"ถ้าเราต้องการเปลี่ยนสารตัวหนึ่งจากของเหลวที่ความดันต่ำ ให้เป็นแก๊สความความดันสูง เราควร
(ก) ให้ความร้อนแก่ของเหลวจนกลายเป็นไอที่ความดันต่ำก่อน จากนั้นจึงค่อยเพิ่มความดันให้กับไอน้ำ หรือ
(ข) เพิ่มความดันให้กับของเหลวจนเป็นของเหลวที่ความดันสูงก่อน จากนั้นจึงค่อยให้ความร้อนจนของเหลวกลายเป็นไอที่ความดันสูง"
สัปดาห์ที่แล้วมีผู้ถามคำถามข้างต้นมาถึงผม ซึ่งผมก็ได้ตอบเขาไปแล้ว (อันที่จริงมันก็มีอยู่ในบทความเก่า ๆ ใน blog นี้ด้วย) มาวันนี้ก็เลยอยากจะขอเขียนอะไรเพิ่มเติมขึ้นอีกนิดหน่อย
รูปแบบการทำงานของอุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับของเหลวหรือแก๊สอาจแบ่งได้เป็น ๒ ประเภทด้วยกันคือ positive displacement ที่เพิ่มความดันให้กับของเหลวหรือแก๊สโดยตรง และ dynamic compression ที่ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลของเหลวหรือแก๊ส (คือเพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่) แล้วค่อยให้พลังงานจลน์นั้นเปลี่ยนเป็นความดัน (จะเรียกว่าเปลี่ยนจาก velocity head เป็น pressure head ก็ได้) วิธีการเพิ่มพลังงานจลน์ที่กระทำกันก็คือการใช้การหมุนเหวี่ยงด้วยใบพัด ซึ่งก็ได้แก่พวก centrifugal pump (ปั๊มหอยโข่ง) และ centrifugal compressor และอุปกรณ์ประเภทหลังนี้ก็เป็นพวกที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากที่สุด
การอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้นนั้น สิ่งที่เกิดขึ้นก็คืออุณหภูมิแก๊สที่ผ่านการอัดนั้นจะเพิ่มขึ้น แต่เมื่อความดันสูงขึ้นแก๊สก็จะควบแน่นเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้นการอัดแก๊สจะทำได้ดีก็ต่อเมื่อแก๊สนั้นจะต้องไม่เกิดการควบแน่นเมื่อความดันสูงขึ้น กล่าวคืออุณหภูมิของแก๊สก่อนอัดนั้นต้องสูงกว่าอุณหภูมิจุดควบแน่นของแก๊สนั้น และแก๊สที่ผ่านการอัดแล้วต้องไม่ควบแน่น ณ อุณหภูมิด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์ (แต่ไปควบแน่นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ลดอุณหภูมิของแก๊สที่ผ่านการอัดแล้วไม่เป็นไร)
รูปที่ ๑ กราฟต่าง ๆ ที่นำมาประกอบ Memoir ฉบับนี้ นำมาจากบทความนี้ (ลิงก์ข้างล่าง) https://www.airbestpractices.com/technology/air-compressors/how-inlet-conditions-impact-centrifugal-air-compressor-performance
ปั๊มหอยโข่งที่ใช้กับของเหลวนั้นไม่ชอบให้มีฟองแก๊สในของเหลว ในกรณีที่ฟองแก๊สนั้นเป็นแก๊สที่ไม่ควบแน่น (เช่นมีฟองอากาศปนเข้ามาในน้ำ) เพราะพลังงานที่จ่ายให้ของเหลวจะถูกใช้ในการอัดฟองแก๊ส และถ้าเป็นฟองแก๊สที่เกิดจากการเดือดของของเหลวในตัวปั๊ม (บริเวณทางเข้าปั๊มที่ดูดของเหลวเข้ามาจะมีความดันที่ลดต่ำลง) เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้น ฟองแก๊สนั้นก็จะเกิดการยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว (ผลจากการควบแน่น) ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า cavitation ที่สามารถทำความเสียหายต่อชิ้นส่วนโลหะภายในปั๊มได้
