ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน MO Memoir : Thursday 25 April 2567

กลับมาทำงานใหม่ ๆ เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็เห็นอาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลท่านหนึ่งทำวิจัยเรื่องใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์แทนน้ำมันเบนซิน รถที่ใช้ก็คือ Mazda Familia เครื่องเบนซิน 1300 CC ซึ่งมันก็วิ่งได้โดยใช้ถังไฮโดรเจนบรรทุกไว้บนกระบะหลัง แต่หลังจากนั้นเท่าที่ทราบก็ไม่เห็นใครทำวิจัยเรื่องทำนองนี้อีกเลย เห็นมีแต่ข่าวรถใช้พลังน้ำที่บอกว่าไม่ง้อน้ำมันออกมาเป็นระยะ

แม้ว่าไฮโดรเจนจะเป็นแก๊สแบบเดียวกับมีเทนและแก๊สหุงต้มที่ต่างเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเช่นเดียวกับน้ำมันเบนซิน แต่พฤติกรรมการเผาไหม้ของแก๊สไฮโดรเจน (โดยเฉพาะแก๊สไฮโดรเจนบริสุทธิ์) แตกต่างจากไฮโดรคาร์บอนหลายด้าน ทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิงนั้นแตกต่างไปจากเครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิง

U.S. Department of Energy (https://www1.eere.energy.gov) ได้จัดทำเอกสารเรื่อง "Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Techgiesnology เผยแพร่ไว้เมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) โดยใน Module 3 เรื่อง "Hydrogen use in internal cumbustion engines" ในหัวข้อ 3.2 (รูปที่ ๑) มีการกล่าวถึงคุณสมบัติการเผาไหม้ของไฮโดรเจน ซึ่งบรรยายให้เห็นถึงปัญหาและข้อควรระวังในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (เครื่องเบนซิน) แต่การทำความเข้าใจเนื้อหาตรงนี้จำเป็นต้องมีพื้นฐานความรู้เกี่ยวกับเครื่องยนต์เบนซินและทางเคมี ดังนั้นวันนี้ก็เลยขอเอาเฉพาะหัวข้อนี้มาขยายความเพื่อให้ผู้อ่านสามารถทำความเข้าใจได้ดีขึ้น

รูปที่ ๑ หัวข้อ 3.2 ของ Module 3 ที่เกี่ยวกับคุณสมบัติการเผาไหม้ของไฮโดรเจน

เอกสารชุดนี้แยกเป็นไฟล์ pdf จำนวน ๑๑ ไฟล์ตามจำนวน Module เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้สามารถดาวน์โหลดเอกสารต้นฉบับได้ที่ https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf

ต่อไปจะเป็นการขยายความหัวข้อย่อยแต่ละข้อเรียงลำดับไป

- Wide range of flammability

Flammability คือช่วงความเข้มข้นของสารในอากาศที่สามารถลุกติดไฟได้ เมื่อโมเลกุลเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งเริ่มเกิดการเผาไหม้ ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาต้องมากพอที่จะไปกระตุ้นให้โมเลกุลเชื้อเพลิงโมเลกุลอื่นเกิดปฏิกิริยาตามมา และถ้าปฏิกิริยาเกิดต่อเนื่องไปได้เรื่อย ๆ ก็จะเกิดการเผาไหม้ขึ้น

ในกรณีที่ความเข้มข้นเชื้อเพลิงต่ำเกินไป ความร้อนที่เชื้อเพลิงที่เริ่มเกิดการเผาไหม้คายออกมาจะไม่เพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เลี้ยงตัวเองได้ ในทางตรงกันข้ามถ้าความเข้มข้นเชื้อเพลิงสูงเกินไป ออกซิเจนในอากาศจะไม่เพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เลี้ยงตัวเองได้

ไฮโดยเจนมีช่วง flammability ระหว่าง 4 - 75 vol% ส่วนน้ำมันเบนซินจะอยู่ระหว่าง 1.4 - 7.6 vol% ช่วงความเข้มข้นที่มีอากาศมากเกินพอสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์เรียกว่า "ส่วนผสมบาง" หรือ "lean" ช่วงความเข้มข้นที่มีอากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์เรียกว่า "ส่วนผสมหนา" หรือ "rich" ความเข้มข้นที่ปริมาณออกซิเจนในส่วนผสมสามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงได้พอดีในทางทฤษฎี (คือออกซิเจนมากพอที่จะเปลี่ยนคาร์บอนเป็น CO₂ และไฮโดรเจนเป็น H₂O โดยไม่มีออกซิเจนเหลือ) เรียกว่า "stoichiometric ratio"

เครื่องยนต์ดีเซลทำงานในช่วงปริมาณอากาศมากกว่าปริมาณที่สามารถทำให้น้ำมันเผาไหม้ได้สมบูรณ์ (แต่ที่มันเกิดควันดำได้ก็เพราะมันมีเรื่องการผสมเข้ากับอากาศที่ไม่ดีและเผาไหม้ยังไม่ทันหมดก็ถูกไล่ออกจากกระบอกสูบแล้ว) ส่วนเครื่องยนต์เบนซินในยุคก่อนจะบังคับติดตั้งเครื่องกรองไอเสีย (catalytic converter) ถ้าเป็นช่วงเร่งเครื่องก็จะทำงานที่ส่วนผสมหนา ถ้าเป็นช่วงขับรถใช้ความเร็วคงที่ (เช่นบนทางหลวง) ก็จะทำงานที่ส่วนผสมบาง แต่พอต้องติดเครื่องกรองไอเสียแล้วก็ต้องบังคับให้ทำงานที่ส่วนผสม stoichiometric ratio

