่า
คำถามนี้เป็นคำถามเกี่ยวกับวัฏจักรกังหันไอน้ำที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้า
คำถามดังกล่าวคือ
"ทำไมต้องควบแน่นไอน้ำความดันต่ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำให้กลายเป็นของเหลวก่อน
จากนั้นจึงค่อยต้มกลับให้กลายเป็นไอน้ำความดันสูงใหม่
ทำไมจึงไม่ทำการอัดไอน้ำความดันต่ำนั้นให้กลายเป็นไอน้ำความดันสูง
แล้วให้ความร้อนแก่ไอน้ำความดันสูงนั้นเลย"
ก่อนอื่นเรามาทบทวนแผนผังการทำงานของระบบกังหันไอน้ำที่ใช้วัฏจักรกำลังที่มีชื่อว่า
Rankine
cycle กันก่อนดีไหมครับ
(ดูรูปที่
๑ ประกอบ)
ในการทำงานนั้น
น้ำที่เป็นของเหลวถูกป้อนเข้าสู่หม้อน้ำความดันสูง
(boiler)
ด้วยปั๊มน้ำความดันสูง
น้ำจะเดือดกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว
(saturated
steam) ความดันสูงที่ตัวหม้อน้ำนี้
จากนั้นไอน้ำอิ่มตัวความดันสูงจะไหลต่อไปยังอุปกรณ์ที่เรียกว่า
superheater
(ปรกติไอน้ำก็จะไหลอยู่ในท่อ
และมีแก๊สร้อนไหลอยู่ด้านนอก)
ทำให้ไอน้ำอิ่มตัวกลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด
(superheated
steam) ที่มีความดันสูง
ไอน้ำร้อนยิ่งยวดที่มีความดันสูงจะไหลผ่านกังหันไอน้ำ
(steam
turbine) ได้งานออกมา
ส่วนตัวไอน้ำเองก็จะมีอุณหภูมิลดลงกลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิและความดันลดลง
หรืออาจกลายเป็นไออิ่มตัวที่มีความชื้นปนอยู่ในระดับหนึ่ง
(คือเป็นไอน้ำที่อุณหภูมิจุดเดือดอยู่ร่วมกับน้ำที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิจุดเดือด)
ไอน้ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำจะเข้าสู่เครื่องควบแน่น
(condenser)
ที่ทำการควบแน่นไอน้ำให้กลายเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิใกล้จุดเดือดและมีความดันต่ำ
จากนั้นจะใช้ปั๊มความดันสูงทำการสูบอัดน้ำที่ได้จากการควบแน่นนี้ส่งกลับไปยังหม้อน้ำใหม่
เพื่อเปลี่ยนให้เป็นไอน้ำอิ่มตัวความดันสูงอีกครั้ง
การทำงานจะวนรอบเช่นนี้ไปเรื่อย
ๆ
ประเด็นที่เป็นคำถามก็คือ
"ทำไมเราไม่ใช้คอมเพรสเซอร์ดูดไอน้ำความดันต่ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำ
และอัดให้กลายเป็นไอน้ำความดันสูง
แล้วส่งต่อไปยัง superheater
เลย"
(ตามแนวเส้นประในรูปที่
๑)
เพราะถ้ามองตามวิธีการที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันคือเราต้องมีการระบายความร้อนทิ้ง
(ที่เครื่องควบแน่น)
และใส่กลับคืนเข้าไปใหม่
(ที่หม้อน้ำ)
แถมความร้อนที่ต้องทิ้งไปที่เครื่องควบแน่น
ก็ไม่สามารถนำกลับมาใช้ที่หม้อน้ำได้ด้วย
ดังนั้นถ้าเราไม่ต้องทำการควบแน่นไอน้ำ
เราก็น่าจะประหยัดพลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนน้ำจากเฟสของเหลวให้กลายเป็นไอ
ซึ่งถ้ามองแบบนี้ก็น่าจะเป็นการประหยัดพลังงานมากกว่า
(แบบเดียวกับคอมเพรสเซอร์ของระบบทำความเย็น
ที่ดูดไอสารทำความเย็นความดันต่ำเข้ามาและอัดให้กลายเป็นไอสารทำความเย็นความดันสูง)
ในความเป็นจริงนั้นมุมมองในย่อหน้าข้างบนมันมีปัญหาหลายต่อหลายอย่างในทางปฏิบัติ
และมันมีบางอย่างที่ไม่ได้รับการกล่าวถึง
และมันเกี่ยวข้องกับปัญหาในทางปฏิบัติ
อย่างแรกก็คือ
พลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้ไอน้ำความดันต่ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำ
กลายเป็นไอน้ำอิ่มตัวความดันสูงนั้นมันประกอบด้วยพลังงานสองส่วนด้วยกัน
คือพลังงานที่ต้องใช้ในการ
"เพิ่มความดัน"
และพลังงานที่ต้องใช้ในการ
"เพิ่มความร้อน"
ของเหลวนั้นมันอัดตัวไม่ได้
เมื่อคิดเทียบต่อหน่วยน้ำหนักเท่ากัน
การทำให้ของเหลวความดันต่ำกลายเป็นของเหลวความดันสูงขึ้นนั้นจะใช้พลังงานน้อยกว่าการทำให้แก๊สความดันต่ำกลายเป็นแก๊สความดันสูง
อย่างที่สองก็คือ
