ไอน้ำความดันต่ำกับไอน้ำความดันสูง MO Memoir : Thursday 5 May 2559

บทสนทนาข้างล่างผมดัดแปลงจากข้อความที่มีคนกดแชร์ต่อมาทาง facebook แล้วมันมาโผล่ที่หน้า facebook ของผม

กูรู้ : คุณรู้ไหมว่าถ้าใช้ไอน้ำความดันสูง 42 barg, 370ºC เพื่อให้ความร้อน 1 Gcal/hr คุณต้องใช้ไอน้ำความดันสูง ปริมาณมากถึง 2.4 T/hr แต่ถ้าใช้ไอน้ำความดันต่ำ 2 barg, 200ºC คุณใช้แค่ 2 T/hr ก็พอ

กูทำ : มั่วป่าวคับ ไอน้ำความดันสูงอุณหภูมิร้อนกว่าตั้งเยอะ จะใช้ปริมาณมากกว่าได้ไงคับ ที่พูดมันขัดความรู้สึกมากเลยคับ

กูรู้ : การใช้ไอน้ำให้ความร้อน คุณอาศัย latent heat ต่อตันไอน้ำเป็นหลัก ซึ่งยิ่งความดันสูง latent heat ต่อตันไอน้ำที่ปล่อยออกมาก็ยิ่งลดลง คุณลองกลับไปเปิดตำราดู steam table pressure-enthalpy diagramสิ ส่วนที่เป็น sensible heat จากการ desuperheating มันมีผลไม่เยอะมาก อุณหภูมิสูงช่วยให้พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนลดลงได้ แตไม่ได้ช่วยเรื่องปริมาณที่ใช้

กูทำ : ระบบของผมต้องการให้ความร้อนแก่ของเหลวที่มีอุณหภูมิขาเข้า 220ºC ให้ร้อนขึ้นไปอีก ช่วยอธิบายหน่อยได้ไหมคับว่าไอน้ำอุณหภูมิ 200ºC มันถ่ายเทความร้อนให้กับของเหลวอุณหภูมิ 220ºC ได้อย่างไร ผมไม่เถียงหรอกคับว่า latent heat ของไอน้ำที่ความดันต่ำกว่ามันมากกว่าของไอน้ำที่ความดันสูงกว่า แต่ความร้อนมันต้องถ่ายเทจากด้านอุณหภูมิสูงไปยังด้านอุณหภูมิต่ำไม่ใช่เหรอคับ โดยไม่สนว่าด้านอุณหภูมิสูงจะมีค่า latent heat หรือspecific heat มากน้อยเท่าใด การจะเลือกใช้ไอน้ำความดันเท่าใดในการให้ความร้อนอย่างแรกมันก็ต้องดูก่อนไม่ใช่เหรอคับว่าฝั่งรับความร้อนมีอุณหภูมิเท่าใด จากนั้นจึงเลือกเอาไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่ามาใช้

ต้นเรื่องข้างบนมันเป็นยังไง ถ้าไม่เคยเห็นก็ไม่เป็นไรครับ แต่มันมีสิ่งหนึ่งที่ทำให้ผมกังวลหลังจากได้อ่านบทความต้นเรื่องคือเกรงจะมีคนไปจำฝังใจว่า ในการใช้ไอน้ำในการให้ความร้อนนั้น การใช้ไอน้ำความดันต่ำ "ดีกว่า" การใช้ไอน้ำความดันสูง เพราะถ้าใช้ไอน้ำความดันต่ำจะใช้ไอน้ำ "น้อยกว่าโดยน้ำหนัก" เมื่อเทียบกับการใช้ไอน้ำความดันสูง (ตรงนี้ผมขอหลีกเลี่ยงการใช้คำว่า "ปริมาณ" ก่อน เพราะมันไม่ชัดเจนว่ามันเป็น "โดยน้ำหนัก" หรือ "โดยปริมาตร" และความแตกต่างตรงนี้มันส่งผลต่อการทำงานในบางแง่) ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นมันยังมีปัจจัยอื่นที่ยังต้องพิจารณาเพิ่มอีก ส่วนมันจะมีปัจจัยที่ต้องพิจารณาทั้งหมดเท่าใดนั้น ผมก็ไม่ทราบเหมือนกัน วันนี้ก็จะขอเล่าเฉพาะในส่วนที่ตนเองพอจะทราบอยู่บ้าง