การที่เชื้อเพลิงสามารถเผาไหม้ได้ด้วยส่วนผสมที่บางก็มีข้อดีบางประการเช่น ติดเครื่องได้ง่ายเมื่ออากาศเย็น (ตรงนี้มักจะเป็นปัญหาของเชื้อเพลิงเหลวเพราะต้องใช้การระเหยให้กลายเป็นไอก่อน), ประหยัดเชื้อเพลิง แต่จะใช้ส่วนผสมได้บางแค่ไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าต้องการพลังงานเท่าใด ถ้าต้องการพลังงานมากก็ต้องใช้เชื้อเพลิงในปริมาณมากขึ้น

- Low ignition energy

ส่วนผสมที่มีความเข้มข้นของเชื้อเพลิงอยู่ในช่วง flammability limit จะสามารถลุกติดไฟได้ถ้าได้รับพลังงานกระตุ้น โดยพลังงานกระตุ้นนั้นอาจมาในรูปของ ความร้อน (การทำให้ส่วนผสมทั้หงมดร้อนขึ้น), เปลวไฟ, ตัวเร่งปฏิกิริยา, พื้นผิวโลหะร้อนเช่นขดลวดความร้อน, หรือประกายไฟ ในหัวข้อนี้เป็นเรื่องของการใช้ประกายไฟในการจุดระเบิด ซึ่งก็คือการใช้หัวเทียนจุดระเบิด

ค่าพลังงานที่ใช้ในการจุดส่วนผสม อากาศ + ไฮโดรเจน ให้ลุกติดไฟนั้นมีค่าน้อยกว่าค่าพลังงานที่ใช้ในการจุดส่วนผสม อากาศ + น้ำมันเบนซินประมาณ 10 เท่า (ในบทความใช้คำว่า one order of magnitude) พลังงานกระตุ้นที่ต่ำนี้ทำให้สามารถจุดติดไฟได้ง่าย (ถ้าเป็นรถยนต์ก็คือสตาร์ทติดง่าย) แต่ก็มีข้อเสียคือถ้าไปสัมผัสกับพื้นผิวที่ร้อนจัด (หรือจุด hot spot) ในเครื่องยนต์ ส่วนผสมดังกล่าวก็จะชิงติดไฟขึ้นเอง ซึ่งตรงนี้จะก่อปัญหาในการเผาไหม้ได้ เพราะการเผาไหม้เชื้อเพลิงในกระบอกสูบนั้น ส่วนผสมที่ยังไม่เผาไหม้ต้องรอให้เปลวไฟที่แผ่กระจายมาจากหัวเทียนเป็นตัวจุดระเบิด เพื่อให้หน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่ออกไปในทิศทางเดียวกัน

ข้อเสียอีกข้อหนึ่งของไฮโดรเจนคือ โลหะบางชนิดเช่นพลาทินัม (Pt) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้ไฮโดรเจนเกิดการเผาไหม้ได้ และหัวเทียนบางชนิดก็มีการใช้พลาทินัมทำเขี้ยวหัวเทียน ดังนั้นหัวเทียนที่ใช้ในการจุดระเบิดส่วนผสมไฮโดรเจนจึงต้องไม่มีโลหะที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำให้ส่วนผสมลุกติดไฟได้เองโดยไม่พึ่งประกายไฟที่เขี้ยวหัวเทียน

- Small quenching distance

ในการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้น จะทำการผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าเป็นเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงให้นส่วนผสมนี้ไหลเข้ากระบอกสูบผ่านทางวาล์ไอดี (intake valve) ที่เปิดอยู่ จากนั้นจึงทำการอัดส่วนผสมให้มีปริมาตรเล็กลงก่อนที่จะทำการจุดระเบิด

เมื่อเริ่มเกิดการเผาไหม้ เปลวไฟจะแผ่กระจายออกไปจากเขี้ยวหัวเทียน แต่เมื่อเปลวไฟเข้าไปใกล้กับผนังโลหะ (ไม่ว่าจะเป็น ลูกสูบ, ผนังกระบอกสูบ) เปลวไฟจะดับเนื่องจากสูญเสียความร้อนให้กับผนัง (คือเปลวไฟไม่เข้าไปสัมผัสกับผนัง) ระยะทางจากผนังถึงตำแหน่งที่เปลวไฟดับนี้คือ quenching distance

ไฮโดรเจนมีค่า quenching distance นี้ที่เล็ก กล่าวคือเปลวไฟไฮโดรเจนจะดับใกล้กับผนังมากกว่าเปลวไฟไฮโดรคาร์บอน สิ่งนี้อาจก่อให้เกิดปัญหาได้คือถ้าวาล์วไอดีนั้นไม่ได้ปิดสนิท เปลวไฟมีโอกาสสูงที่จะวิ่งย้อนออกทางท่อไอดีที่เรียกว่าเกิด "back fire" ได้

