เวลาที่เราเรียนเรื่องความสัมพันธ์ระหว่าง
ความดัน (P)
ปริมาตร
(V)
และอุณหภูมิ
(T)
ของแก๊สนั้น
จะมีพารามิเตอร์หนึ่งปรากฏขึ้นคือค่า
compressibiity
factor ที่ย่อด้วยตัว
Z
โดยที่ค่า
Z
= (PV)/(RT) โดยค่า
V
ในที่นี้คือค่า
specific
volume หรือปริมาตรจำเพาะ
(ปริมาตรต่อโมล)
ของแก๊ส
และในกรณีของแก๊สอุดมคติ
(ideal
gas) ค่า
Z
จะมีค่าเท่ากับ
1.0
สำหรับแก๊สจริง
(real
gas) ค่า
Z
นี้อาจมีค่าน้อยกว่าหรือมากกว่า
1.0
ก็ได้
ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันของแก๊สชนิดนั้น
ในทางทฤษฎีนั้น ถ้าเราวัดค่าความดัน
อุณหภูมิ และปริมาตรจำเพาะ
ของแก๊สใด ๆ โดยอิงจากจุดวิกฤต
(critical
point) ของแก๊สนั้น
โดยใช้มาตราส่วนในหน่วย
reduced
porperty กล่าวคือวัดความดันในหน่วย
Pr
เมื่อ
Pr
= P/Pc วัดอุณหภูมิในหน่วย
Tr
เมื่อ
Tr
= T/Tc และวัดปริมาตรจำเพาะในหน่วย
Vr
เมื่อ
Vr
= V/Vc โดยตัวห้อย
r
คือ
reduced
property และตัวห้อย
c
คือค่าที่จุดวิกฤต
จะได้ว่าสำหรับแก๊สใด ๆ
ที่มีค่า Pr
และ
Tr
เดียวกัน
ก็จะมีค่า Vr
เดียวกัน
ซึ่งก็จะส่งผลให้มีค่า Z
เดียวกันด้วย
รูปที่
๑ ภาพขยายค่า generalized
compressibility factor ในช่วงค่า
Pr
0.0-1.0
รูปที่
๑ และ ๒ เป็นกราฟแสดงค่า Z
ของแก๊สที่ค่า
Pr
และ
Tr
ต่าง
ๆ (นำมาจากหน้า
๓๐ ของหนังสือ "The
properties of gases & liquid" โดย
Robert
C. Reid, John M. Prausnitz และ
Bruce
E. Poling, McGray Hill. 1st printing, 1988.) โดยรูปที่
๑ นั้นเป็นรูปขยายในช่วงความดันต่ำ
(P
< Pc) จะเห็นว่าในช่วงความดันต่ำและอุณหภูมิสูงนั้นค่า
Z
จะค่าเข้าใกล้
1.0
หรือแก๊สนั้นมีพฤติกรรมใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติ
รูปที่
๒ ค่า generalized
compressibility factor
Throttling
process คือกระบวนการที่ของไหลไหลผ่านช่องทางการไหลที่มีขนาดจำกัด
เช่นเมื่อของไหลที่ไหลอยู่ในท่อนั้นต้องไหลผ่าน
orifice
หรือวาล์วที่เปิดเอาไว้เพียงเล็กน้อย
โดยที่บริเวณ orifice
หรือวาล์วตัวดังกล่าวมีการหุ้มฉนวนเอาไว้อย่างดีเพื่อไม่ให้มีการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อนกับสิ่งแวดล้อม
และไม่มีการทำให้เกิด shaft
work ผลที่เกิดขึ้นคือของไหลที่ไหลผ่านช่องทางเล็ก
ๆ นั้นออกมานั้นจะมีความดันลดต่ำลง
(เรียกว่าเกิด
pressure
drop) และเมื่อไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม
เอนทาลปี (Enthalpy
H) ของของไหลจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง
(กล่าวคือเอนทาลปีด้านขาเข้าจะเท่ากับเอนทาลปีด้านขาออก)
จากการที่
H
= U + PV เมื่อ
U
คือพลังงานภายใน
(Internal
energy) P คือความดัน
และ V
คือปริมาตรจำเพาะ
ในกรณีของแก๊สนั้น ณ
อุณหภูมิหนึ่ง เมื่อความดัน
P
ลดลง
ปริมาตรจำเพราะ V
จะเพิ่มขึ้น
ถ้าแก๊สนั้นเป็นแก๊สอุดมคติ
การเปลี่ยนแปลงนี้จะเปลี่ยนแปลงในสัดส่วนเดียวกันหรือผลคูณ
PV
จะมีค่าคงที่
(หรือค่า
Z
= 1 เสมอ)
ดังนั้นพลังงานภายในของแก๊สที่ไหลผ่าน
throttling
process ด้านขาออกจะเท่ากับด้านเข้า
หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคืออุณหภูมิแก๊สด้านขาออกจะเท่ากับด้านขาเข้า
แต่สำหรับแก๊สจริงที่ความดันสูงและอุณหภูมิต่ำนั้น