ในกรณีชอง centrifugal compressor นั้น หยดของเหลวที่ติดมากับแก๊สที่ไหลเข้า หรือที่เกิดขึ้นระหว่างที่แก๊สมีความดันสูงขึ้น ก็สามารถทำให้ตัวอุปกรณ์ประสบกับปัญหา erosion ได้เช่นกัน ดังนั้นในกรณีที่เกรงว่าจะมีของเหลวติดมากับแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ ก็จะมีการติดตั้ง knock out drum เอาไว้ที่ทางด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์ knock out drum นี้เป็นถังเปล่า ๆ ใบหนึ่งที่ดักหยดของเหลวด้วยการทำให้แก๊สมีความเร็วลดต่ำลง (เพราะพื้นที่หน้าตัดของถังมันใหญ่กว่าท่อ) และมีการเปลี่ยนทิศทางการไหลของแก๊ส (แก๊สจะเลี้ยวออกไปอีกทาง ในขณะที่หยดของเหลวที่มีมวลมากกว่าจะเลี้ยวตามยากกว่า และวิ่งไปปะทะแผ่นกั้นหรือผนังของถัง กลายเป็นหยดของเหลวที่ใหญ่ขึ้นและไหลสงสูงก้นถัง knoco out drum บางตัวอาจมีการติดตั้ง mist eliminator เอาไว้ที่ทางออกของแก๊ส เพื่อช่วยดักหยดของเหลวเอาไว้อีกชั้นหนึ่ง
พวก centrifugal compressor ที่ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลแก๊สด้วยการเหวี่ยงออกไปนั้น ที่ความเร็วรอบการหมุนคงที่ ความเร็วที่โมเลกุลแก๊สถูกเหวี่ยงออกไปก็จะคงที่ ส่วนพลังงานจลน์จะได้เท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับมวลของแก๊สที่ไหลเข้ามาและถูกเหวี่ยงออกไป ถ้าแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีความดันสูง อุณหภูมิต่ำ และน้ำหนักโมเลกุลสูง น้ำหนักของแก๊สต่อหน่วยปริมาตรก็จะสูง (กล่าวคือมีความหนาแน่นสูง) พลังงานจลน์ของการเหวี่ยงออกไปก็จะสูง โดยใบพัดต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อที่จะหมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ แต่ถ้าแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีความดันต่ำ อุณหภูมิสูง และน้ำหนักโมเลกุลต่ำ น้ำหนักของแก๊สต่อหน่วยปริมาตรก็จะต่ำ (กล่าวคือมีความหนาแน่นต่ำ) พลังงานจลน์ของการเหวี่ยงออกไปก็จะต่ำ ใบพัดก็ต้องการพลังงานในการเหวี่ยงลดลง
แต่ทั้งนี้พลังงานจลน์ของการเหวี่ยงออกไปนั้น เมื่อเปลี่ยนรูปไปเป็นความดันแล้ว ต้องสามารถเอาชนะความดันต้านทางของแก๊สด้านขาออกได้ แก๊สจึงจะไหลไปข้างหน้าได้ และเมื่อใดที่พลังงานจลน์ในการเหวี่ยงออกไปนั้นไม่สามารถสร้างความดันที่เอาชนะความดันต้านทางด้านขาออกได้ แก๊สด้านขาออกก็จะไหลย้อนกลับได้ มันก็เลยเป็นการสู้กันระหว่างแก๊สด้านขาออกที่มีความดันสูงที่ไหลสวนทางกับแก๊สที่ใบพัดคอมเพรสเซอร์พยายามเหวี่ยงออกมา ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า surging ได้
รูปที่ ๒-๔ แสดงผลของอุณหภูมิและความดันของแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ และความชื้นสัมพันธ์ในอากาศที่มีต่อความดันด้านขาออกที่ได้ แต่ทุกกราฟมีทุกสิ่งที่เหมือนกันคือ เมื่อใดก็ตามที่ความหนาแน่นแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์นั้นลดต่ำลง ความดันด้านขาออกก็จะลดลง