- High autoignition temperature

Autoignition temperature คืออุณหภูมิที่สารนั้นสามารถลุกติดไฟได้เองโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากเปลวไฟหรือประกายไฟ ตัวอย่างเช่นค่า autoignition temperature ของน้ำมันเบนซินอยู่ที่ประมาณ 280ºC ส่วนของน้ำมันดีเซลอยู่ที่ประมาณ 210ºC น้ำมันสองตัวนี้ถ้าต่างมีอุณหภูมิ 220ºC ถ้ารั่วออกจากระบบท่อสัมผัสกับอากาศที่อยู่ภายนอก น้ำมันดีเซลจะลุกติดไฟทันที ในขณะที่น้ำมันเบนซินจะไม่ลุกติดไฟ ค่า autoignition temperature ของแต่ละสารที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างในการวัด ดังนั้นอย่าแปลกใจถ้าพบว่าค่าที่ค้นได้จากแต่ละแหล่งนั้นไม่เท่ากัน อย่างเช่นกรณีของไฮโดรเจน ค่าที่มีรายงานไว้ที่เห็นก็อยู่ในช่วง 535-585ºC

เชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมินี้สูงจะเหมาะกับเครื่องยนต์เบนซิน เพราะในระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นความดันและอุณหภูมิในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้น เชื้อเพลิงจะต้องไม่ชิงลุกติดไฟเอง ต้องรอจนกว่าเปลวไฟที่แผ่มาจากหัวเทียนวิ่งมาถึง ด้วยเหตุนี้ไฮโดรเจนจึงเหมาะกับเครื่องยนต์เบนซิน แต่ไม่เหมาะกับเครื่องยนต์ดีเซล เพราะเครื่องยนต์ดีเซลนั้นทำงานด้วยการอัดอากาศให้ร้อน และเมื่อฉีดน้ำมันเข้าไป น้ำมันจะต้องเกิดการเผาไหม้ทันที ดังนั้นเชื้อเพลิงที่เหมาะกับเครื่องยนต์ดีเซลจึงควรต้องมีค่า autoignition temperature นี้ต่ำ

- High flame speed at stoichiometric ratios

ในทางทฤษฎี ในกรณีของวัฎจักรการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้น (OTTO cycle) เมื่อเกิดการจุดระเบิด ความดันในห้องเผาไหม้จะเพิ่มสูงขึ้นทันที (กราฟตั้งในแนวดิ่ง) ในขณะที่ปริมาตรคงที่ ไฮโดรเจนกับอากาศที่ stoichiometric ratio จะมีค่าความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟนี้สูงมาก ประมาณ 10 เท่าของเปลวไฟที่เกิดจากไฮโดรคาร์บอน (ในบทความใช้คำว่า one order of magnitude) ทำให้เครื่องยนต์ไฮโดรเจนนั้นสามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับวัฏจักรในอุดมคติ แต่ถ้าส่วนผสมบางลง ความเร็วในการเผาไหม้ก็จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

กล่าวคือในทางทฤษฎี ประสิทธิภาพการทำงานของวัฏจักรในอุดมคติจะมีค่ามากที่สุด แต่ในทางปฏิบัตินั้นจะมีการเบี่ยงเบนออกไป ทำให้ประสิทธิภาพจริงนั้นต่ำกว่า ดังนั้นถ้าสามารถทำให้เครื่องยนต์สามารถทำงานใกล้กับวัฎจักรในอุดมคติได้มากเท่าใด ประสิทธิภาพก็จะยิ่งมากขึ้น

แต่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟสูง ๆ ก็ใช้ว่าจะดี ความเร็วในการเคลื่อนที่ที่ต่ำกว่าความเร็วเสียงจะเรียกว่าเป็น "deflagration" แต่ปฏิกิริยาการเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเอง เพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขี้น ดังนั้นเมื่อเปลวไฟเคลื่อนที่ออกไปก็จะเร่งความเร็วขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วนี้เร็วผ่านความเร็วเสียง ก็จะกลายเป็น "detonation" ที่มีอำนาจการทำลายล้างสูงกว่า

- High diffusivity

ความสามารถในการแพร่จะลดลงเมื่อมวลโมเลกุลสารเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำสุด จึงสามารถแพร่ได้เร็วที่สุด ซึ่งก็มีตรงที่เวลาฉีดแก๊สไฮโดรเจนผสมเข้ากับอากาศ ส่วนผสมจะกลายเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างรวดเร็ว

แต่การที่มันมีโมเลกุลเล็กและแพร่ได้ง่ายบางทีก็อาจเป็นข้อเสียได้ คือมันสามารถรั่วได้ง่าย ตรงนี้ดูได้จากลูกโป่งสวรรค์ที่ทำจากยาง ที่ในวันแรกจะยังคงลอยได้ดีอยู่ แต่พอวันรุ่งขึ้นมันก็เล็กลง ในกรณีของไฮโดรเจนนั้นเชื้อเพลิงส่วนที่ไม่เผาไหม้ อาจหลุดรอดผ่านแหวนลูกสูบเข้าไปสะสมอยู่ในห้องข้อเหวี่ยง (crankcase) ของเครื่องยนต์ได้ และด้วยการที่ไฮโดรเจนต้องการพลังงานที่ไม่สูงในการจุดระเบิด ดังนั้นจุดร้อนจัด (hot spot) ในห้องข้อเหวี่ยงก็อาจทำให้ไฮโดรเจนที่สะสมอยู่นั้นเกิดการระเบิดได้ ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจึงควรต้องมีวาล์วระบายความดันเพื่อระบายความดันออกจากห้องข้อเหวี่ยงด้วย