ไอน้ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำนั้นเป็นไอน้ำที่มีอุณหภูมิใกล้จุดเดือด
หรืออาจเป็นไอน้ำอิ่มตัวที่มีความชื้นปน
เครื่องคอมเพรสเซอร์นั้นทำงานได้ดีถ้าหากแก๊สที่อัดเพิ่มความดันนั้นไม่มีการเปลี่ยนเฟสหรือมีของเหลวปะปนเข้ามาด้วย
ในกรณีนี้แม้ว่าไอน้ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำนั้นจะไม่มีความชื้นปน
แต่เมื่อมีความดันสูงขึ้นเรื่อย
ๆ ในขณะที่ยังคงอยู่ในคอมเพรสเซอร์
ก็สามารถเกิดการควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำได้
และหยดน้ำที่เกิดขึ้นนี้สามารถก่อความเสียหายให้กับคอมเพรสเซอร์ได้
(โดยเฉพาะพวก
centrifugal
type)
อย่างที่สามก็คือการทำให้ไอน้ำไหลเข้ากังหันไอน้ำได้อย่างต่อเนื่อง
การใช้เครื่องควบแน่นนั้นจะทำให้เกิดสุญญากาศทางด้านขาออกของกังหันไอน้ำ
(เกิดจากการที่ไอน้ำควบแน่นเป็นของเหลว
ปริมาตรจะลดลงมาก)
ทำให้ไอน้ำไหลเข้ากังหันไอน้ำได้ดี
(เพราะด้านขาออกมีความดันต่ำ)
แต่ถ้าใช้คอมเพรสเซอร์เป็นตัวดูดไอน้ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำ
อัตรการไหลของไอน้ำที่ไหลผ่านกังหันไอน้ำจะขึ้นอยู่กับความสามารถของคอมเพรสเซอร์
ซึ่งตรงนี้มันมีความต้องการที่ขัดแย้งกันอยู่
ถ้าจะให้ไอน้ำไหลเข้ากังหันไอน้ำได้ดี
ความดันด้านขาออกของกังหันไอน้ำ
(ด้านขาเข้าคอมเพรสเซอร์)
ต้อง
"ต่ำ"
แต่ถ้าต้องการให้คอมเพรสเซอร์ดูดแก๊สได้ดี
ความดันด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์
(ด้านขาออกของกังหันไอน้ำ)
ควรต้อง
"สูง"
ในรูปที่
๑ นั้นผมวาดการให้ความร้อนแก่ไอน้ำแยกออกเป็น
๒ ส่วน คือส่วนที่ต้มน้ำให้เดือดกลายเป็นไอ
และส่วนที่เพิ่มอุณหภูมิของไอน้ำให้สูงกว่าจุดเดือด
เพราะไม่เป็นเรื่องแปลกหากจะพบว่ามันอยู่คนละที่กัน
หม้อน้ำชนิดที่มีเปลวไฟ
(หรือแก๊สร้อน)
ไหลอยู่ในท่อและมีน้ำหล่ออยู่ภายนอกท่อ
(แบบที่เรียกว่า
"หลอดไฟ"
หรือ
"fire
tube")
ทำหน้าที่ได้เพียงแค่เปลี่ยนน้ำที่เป็นของเหลวให้กลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว
(ไอน้ำที่จุดเดือดของน้ำ)
ถ้าต้องการทำให้ไอน้ำอิ่มตัวนี้กลายเป็นไอร้อนยิ่งยวด
ก็ต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า
superheater
ที่มักจะมีรูปแบบเป็นชุดท่อที่ให้ไอน้ำไหลผ่านภายในท่อ
และมีแก๊สร้อนให้ความร้อนไหลผ่านภายนอกท่อ
เช่นในโรงงานนั้นอาจจะใช้ความร้อนจากแหล่งหนึ่งในการต้มน้ำให้กลายเป็นไออิ่มตัว
และไปใช้ความร้อนจากอีกแหล่งหนึ่งในการเปลี่ยนไอน้ำอิ่มตัวนั้นให้กลายเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง
(ตัวอย่างเช่นในกรณีของ
furnace
ที่ใช้ในปฏิกิริยา
thermal
cracking
อาจใช้ความร้อนของสายผลิตภัณฑ์ที่ต้องการทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วในการต้มน้ำให้เดือด
และไปใช้ความร้อนจากแก๊สร้อนของ
furnace
ในการเปลี่ยนให้ไอน้ำอิ่มตัวนั้นกลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด)
แต่ถ้าหม้อน้ำที่ต้มน้ำโดยให้น้ำไหลอยู่ในท่อ
(ที่เรียกว่า
"หลอดน้ำ"
หรือ
"water
tube") และมีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอกท่อ
ตัวหม้อน้ำเองจะสามารถออกแบบให้ทำการต้มน้ำให้กลายเป็นไออิ่มตัวและเปลี่ยนเป็นไอร้อนยวดยิ่งได้ในตัวมันเอง
การตอบคำถามเรื่องกังหันไอน้ำนี้มีความแตกต่างไปจากกรณีของตู้เย็นตรงที่
ในกรณีของตู้เย็นนั้นมันไม่จำเป็นต้องรู้เรื่องข้อจำกัดของอุปกรณ์
แต่ในกรณีของกังหันไอน้ำนี้มันมีเรื่องข้อจำกัดของอุปกรณ์การทำงานจริงเข้ามาเกี่ยวข้อง
ดังนั้นถ้าไม่มีความรู้มาก่อนบ้างว่าอุปกรณ์แต่ละชนิดมีข้อจำกัดในการใช้งานอย่างใด
ก็คงยากที่จะตอบได้
บรรณานุกรม
Smith,
J.M. and Van Ness, H.C., "Introduction to Chemical Engineering
Thermodynamics", 4th ed. McGraw-Hill, 1987.
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น