มีเรื่องหนึ่งที่มีคนเคยถามมาเป็นเรื่องเกี่ยวกับการเพิ่มประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์อัดอากาศ กล่าวคือในวันที่อากาศร้อนจัดนั้น ความหนาแน่นอากาศลดต่ำลง ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ก็เลยตก การลดอุณหภูมิอากาศขาเข้าด้วยการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้น (ที่อาจใช้เพียงแค่เฉพาะวันที่มีอากาศร้อน) เป็นการลงทุนสูงแน่ ๆ แต่ถ้าจะใช้วิธีการฉีดพ่นละอองน้ำให้กับอากาศก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ (ซึ่งเป็นการลงทุนที่ต่ำกว่า) เพื่อให้การระเหยของหยดน้ำทำให้อุณหภูมิอากาศลดต่ำลง จะเป็นการช่วยไหม ซึ่งก็ได้ตอบเขาไปว่าก็ต้องระวังการเกิด erosion อันเป็นผลจากหยดน้ำที่ฉีดเข้าไปมากเกินไปและระเหยไม่หมด ส่วนความหนาแน่นของอากาศนั้นจะลดลงหรือเพิ่มขึ้นก็ขึ้นอยู่กับว่าปริมาณน้ำที่ฉีดเข้าไปที่ไปทำให้ความชื้นสัมพัทธ์สูงขึ้นและน้ำหนักโมเลกุลของอากาศลดต่ำลง อันส่งผลให้ความหนาแน่นอกาศลดลง และอุณหภูมิของอากาศที่ลดต่ำลงที่ทำให้ความหนาแน่นอากาศเพิ่มสูงขึ้น ปัจจัยไหนจะเด่นกว่ากัน ซึ่งได้ยินมาว่ามีการทดลองเอากระบอกฉีดน้ำไปฉีดละอองน้ำให้กับอากาศก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ แล้วก็ได้ผลดี
ด้วยเหตุนี้ ถ้าต้องการเปลี่ยนของเหลวความดันต่ำให้กลายเป็นแก๊สที่ความดันสูง ก็จะทำการเพิ่มความดันให้กับของเหลวนั้นก่อน แล้วจึงค่อยให้ความร้อนเพื่อเปลี่ยนให้ของเหลวนั้นกลายเป็นไอที่ความดันสูง ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการผลิตไอน้ำความดันสูงที่ทำกันอยู่ทั่วไป ซึ่งเรื่องนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๑ ตุลาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ต้องควบแน่นก่อนแล้วค่อยต้มใหม่"
แต่ถ้ามีความจำเป็นที่ต้องอัดแก๊สที่อาจมีความหนาแน่นเปลี่ยนไปมาได้ โดยความหนาแน่นนั้นอาจลดต่ำลงได้มาก อันเป็นผลจากมีแก๊สโมเลกุลต่ำผสมเข้ามาในปริมาณมากขึ้น เราก็พอมีวิธีการที่จะทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานได้โดยไม่เกิด surging ได้ เช่นในการเพิ่มความดันให้กับแก๊สไฮโดรคาร์บอน C1-C2 ที่อาจมีไฮโดรเจนผสมเข้ามามากในบางช่วงเวลานั้น แทนที่เราจะทำการอัดแก๊สไฮโดรคาร์บอน C1-C2 ให้มีความดันสูงโดยตรง เราก็อาจทำการผสมไฮโดรคาร์บอน C3-C4 (ก็คือพวกแก๊สหุงต้ม) เข้ากับแก๊สก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ แล้วค่อยไปควบแน่นเอาไฮโดรคาร์บอน C3-C4 ออกจากแก๊สความดันสูง แล้วก็ป้อนไฮโดรคาร์บอน C3-C4 ที่ควบแน่นเป็นของเหลวนี้กลับไปทางด้านขาเข้าคอมเพรสเซอร์ใหม่ ซึ่งเมื่อไฮโดรคาร์บอน C3-C4 ที่ควบแน่นนั้นมีความดันลดลง มันก็จะระเหยกลายเป็นไอผสมเข้ากับแก๊สมวลโมเลกุลต่ำที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ได้เอง (รูปที่ ๕) จุดหนึ่งที่อาจประสบกับปัญหานี้ได้ก็คือระบบ flare gas recovery ที่องค์ประกอบของแก๊สนั้นขึ้นอยู่กับว่าในขณะนั้นมีหน่วยผลิตไหนระบายแก๊สทิ้งออกมา
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น