- Very low density

ด้วยการที่ไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่ำมาก (และไม่สามารถใช้ความดันอัดให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้) ก่อให้เกิดปัญหาเรื่องการกักเก็บเพื่อให้มีปริมาณมากเพียงพอสำหรับระยะการเดินทาง นอกจากนี้แม้ว่าไฮโดรเจนมีค่าพลังงานต่อหน่วย "น้ำหนัก" ที่สูงกว่าเชื้อเพลิงอื่น แต่ค่าพลังงานต่อหน่วย "ปริมาตร" นั้นต่ำกว่ามาก (รูปที่ ๓) ส่งผลให้พลังงานที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นต่ำกว่า

การพิจารณาว่าเครื่องยนต์ชนิดหนึ่งจะเหมาะสมกับการใช้งานหรือไม่โดยดูเพียงแค่กำลังที่เครื่องยนต์ผลิตได้นั้นไม่เพียงพอ ในกรณีของยานพาหนะเช่นรถยนต์ ควรต้องพิจารณากำลังที่ได้ต่อหน่วยน้ำหนัก (หรือปริมาตร) ของ เครื่องยนต์ + ระบบเก็บ-เติม-จ่ายเชื้อเพลิง ด้วย เพราะรถยนต์นั้นมีพื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ที่จำกัด ดังจะเห็นได้จากรถยนต์ที่ใช้แก๊สมีเทนเป็นเชื้อเพลิง ที่ต้องติดตั้งถังบรรจุแก๊สความดันสูงที่มีน้ำหนักมากและจะกินพื้นที่ติดตั้งมากถ้าหากต้องการให้วิ่งได้ระยะทางเท่ากับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินด้วยการเติมเชื้อเพลิงเพียงครั้งเดียว (คือถ้าแก้ปัญหาด้วยการติดตั้งถังแก๊สเพิ่ม ก็จะสูญเสียพื้นที่ใช้สอยด้านอื่นแทน)

 

รูปที่ ๒ ความหนาแน่นพลังงานต่อหน่วยน้ำหนัก (แกนนอน) และต่อหน่วยปริมาตร (แกนตั้ง) ของเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ (รูปจาก https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage)

- การเกิด Nitrogen oxide (NO)

หัวข้อนี้ไม่มีอยู่ในเอกสารที่กล่าวถึงในตอนต้นเรื่อง แต่เห็นว่าควรที่จะนำมารวมเอาไว้ในที่นี้ด้วย นั่นก็คือองค์ประกอบของแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนมักจะได้รับการกล่าวอ้างว่าเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่ผลิตมลพิษเพราะไม่ผลิต CO₂ แต่ในความเป็นจริงด้วยอุณหภูมิที่สูงของการเผาไหม้ จะทำให้ไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศรวมตัวกันเป็นไนโตรเจนออกไซด์ (NO) และปริมาณที่เกิดขึ้นก็ไม่ได้น้อยไปกว่าที่เกิดจากเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ (ซ้าย) ความเข้มข้นไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในไอเสียของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน (ขวา) ความเข้มข้น ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx), คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่เผาไหม้ (HC) ในไอเสียของเครื่องยนต์เบนซิน เนื่องจากสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์หลายขนิด (สัดส่วนไนโตรเจนและออกซิเจนต่างกัน) จึงเรียกรวม ๆ กันว่า NOx (เมื่อ x เป็นตัวเลข) โดยตัวหลักที่มีมากที่สุดคือ NO (จากบทความเรื่อง "Hydrogen use in internal combustion engine : A review" โดย Murat CINIVIZ และ Huseyin KOSE ในวารสาร International Journal of Automotive Engineering and Technologies, Vol 1, Issue 1, pp. 1-15, 2012)

ในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินนั้นสามารถใช้ catalytic converter เพื่อทำให้ CO และไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับ NO เพื่อเปลี่ยน NO ให้กลายเป็นไนโตรเจนได้ (โดย CO และไฮโดรคาร์บอนจะกลายเป็น CO₂ และน้ำไป) แต่ไอเสียของครื่องยนต์ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจะไม่มีสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ NO ได้ จำเป็นต้องใช้วิธีการอื่นแทน เช่นการใช้ระบบ Exhaust gas recirculation (EGR) เช่นกรณีของที่ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๑๒) MO Memoir : Tuesday 23 April 2567

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

เว้นเรื่องนี้ไปหลายเดือนเพิ่งจะมีเวลากลับมาเขียนตอน ตอนนี้เริ่มหัวข้อที่ 4 ที่เกี่ยวกับถังเก็บที่มีระบบทำความเย็น (Refrigerated tank) ทั้งแบบอยู่เหนือระดับพื้นดิน (Aboveground) และต่ำกว่าระดับพื้นดิน (Belowground)