ผลคูณของค่า PV
ของแก๊สด้านขาออกอาจจะสูงกว่า
(ค่า
Z
ด้านขาออกมากกว่าด้านขาเข้า)
หรือต่ำกว่า
(ค่า
Z
ด้านขาออกต่ำกว่าด้านขาเข้า)
ผลคูณของค่า
PV
ด้านขาเข้าก็ได้
ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลทำให้อุณหภูมิแก๊สด้านขาออกเปลี่ยนแปลงไป
จากการที่
throttling
process เป็นกระบวนการที่ค่าเอนทาลปีคงที่
ถ้าสภาวะของ throttling
process นั้นทำให้ค่า
Z
ด้านขาออกเพิ่มสูงขึ้น
ค่า U
ของแก๊สด้านขาออกก็ต้องลดลงเพื่อรักษาให้ค่า
H
คงเดิม
ส่งผลให้อุณหภูมิของแก๊สที่ไหลผ่าน
throttling
process นั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลง
ในทางกลับกันถ้าสภาวะของ
throttling
process นั้นทำให้ค่า
Z
ด้านขาออกลดต่ำลง
ค่า U
ของแก๊สด้านขาออกก็ต้องเพิ่มสูงขึ้นเพื่อรักษาให้ค่า
H
คงเดิม
ส่งผลให้อุณหภูมิของแก๊สที่ไหลผ่าน
throttling
process นั้นมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น
และเราได้นำเอาความรู้ตรงนี้มาใช้ในการออกแบบระบบทำความเย็น
การลดอุณหภูมิของแก๊สเพื่อให้แก๊สเย็นตัวลง
(เพื่อนำไปใช้เป็นสารทำความเย็นหรือ
refrigerant)
นั้นใช้การทำให้แก๊สความดันสูงไหลผ่านวาล์วลดความดันหรือ
capillary
tube โดยต้องเลือกสภาวะที่ทำให้แก๊สที่ไหลผ่าน
throttling
process นี้มีค่า
Z
เพิ่มสูงขึ้น
หรือเลือกการทำงานในช่วงที่เมื่อค่า
Pr
ลดต่ำลง
ค่า Z
จะเพิ่มสูงขึ้น
สำหรับแก๊สส่วนใหญ่แล้ว
ที่อุณหภูมิห้อง แก๊สที่ไหลผ่าน
throttling
process จะมีอุณหภูมิลดต่ำลง
เรียกว่าเกิด "Joule-Thomson
effect" ส่วนจะเกิดมากหรือน้อยเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าค่า
Tr
ของแก๊สนั้นมีค่าเท่าใด
ส่วนแก๊สพวก
ไฮโดรเจน ฮีเลียม และนีออน
นั้น
ที่อุณหภูมิห้องจะเกิดปรากฏการณ์ที่ตรงข้ามคืออุณหภูมิของแก๊สด้านขาออกจะสูงขึ้น
แต่เราก็สามารถทำให้แก๊สพวกนี้เย็นตัวลงได้ด้วย
ในระบบทำความเย็นนั้นจะทำการอัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันสูง
ซึ่งทำให้มีอุณหภูมิสูงตามไปด้วย
จำเป็นต้องมีการระบายความร้อนที่เกิดจากกระบวนการอัดนี้ออกก่อนที่จะเข้าสู่
throttling
process
วิธีการพื้นฐานที่สุดในการระบายความร้อนนี้คือระบายให้กับอากาศโดยตรง
หรือไม่ก็น้ำหล่อเย็น
(แล้วให้น้ำหล่อเย็นไประบายความร้อนให้กับอากาศที่
cooling
tower อีกที)
จากกราฟในรูปที่
๒ จะเห็นว่าในช่วงที่เมื่อค่า
Pr
ของแก๊สลดลงและทำให้ค่า
Z
เพิ่มขึ้นนั้น
ที่ค่า Tr
ต่ำจะมีการเปลี่ยนแปลงค่า
Z
ที่มากกว่าเมื่อค่า
Pr
เปลี่ยนแปลงเท่ากัน
ดังนั้นระบบทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำมากนั้นจึงต้องทำให้สารทำความเย็นนั้นมีอุณหภูมิต่ำก่อนที่จะเข้าสู่
throttling
process
ซึ่งทำได้ด้วยการใช้ระบบทำความเย็นอีกระบบหนึ่งมาเป็นตัวดึงเอาความร้อนออกไป
(เช่นสารทำความเย็นระบบแรก
ระบายความร้อนที่เกิดจากการอัดออกสู่อากาศ
สารทำความเย็นระบบที่สองจะระบายความร้อนที่เกิดจากการอัดให้กับสารทำความเย็นระบบแรก)
ที่เขียนเรื่องนี้ก็เพื่อเป็นการปูพื้นฐานก่อนเข้าสู่ตอนต่อไปของเรื่อง
"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน"
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น