แต่ก่อนอื่นเราลองมาดูคุณสมบัติของไอน้ำทั้ง ๒ ตัวในบทความที่จะขอใช้เป็นตัวอย่างใน Memoir ฉบับนี้กันก่อนนะครับ ใครชอบรูปภาพก็ไปดูที่ Mollier diagram ที่แนบท้ายบทความนี้ได้ หรือถ้าชอบตัวเลขก็เชิญดูได้จากตารางที่ ๑ ซึ่งตัวเลขนี้ผมนำมาจากเว็บ www.tlv.com ที่สามารถป้อนค่าอุณหภูมิและความดันเข้าไป แล้วมันจะแสดงค่าคุณสมบัติต่าง ๆ ของไอน้ำที่อุณหภูมิและความดันนั้นมาให้ (ผมยกตัวเลขมาดื้อ ๆ เลย มันมีตัวเลขทศนิยมกี่ตำแหน่งก็นำมาหมด)

เวลาที่ไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่ความดันใดความดันหนึ่งเย็นตัวลงเป็นน้ำ (ของเหลว) ที่อุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันนั้น จะมีการคายความร้อนออกมา ๒ ช่วงด้วยกัน

ช่วงแรก : คือไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือด เย็นตัวลงจนมีอุณหภูมิเท่ากับจุดเดือด ความร้อนที่คายออกตรงนี้คำนวณได้จากค่า enthalpy ของไอน้ำร้อนยวดยิ่งลบด้วยค่า enthalpy ของไอน้ำอิ่มตัว
 

ในกรณีของไอน้ำอุณหภูมิ 200ºC ความดัน 2 barg เย็นตัวลงเป็นไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 136.676ºC ความดัน 2 barg เช่นเดิม จะมีการคายความร้อนออก 2865.89 - 2725.09 = 140.80 kJ/kg
 

ในกรณีของไอน้ำอุณหภูมิ 370ºC ความดัน 42 barg เย็นตัวลงเป็นไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 254.701ºC ความดัน 42 barg เช่นเดิม จะมีการคายความร้อนออก 3136.29 - 2799.26 = 377.03 kJ/kg

ช่วงที่สอง : คือไอน้ำที่อุณหภูมิจุดเดือด ควบแน่นกลายเป็นน้ำที่อุณหภูมิจุดเดือด ความร้อนที่คายออกตรงนี้คำนวณได้จากค่า enthalpy ของไอน้ำอิ่มตัวลบด้วยค่า enthalpy ของน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิจุดเดือดนั้น
 

ในกรณีของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดัน 2 barg (อุณหภูมิ 133.676ºC) เย็นตัวลงเป็นน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 136.676ºC ที่ความดัน 2 barg เช่นเดิม จะมีการคายความร้อนออก 2725.09 - 562.099 = 2162.99 kJ/kg
 

ในกรณีของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดัน 42 barg (อุณหภูมิ 254.701ºC) เย็นตัวลงเป็นน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 254.701ºC ที่ความดัน 42 barg เช่นเดิม จะมีการคายความร้อนออก 2799.26 - 1108.66 = 1690.6 kJ/kg

จะเห็นนะครับว่าปริมาณความร้อนที่ไอน้ำอิ่มตัวคายออกมาต่อหน่วยน้ำหนัก ในขณะที่เกิดการควบแน่นนั้น มันมีค่ามากกว่าปริมาณที่ไอน้ำร้อนยวดยิ่งคายออกมาในขณะที่มันเย็นตัวลงกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว ด้วยเหตุนี้เราจึงมักใช้ไอน้ำอิ่มตัวในการให้ความร้อน (แบบไม่ได้มีการสัมผัสกันโดยตรง เช่นในกรณีของการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน)
 