Refrigerated tank จะใช้ในการเก็บแก๊สที่ไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว และต้องการเก็บในปริมาณมาก (คือถ้าต้องการเก็บในปริมาณไม่มากก็จะใช้การเก็บในถังความดันสูงแทน) เช่นไฮโดรคาร์บอน C1-C2 ที่ไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว หรือแก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) ที่แม้ว่าจะสามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว แต่ถ้าต้องการเก็บในปริมาณที่มาก การใช้ Refrigerated tank ขนาดใหญ่เก็บที่ความดันบรรยากาศ แทนการใช้ถังเก็บความดันสูงหลายลูกก็อาจเหมาะสมกว่า

รูปที่ ๑ ตัวอย่างโครงสร้างของ Refrigerated tank และระบบทำความเย็น (รูปจาก https://www.arab-oil-naturalgas.com/storage-tanks-types/)

รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างโครงสร้างของ Refrigerated tank ในรูปนี้ตัวถังเก็บจะมีผนังสองชั้น โดยระหว่างผนังชั้นนอกและผนังชั้นใน ทั้งทางด้านข้างและพื้น จะมีการติดตั้งฉนวนกันความร้อน ความร้อนที่รั่วไหลเข้าไปในถังจะทำให้ของเหลวในถังเดือดกลายเป็นไอ ซึ่งจะมีระบบนำกลับไอระเหยนี้ไปควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวใหม่และป้อนกลับเข้าถัง

รูปที่ ๒ หัวข้อ 4.1

รูปที่ ๒ เป็นหัวข้อ 4.1 โดยในหน้าแรกกล่าวไว้ว่าถังเก็บผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมเหลวที่มีระบบทำความเย็นอาจเป็นถังในรูปแบบใดได้บ้าง (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๓ และ ๔ ประกอบ) ส่วนย่อหน้าที่สองกล่าวว่าหัวข้อที่ 5. ครอบคลุมการระบายความดันในการทำงานปรกติและสภาวะฉุกเฉิน และมาตรฐานนี้ไม่ครอบคลุมกรณีถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (LNG) ส่วนย่อหน้าที่สามกล่าวว่าสาเหตุที่ทำให้ความดันสูงเกินหรือเกิดสุญญากาศที่กล่าวไว้ในหัวช้อที่ 3. ควรนำมาพิจารณาด้วย ยกเว้นที่หมายเหตุไว้ในหัวข้อ 4.2.1 นอกจากนี้หัวข้อที่ 4. นี้ยังครอบคลุมครอบคลุมที่มาของการเกิดความดันสูงเกินใน Refrigerated tank ด้วย

รูปที่ ๓ ตัวอย่างโครงสร้างถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (LNG) ที่มีการถมดินรอบผนังด้านนอกของตัวถัง ทำให้เหมือนกับว่าถังนั้นถูกฝังดินอยู่ (รูปจากเอกสาร "Comparative Safety Analysis of LNG Storage Tanks" จัดทำโดย B.A. Fecht และคณะ เผยแพร่เดือนกรกฏาคม ค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕)

 รูปที่ ๔ ตัวอย่างโครงสร้างถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (LNG) ชนิด aboverground ด้านซ้ายตัวโดมหลังคาเป็นผนังสองชั้น ส่วนด้านขวาตัวโดมหลังคาเป็นผนังชั้นเดียว แต่จะมี "Suspended insulating deck" แขวนห้อยต่ำลงมาที่ระดับบนสุดของส่วนลำตัวทรงกระบอก (รูปจากเอกสาร "Comparative Safety Analysis of LNG Storage Tanks" จัดทำโดย B.A. Fecht และคณะ เผยแพร่เดือนกรกฏาคม ค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕)

รูปที่ ๕ เริ่มหัวข้อ 4.2 ที่กล่าวถึงสาเหตุของการเกิดความดันสูงเกินและสุญญากาศ

หัวข้อ 4.2.1 กล่าวถึงแนวปฏิบัติที่มีการปรับปรุง

หัวข้อ 4.2.1.1 ย่อหน้าแรกกล่าวว่าในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็น ให้พิจารณาสาเหตุของการเกิดความดันสูงเกินและสุญญากาศทั้งหมดที่กล่าวไว้ในหัวข้อ 3. (ถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็น) เว้นแต่ที่มีการระบุไว้ในช่วงต่อไป

สำหรับสถานการณ์การระบายความดัน อัตราการไหลของไอ/แก๊สที่คำนวณ ควรต้องเป็นที่สภาวะความดันและอุณหภูมิที่แท้จริงของที่ว่างที่เป็นไอเหนือผิวของเหลว ค่าอัตราการไหลที่คำนวณได้นี้จะถูกเปลี่ยนไปเป็นอัตราการไหลเทียบเท่าของอากาศที่สภาวะปรกติหรือสภาวะมาตรฐาน ภาคผนวก D.9 ให้ข้อมูลเพิ่มเติมสำหรับการเปลี่ยนหน่วย

รูปที่ ๕ หัวข้อ 4.2 - 4.2.1.1

ในมาตรฐานใช้คำว่า "normal" และ "standard" conditions แยกจากกัน เพราะมันนิยามที่ความดันและอุณหภูมิแตกต่างกัน ในหัวข้อที่ 2. ที่เกี่ยวกับนิยามและคำจำกัดความ ข้อย่อย 2.8 กำหนดค่า normal cubic meters per hours ที่อุณหภูมิ 0ºC ความดัน 101.3 kPa ข้อย่อย 2.21 กำหนดค่า standard cubic feet per hour ที่อุณหภูมิ 15.6ºC (หรือ 60ºF) ความดัน 101.3 kPa (14.7 kPa) ตรงนี้เวลาเอาไปใช้งานจริงก็ต้องตกลงกันให้ดีด้วยว่าจุดอ้างอิงใช้อุณหภูมิและความดันเท่าใด)

รูปที่ ๖ หัวข้อ 4.2.1.2

รูปที่ ๖ เป็นหัวข้อ 4.2.1.2 ที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศ โดยในย่อหน้าแรกกล่าวว่าการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของความดันบรรยากาศภายนอกไม่ส่งผลต่อถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็นอย่างมีนัยสำคัญ แต่ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นจะแตกต่างกัน เพราะมันเก็บของเหลวที่อุณหภูมิใกล้กับ "จุดเดือด"

กล่าวคือสำหรับของเหลวที่มีอุณหภูมิตรงจุดเดือดนี้ ถ้าหากความดันเหนือผิวของเหลวลดลง ของเหลวก็จะเดือดกลายเป็นไอจำนวนมากได้ทันที ส่งผลในความดันในถังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วได้ ในทางกลับกันถ้าความดันเหนือผิวของเหลวเพิ่มขึ้น ไอระเหยเหนือผิวของเหลวก็จะควบแน่นเป็นของเหลวได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ความดันลดต่ำลงได้อย่างรวดเร็ว

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่า ถ้าความดันในถังเท่ากับความดันใช้งานสูงสุด ความดันบรรยากาศภายนอกที่ลดลงจะทำให้เกิดความดันสูงเกินขึ้นในถังอันเกิดจากการขยายตัวของไอในปริมาตรปิดของที่ว่างส่วนที่เป็นไอ (V_AG) และจากการระเหยของของเหลว (V_AL) (ในข้อความใช้คำว่า "overheat" ซึ่งตรงนี้คงต้องเทียบกับความดันเหนือผิวของเหลว เช่นที่ความดันบรรยากาศน้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100ºC แต่ถ้าความดันเหนือผิวน้ำลดลง อุณหภูมิจุดเดือดของน้ำจะลดต่ำลง ดังนั้นแม้ว่าน้ำนั้นจะมีอุณหภูมิ 100ºC เท่าเดิม แต่มันจะเป็นน้ำที่มีอุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันค่าใหม่ที่ต่ำกว่า) และในทำนองเดียวกัน สภาวะสุญญากาศจะเกิดขึ้นภายในถังได้ถ้าหากความดันบรรยากาศภายนอกเพิ่มสูงขึ้น

ย่อหน้าที่สามกล่าวว่าอัตราการไหลเนื่องจากการขยายตัวของส่วนที่เป็นไอ ภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิจริงของปริมาตรปิดล้อมของส่วนที่เป็นไอนั้น (V_AG) สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการที่ (18) โดยที่

V_tk คือปริมาตรความจุแก๊สสูงสุดของถังเปล่า หน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร (m³)

p คือความดันสัมบูรณ์ หน่วยเป็นปาสคาล (Pa)

(dp_atm/dt) คือค่าสัมบูรณ์ของอัตราการแปรเปลี่ยนความดันบรรยากาศ หน่วยเป็นปาลคาลต่อชั่วโมง (Pa/hr)

การประมาณค่าอัตราการไหลเนื่องจากการเดิอดของของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงเกินจุดเดือดที่ความดันนั้น (V_AL) อาจใช้วิธีการที่ให้ไว้ในหัวข้อ 4.2.1.3 ในการคำนวณสัดส่วนของของเหลว (X_gas) ที่ระเหยกลายเป็นไอทันที (เมื่อความดันเหนือผิวของเหลวที่กำลังเดือดนั้นลดต่ำลง จะทำให้ของเหลวส่วนหนึ่งระเหยกลายเป็นไอทันที การระเหยกลายเป็นไอนี้จะดึงความความร้อนที่อยู่ในตัวของเหลวออก (ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ) ทำให้ของเหลวที่เหลืออยู่นั้นเย็นตัวลงได้)

สมการที่ (19) เป็นสมการสำหรับคำนวณค่าอัตราการไหลรวม (V_A) ที่เกิดจากการขยายตัวของส่วนที่เป็นไอและที่เกิดจากการเดือดกลายเป็นไอของของเหลวอย่างทันทีทันใด

ท้ายสุดของหัวข้อนี้กล่าวว่าควรนำเอาข้อมูลท้องถิ่นในเรื่องอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศมาใช้ และในกรณีที่ไม่มีข้อมูลดังกล่าวก็อาจสมมุติโดยใช้ค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศ 2000 Pa/hr (0.3 psi/hr) โดยมีค่าการเปลี่ยนแปลงรวมอยู่ที่ 10 kPa (1.5 psi)