แต่ถ้าเป็นการให้ความร้อนแบบที่มีการสัมผัสกันโดยตรง เช่นด้วยการฉีดไอน้ำเข้าไปในระบบและไม่ต้องการให้เกิดการควบแน่นของน้ำ ไอน้ำร้อนยวดยิ่งก็จะเหมาะกว่า
 

ถ้าลองไปดูที่ Mollier diagram ที่แนบมาในหน้าสุดท้าย (หรือจะไปเปิด steam table ดูก็ได้) ก็จะเห็นอีกว่าค่า latent heat (ผลต่างระหว่างค่า enthalpy ของไอน้ำอิ่มตัวและน้ำอิ่มตัว หรือระยะห่างในแนวนอนระหว่างด้านขวากับด้านซ้ายของเส้นโค้งรูปโดม) ต่อหน่วยน้ำหนักของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันต่ำ มีค่ามากกว่าของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันสูง กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือไอน้ำอิ่มตัวที่มี "น้ำหนัก" เท่ากัน แต่ความดันต่างกัน เวลาที่ไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันต่ำกว่ากลายเป็นของเหลวจะมีการคายความร้อนออกมา "มากกว่า" ของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันสูงกว่า

แต่อย่างเพิ่งด่วนสรุปทันทีเลยนะครับว่าถ้าคิดจะใช้ไอน้ำให้ความร้อน ควรเลือกใช้ไอน้ำที่ความดันต่ำเพราะ "ดีกว่า" ในแง่ที่ว่าใช้ปริมาณโดย "น้ำหนัก" ที่น้อยกว่าการใช้ไอน้ำที่ความดันสูง

น่าจะสักปีที่แล้ว มีนิสิตทำการศึกษาเรื่องการออกแบบและเปรียบเทียบระบบแลกเปลี่ยนความร้อนของกระบวนการผลิตหนึ่งในหลากหลายรูปแบบ ผลออกมาดีจนกระทั่งอาจารย์ที่ปรึกษานำมาเขียนเป็นบทความส่งไปตีพิมพ์ ปรากฏว่าผู้ประเมินบทความ (ที่เรียกว่า reviewer) นั้นให้ผ่านเกือบทุกคนครับเกือบจะได้ตีพิมพ์อยู่แล้ว ยกเว้นรายหนึ่งที่สังเกตพบว่าผลงานดังกล่าวมีความผิดพลาดที่สำคัญคือ มีการ "นำเอาความร้อนจากสายที่ต้องการทำให้เย็นลง ไปถ่ายเทให้กับสายที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น ทั้ง ๆ ที่สายที่ต้องการทำให้เย็นลงนั้นมีอุณหภูมิ "ต่ำกว่า" อุณหภูมิของสายที่ต้องการทำให้ร้อนขึ้น" บทความดังกล่าวจึงตกไป

ในการทำให้สายใดสายหนึ่งร้อนขึ้นด้วยการนำเอาอีกสายหนึ่งมาถ่ายเทความร้อนให้ สายที่ถ่ายเทความร้อนให้จำเป็นต้องมี "อุณหภูมิ" ที่สูงกว่าอุณหภูมิของสายที่ต้องการทำให้ร้อนขึ้น ถ้าเราเลือกใช้ไอน้ำอิ่มตัวในการให้ความร้อน เราก็ต้องมั่นใจว่าอุณหภูมิที่ไอน้ำอิ่มตัวควบแน่นนั้นต้องสูงกว่าอุณหภูมิของสายที่จะมารับความร้อน ซึ่งตัวนี้เป็นตัวกำหนด "ความดันขั้นต่ำ" ของไอน้ำที่จะใช้ให้ความร้อนได้ โดยยังไม่ต้องสนใจว่าต้องการความร้อนในปริมาณเท่าใด จากนั้นจึงค่อยมาพิจารณาดูว่าจะเลือกใช้ไอน้ำที่ความดันเท่าใดมาให้ความร้อน ซึ่งถ้าโรงงานมีไอน้ำใช้งานอยู่ก่อนแล้ว ตัวเลือกมันก็มีไม่มาก (หรืออาจไม่มีเลย) แต่ถ้าเป็นการเริ่มจากศูนย์คือยังไม่มีโรงงานเลย มันก็เลือกได้เยอะหน่อย

สิ่งสำคัญ "ปริมาตรจำเพาะ" ของไอน้ำและ "ระยะห่าง" ระหว่างแหล่งกำเนิดไอน้ำกับแหล่งที่ต้องการใช้ไอน้ำ ก็เป็นสิ่งที่ไม่ควรมองข้ามในการพิจารณา เพราะปัจจัยเหล่านี้มันส่งผลต่อขนาดท่อและความดันลด

อุณหภูมิใช้งานเป็นปัจจัยหนึ่งที่เป็นตัวกำหนดเกรดของวัสดุที่ใช้ทำท่อ ที่อุณหภูมิเดียวกันแต่ความดันต่างกัน ส่งผลให้อุปกรณ์มีความหนาต่างกัน อุปกรณ์ที่รับความดันมากกว่าต้องการความหนาของผนังที่มากกว่า แต่ถ้าต่างอุณหภูมิกันแม้ว่าจะอยู่ที่ความดันเดียวกัน อุปกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจะต้องทำจากวัสดุที่ทนอุณหภูมิได้สูงกว่า มันหมายถึงการเลือกใช้วัสดุคนละชนิด (และแน่นอนว่าวัสดุที่ทนอุณหภูมิสูงมันจะแพงกว่าวัสดุที่ทนอุณหภูมิได้ต่ำกว่า อันนี้อย่างเพิ่งเอาเรื่องระบบ cryogenic มายุ่งนะ)

ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อขึ้นอยู่กับอัตราการไหลโดย "ปริมาตร" ของของไหลที่ไหลอยู่ในท่อนั้น ลองกลับไปดูค่าในตารางที่ ๑ ใหม่นะครับ ค่าปริมาตรจำเพาะของไอน้ำร้อนยวดยิ่งความดัน 42 barg อุณหภูมิ 370ºC เท่ากับ 0.0230449 m³/kg ในขณะที่ ค่าปริมาตรจำเพาะของไอน้ำร้อนยวดยิ่งความดัน 2 barg อุณหภูมิ 200ºC เท่ากับ 0.73242 m³/kg หรือมากกว่าถึงกว่า 30 เท่า
 

ดังนั้นเพื่อที่จะจ่ายไอน้ำในปริมาณโดย "น้ำหนัก" ที่เท่ากัน ท่อส่งไอน้ำความดัน 2 barg อุณหภูมิ 200ºC จะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าท่อส่งไอน้ำความดัน 42 barg อุณหภูมิ 370ºC อยู่ 5-6เท่า (คิดที่ความเร็วเชิงเส้น (m/s) ของการไหลในท่อเท่ากัน)
 

ยิ่งระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดไอน้ำและแหล่งที่ต้องการใช้ไอน้ำนั้นอยู่ห่างกันมาก ความดันลด (pressure drop) ในระบบท่อส่งก็จะมากตามไปด้วย ในกรณีเช่นนี้การใช้ไอน้ำความดันสูงมันดีกว่าเพราะส่งไปได้ไกลกว่า (คล้าย ๆ กับการส่งกระแสไฟฟ้าเป็นระยะทางไกล ๆ จะส่งด้วยความต่างศักย์ที่สูง เพื่อลดการสูญเสีย)
 

แล้วระหว่างท่อโลหะเกรดสูง (โลหะราคาแพง) แต่มีขนาดเล็ก กับท่อโลหะเกรดต่ำกว่า (โลหะราคาถูก) แต่มีขนาดใหญ่กว่า แบบไหนจะมีต้นทุนในการวางท่อมากกว่ากัน อันนี้ผมคงตอบไม่ได้ครับ ใครโชคดีได้รับงานนี้ไปทำก็คงต้องไปพิจารณาเอาเองครับ