ต่อไปเป็นหัวข้อ 4.2.1.3 (รูปที่ ๗) ที่เกี่ยวกับการไหลเข้าออกของของเหลว

ย่อหน้าแรกกล่าวว่าการระบายแก๊สเข้าหรือออกอันเป็นผลจากการไกลเข้าออกของของเหลวในส่วนของถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็นนั้นได้กล่าวไว้ในหัวข้อที่ 3.3.2.2 ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นนั้น ผู้ใช้ควรประเมินปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ระเหยกลายเป็นไอทันที (flash) เมื่อมีการไหลเข้าถังเก็บ การระเหยกลายเป็นไอทันทีเมื่อมีของเหลวป้อนเข้าถังเก็บจะมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิของของเหลวนั้นอยู่ที่หรือสูงกว่าอุณหภูมิจุดเกิดฟอง (bubble point) หรืออุณหภูมิจุดเดือด (boiling point) ที่ความดันภายในถัง ในการนี้ควรต้องคำนวณปริมาณการระเหยกลายเป็นไอทันทีเมื่ออุณหภูมินั้นอยู่ใกล้จุดเกิดฟอง ไอระเหยที่เกิดขึ้นระหว่างการเติมของเหลวเข้าถังนั้นอาจเกิดได้จาก การเติมของเหลวที่อุ่นเข้าไปในถัง, ความร้อนที่รั่วไหลเข้าไปผ่านระบบท่อ, การทำงานของปั๊ม, การเย็นลงของถังและท่อเติมของเหลว และไอระเหยนั้นจะถูกแทนที่ด้วยของเหลวที่ไหลเข้ามา ปริมาณของเหลวที่จะกลายเป็นไอทันทีควรต้องมาจากการคำนวณไม่ใช่การสมมุติ

ของเหลวบริสุทธิ์ (และของเหลวผสมบางชนิดที่เรียกว่า azeotrope) จะเดือดกลายเป็นไอที่อุณหภูมิคงที่ที่เรียกว่าจุดเดือด (boiling point) ของเหลวที่ประกอบด้วยหลายสารที่มีจุดเดือดต่างกันผสมกันอยู่ เช่นน้ำมันเชื้อเพลิง เวลาที่เพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อย ๆ องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำระเหยเหยออกมาก่อนกลายเป็นฟองเกิดขึ้น อุณหภูมิที่ทำให้เกิดฟองนี้เรียกว่าจุดเกิดฟองหรือ bubble point

รูปที่ ๗ หัวข้อ 4.2.1.3

ในทางกลับกันในกรณีของไอผสมที่ประกอบด้วยสารที่มีจุดเดือดต่างกันหลายชนิดผสมกันอยู่ เวลาที่ไอนั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลง องค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงสุดจะควบแน่นออกมาก่อน อุณหภูมิที่ทำให้ไอนั้นเริ่มควบแน่นเป็นของเหลวเรียกว่าจุดน้ำค้าง (dew point)

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่าถ้าผลิตภัณฑ์ที่เก็บอยู่นั้นอยู่ที่สภาวะสมดุล (อุณหภูมิที่จุดเดือด) สัดส่วนของของเหลวที่ระเหยกลายเป็นไอทันที (X_gas) อันเป็นผลจากอุณหภูมิก่อนการขยายตัวที่สูงกว่าอุณหภูมิจุดเกิดฟองของของเหลวที่เก็บอยู่ อาจประมาณได้ด้วยสมการอย่างง่ายที่แสดงไว้ในสมการที่ (20) โดยที่

C_p คือค่าความจุความร้อนของของเหลว (หน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัม-เคลวิน J/kg.K)

T₂ คืออุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวนั้นที่ความดันของถัง (หน่วยเป็นเคลวิน K)

T₁ คืออุณหภูมิของของเหลวก่อนการขยายตัว (หน่วยเป็นเคลวิน K)

L คือค่าความร้องแฝงของการระเหยกลายเป็นไอ (หน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัม J/kg)

จากนั้นจะสามารถคำนวณอัตราการเกิดไอ (หน่วยเป็นมวลต่อหน่วยเวลา V_F) ได้จากสมการที่ (21) โดยที่ m_pf คืออัตราการเติมในหน่วยมวลต่อหน่วยเวลา

ในกรณีที่ไม่มีข้อมูลที่ถูกต้อง (คือค่า C_p กับ L) สำหรับการลดลงของความดันสัมบูรณ์ที่เท่ากับหรือน้อยกว่า 100 kPa สามารถใช้ค่า C_p กับ L ที่ให้ไว้ข้างล่าง และใช้สมการที่ (22) (กรณีของหน่วย SI) หรือสมการที่ (23) (กรณีของหน่วย USC) แทน

โดยที่ (p₂ - p₁) คือค่าการเปลี่ยนแปลงความดันสัมบูรณ์ของผลิตภัณฑ์ระหว่างความดันเก็บเริ่มต้น (p₁) และความดันสุดท้าย (p₂)