ข้างต้นเป็นบางส่วนของปัจจัยที่ควรต้องพิจารณา (เท่าที่ผมคิดออก) ในการตัดสินใจว่าจะผลิตไอน้ำหรือซื้อไอน้ำที่ความดันเท่าใดมาใช้งาน ถ้าเราเลือกที่จะผลิตแต่ไอน้ำความดันสูง เราสามารถทำให้ไอน้ำความดันสูงนั้นกลายเป็นไอน้ำความดันต่ำได้ด้วยการใช้ desuperheater หรือวาล์วลดความดัน แต่ผมไม่เคยเห็นใครเขาเลือกที่จะผลิตไอน้ำความดันต่ำ และค่อยใช้คอมเพรสเซอร์เพิ่มความดันให้กับไอน้ำความดันต่ำนั้นเพื่อให้มันกลายเป็นไอน้ำความดันสูง (ถ้ามีจริงก็คงเป็นกลุ่มวิศวกรส่วนน้อย)

อีกวิธีการหนึ่งที่ใช้ผลิตไอน้ำความดันต่ำเพื่อนำไปใช้งานได้แก่การทำ "flash steam" คือเอา condensate ของไอน้ำความดันสูง (ซึ่งมีอุณหภูมิสูง) มาลดความดันให้ต่ำลง condensate ส่วนหนึ่งจะเปลี่ยนสภาพจากของเหลวเป็นไอน้ำที่ความดันต่ำ และสามารถนำไอน้ำความดันต่ำที่เกิดขึ้นนี้ไปใช้ประโยชน์ต่อได้ (เช่นนำไปใช้ให้ความร้อน) แต่วิธีการนี้จะเหมาะสมถ้าหากปริมาณการใช้ไอน้ำความดันสูงที่หน่วยใดหน่วยหนึ่งมีมากพอ และมีหน่วยที่ต้องการใช้ไอน้ำความดันต่ำอยู่ใกล้ ๆ กัน (แต่ไม่ได้ต้องการไอน้ำความดันต่ำในปริมาณมาก)
 

(ในวงการไอน้ำเวลากล่าวถึง condensate มันหมายถึง steam condensate คือน้ำ (ของเหลว) ที่เกิดจากการควบแน่นของไอน้ำ แต่ถ้าเป็นวงการขุดเจาะแก๊สธรรมชาติมันหมายถึงไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นเป็นของเหลว)

ผมเห็นว่าสิ่งที่เขียนมาข้างต้นมันไม่ได้เป็นเคล็ดลับหรือความรู้ขั้นสูงอะไรเลยครับ ทั้งหมดเป็นเรื่องพื้นฐานทั้งนั้น ถ้าเราพอจะมี "เวลาว่าง" ที่จะคิดทบทวนงานที่ทำ แล้วนำเอาสิ่งที่เคยเรียนรู้มานั้นมาจับเข้ากับงานที่ทำ ก็จะพบว่ามันก็เป็นสิ่งที่มีการเรียนการสอนอยู่แล้ว เพียงแต่ด้วยหน้าที่การงานที่ได้รับมอบหมาย และบรรยากาศการทำงานมันก็เลยทำให้ให้ใครต่อใครหลงลืมหรือสับสนไปบ้าง 
  

ว่าแต่ "เวลาว่าง" ที่จะทำเช่นนั้นจะพอมีอยู่หรือเปล่าเท่านั้นเองครับ เพราะเดี๋ยวนี้เห็นพนักงานบริษัทจำนวนไม่น้อยแม้แต่วันหยุดก็ยังต้องไปทำกิจกรรม CSR เพื่อภาพลักษณ์ของบริษัท เวลาจะไปหาคนมาใช้ชีวิตครอบครัว (สำหรับคนที่ยังไม่มี) หรือมีให้กับครอบครัว (สำหรับคนที่มีอยู่แล้ว) ยังแทบจะหากันไม่ได้เลย

หลังจากบทความฉบับนี้ผมจะหายหน้าหายตาไปพักผ่อนระยะหนึ่งนะครับ กลับมาอีกครั้งก็คงหลังกลางเดือนแล้ว