ย่อหน้าสุดท้ายของหัวข้อนี้กล่าวว่าขนาดที่เหมาะสมและการออกแบบระบบทำความเย็นและระบบเก็บรวบรวมไอ ควรต้องป้องกันการเกิดสุญญากาศหรือความดันสูงเกินอันเป็นผลจากการเคลื่อนที่เข้าออกถังของของเหลว แต่ค่าที่ได้มานี้ไม่ควรเอาไปใช้ในการออกแบบระบบป้องกันสุญญากาศ/ระบายความดัน (ดูกรณีการสูญเสียระบบทำความเย็นในหัวข้อ 4.2.2.2)

รูปที่ ๘ หัวข้อ 5.2.1.4

หัวข้อ 4.2.1.4 (รูปที่ ๘) กล่าวถึงกรณีของถังถูกไฟลน โดยในย่อหน้าแรกกล่าวไว้ว่าในหัวข้อ 3.3.3 ได้บรรยายถึงความสามารถในการระบายความดันที่เกี่ยวข้องกับการที่ด้านนอกของถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็นโดนไฟลน ซึ่งควรนำแนวทางนั้นมาใช้ในการคำนวณความสามารถในการระบายความดัน แต่มีข้อแม้ว่าไม่ควรนำวิธีที่แสดงในหัวข้อ 3.3.3.3 มาใช้เนื่องจากในกรณีนั้นอิงว่าของเหลวในถังเป็นเฮกเซนหรือผลิตภัณฑ์อื่นที่คล้ายคลึงกัน

ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นที่มีผนังสองชั้น ความร้อนที่รั่วไหลเข้ามาจากไฟ เริ่มแรกจะทำให้ไอที่อยู่ในที่ว่างระหว่างผนังสองชั้น (ของลำตัวถัง) ขยายตัว (คือที่ว่างระหว่างผนังสองชั้นจะมีวัสดุฉนวนความร้อนบรรจุอยู่ และมีไอบางส่วนอยู่ในนี้) อย่างไรก็ตามในกรณีของ ความร้อนที่รั่วไหลเข้ามายังทำให้ไอที่อยู่ในที่ว่างใต้หลังคาของถังผนังสองชั้นชนิด "suspended deck" (รูปที่ ๔ ขวา) ขยายตัว อย่างไรก็ตามอาจกินเวลานานหลายชั่วโมงก่อนที่ความร้อนที่รั่วไหลเข้าไปในถังนั้นจะทำให้ของเหลวที่บรรจุอยู่ในถังนั้นมีอัตราการระเหยเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (คือถ้าเป็นถังเก็บแบบไม่มีระบบทำความเย็น ถังเก็บจะเป็นผนังชั้นเดียว สิ่งที่กั้นระหว่างของเหลวที่บรรจุอยู่ในถังกับด้านนอกคือผนังโลหะชั้นเดียว แต่ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นที่มีผนังสองชั้นนั้น ของเหลวจะสัมผัสกับด้านในของผนังชั้นในที่ทำหน้าที่บรรจุของเหลว โดยมีวัสดุฉนวนความร้อนแทรกกลางระหว่างผนังด้านในกับด้านนอก ดังนั้นความร้อนจากเปลวไฟที่ลนผนังโลหะด้านนอกจึงเข้าไปถึงของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในได้ยากกว่า)

ดังนั้นความสามารถในการระบายความดันที่เพิ่มขึ้นที่ต้องใช้นั้น (กรณีการระเหยที่เพิ่มขึ้นของเหลวที่บรรจุอยู่) จะมีค่าไม่มากเมื่อเทียบกับความสามารถในการระบายความดันเริ่มต้นที่เกิดจากการขยายปริมาตรของไอ (ที่อยู่ระหว่างผนังถังและใต้หลังคา) ด้วยเหตุนี้การออกแบบระบบระบายความดันฉุกเฉินของถังเก็บผนังสองชั้นที่มีระบบทำความเย็นจึงค่อนข้างซับซ้อน จึงไม่มีการนำเสนอวิธีการคำนวณไว้ในที่นี้ ดังนั้นจึงควรต้องทำการวิเคราะห์การระบายความดันเนื่องจากไฟของถังเก็บผนังสองชั้นที่มีระบบทำความเย็นอย่างทั่วถึง รวมทั้งการทบทวนความแข็งแรงของโครงสร้างของส่วนที่ไม่เปียกของเหลวของตัวผนังด้านนอก

คือในกรณีของถังเก็บผนังชั้นเดียวที่ด้านหนึ่งของผนังถังนั้นสัมผัสกับของเหลว แม้ว่าด้านนอกของถังจะโดนไฟลน แต่อุณหภูมิเนื้อโลหะจะอยู่ที่จุดเดือดของของเหลวที่บรรจุอยู่เพราะความร้อนที่เนื้อโลหะได้รับจะไปทำให้ของเหลวที่สัมผัสอยู่นั้นเดือด ดังนั้นผนังโลหะส่วนที่ยังสัมผัสกับของเหลวอยู่จะไม่ร้อนจัดและยังไม่สูญเสียความแข็งแรง แต่ในกรณีของถังเก็บผนังสองชั้นที่มีระบบทำความเย็นนั้น ฝั่งด้านในของผนังด้านนอกไม่ได้สัมผัสกับของเหลว เมื่อผนังด้านนอกโดยเปลวไฟลนก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว นำไปสู่ความสูญเสียความแข็งแรงของโครงสร้างได้

ตอนที่ ๑๒ คงพอแค่นี้ก่อน