ความดันในถังแก๊สหุงต้ม MO Memoir : Friday 24 August 2562

ไม่กี่วันก่อนหน้านี้ได้เห็นคำถามเกี่ยวกับความดันในถังแก๊สหุงต้มบนหน้าเว็บบอร์ดแห่งหนึ่ง (รูปที่ ๑ ข้างล่าง) ส่วนที่ว่าคำถามดังกล่าวมีคนตอบไว้อย่างไรบ้างในเว็บบอร์ดนั้น ก็ขอให้ลองค้นเอาเองก็แล้วกัน และอันที่จริงเรื่องนี้ก็เคยอธิบายไว้เมื่อหลายปีที่แล้ว

รูปที่ ๑ คำถามที่มีผู้ถามเกี่ยวกับความดันในถังแก๊สหุงต้ม

อย่างแรกที่ต้องทำความเข้าใจก่อนก็คือ เราสามารถใช้การเพิ่มความดันในการทำให้แก๊สเป็นของเหลวได้ แต่มีข้อแม้ก็คืออุณหภูมิที่เราทำการเพิ่มความดันนั้นต้อง "ต่ำกว่า critical temperature" ของแก๊สนั้น และแก๊สหุงต้ม (โพรเพน และบิวเทน) ที่เราใช้กันนั้นมี critical temperature สูงกว่าอุณหภูมิห้อง

ส่วนที่ว่าความดันในถังแก๊สหุงต้มจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเราดึงแก๊สออกมาใช้งาน และจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราอัดแก๊สหุงต้มลงถัง เรื่องนี้เคยอธิบายไว้ใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๖๒ วันศุกร์ที่ ๖ กันยายน ๒๕๕๖ เรื่อง "PV diagram กับการอัดแก๊ส" ซึ่งรูปที่ ๒ และ ๓ ก็นำมาจาก Memoir ฉบับดังกล่าว

รูปที่ ๒ สมมุติว่าในช่วงแรกความดันแก๊สหุงต้มในถังคือ P1 เมื่อเราดึงแก๊สหุงต้มออกมาใช้งาน (เราดึงตรงส่วนที่เป็นไอที่อยู่เหนือผิวของเหลว) ความดันเหนือผิวของเหลวจะลดลง แต่ของเหลวจะระเหยขึ้นมาชดเชยส่วนที่เป็นไอที่หายไป ดังนั้นความดันแก๊สในถัง (P2) จะยังคงเท่าเดิม (P2 = P1) แต่ปริมาตรส่วนที่เป็นไอจะเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่ปริมาตรส่วนที่เป็นของเหลวจะลดลง แต่ถ้าเมื่อใดก็ตามที่ไม่มีของเหลวเหลืออยู่ในถัง ความดันในถังก็จะลดลง (P3 < P1, P2)

รูปที่ ๓ การอัดแก๊สหุงต้มลงถัง สมมุติว่าเริ่มแรกเรามีแก๊สความดัน P4 อยู่ในถัง พอเราอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น ตราบเท่าที่ยังไม่มีการควบแน่น ความดัน P4 ในถังก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แต่พอความดันสูงถึงระดับหนึ่ง (P5) แก๊สบางส่วนจะเกิดการควบแน่นเป็นของเหลว จากจุดนี้แม้ว่าจะพยายามอัดความดันให้กับถังอีก ความดันในถัง (P6) ก็จะไม่เพิ่มสูงขึ้น เพราะส่วนที่เป็นไอจะกลายเป็นของเหลว ทำให้ปริมาตรเฟสของเหลวเพิ่มมากขึ้น ส่วนปริมาตรเฟสที่เป็นไอลดน้อยลง

รูปที่ ๔ กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (bar.g) กับอุณหภูมิ (C) ของ LPG ที่สัดส่วนผสม โพรเพน:บิวเทน ต่าง ๆ โดยน้ำหนัก (สัดส่วน 100:0 คือโพรเพนบริสุทธิ์ สัดส่วน 0:100 คือบิวเทนบริสุทธิ์) รูปนี้นำมาจาก Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๙๘ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ มกราคม ๒๕๖๑ เรื่อง "ถัง LPG ระเบิดจากการได้รับความร้อนสูงเกิน"

ข้อมูลจาก https://www.engineeringtoolbox.com/propane-butane-mix-d_1043.html

แก๊สที่ไม่สามารถอัดให้เป็นของเหลวได้ ณ อุณหภูมิที่ทำการเพิ่มความดันนั้น เราสามารถใช้ความดันในถังเป็นตัวบ่งบอกปริมาณแก๊สในถังได้ และโดยปรกติก็ทำกันอย่างนั้น เพราะพอถังต้องรับความดันสูง ถังก็จะมีน้ำหนักมากกว่าน้ำหนักแก๊สในถังมาก จึงยากที่จะใช้การชั่งน้ำหนักเป็นตัวบอกปริมาณแก๊สในถัง แต่สำหรับแก๊สที่ควบแน่นเป็นของเหลว ณ อุณหภูมิที่ทำการเพิ่มความดันได้นั้น (เช่นแก๊สหุงต้ม ณ อุณหภูมิห้อง) มันแตกต่างออกไป
  

เมื่อเราเริ่มเติมแก๊สหุงต้มลงถังเปล่านั้น เริ่มแรกความดันในถังจะเพิ่มขึ้น จนถึงระดับหนึ่งแก๊สจะควบแน่นเป็นของเหลว ต่อจากนั้นแม้ว่าเราจะเติมแก๊สหุงต้มลงไปในถังอีก แก๊สที่เติมเข้าไปก็จะควบแน่นเป็นของเหลว ความดันในถังก็จะไม่เพิ่มขึ้นทั้ง ๆ ที่ปริมาณแก๊ส (หรือน้ำหนักแก๊ส) ในถังเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้การบรรจุแก๊สหุงต้มจึงต้องใช้การชั่งน้ำหนักแทนการใช้การวัดความดันในการบอกปริมาณแก๊สที่มีอยู่ในถัง
  

ส่วนที่ว่าความดันในถังแก๊สควรเป็นเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับว่าแก๊สหุงต้มที่ใช้นั้นประกอบด้วยโพรเพน (propane C₃H₈) กับบิวเทน (butane C₄H₁₀) ในสัดส่วนเท่าใด คือมันเปิดโอกาสให้เป็นไปได้ตั้งแต่โพรเพนบริสุทธิ์ไปจนถึงบิวเทนบริสุทธิ์ แต่ในการออกแบบถังนั้นเพื่อให้มันสามารถครอบคลุมการใช้งานได้ทุกช่วงองค์ประกอบของแก๊ส ก็จะออกแบบโดยอิงจากความดันของโพรเพนบริสุทธิ์เพราะมันเป็นตัวที่มีความดันไอสูงสุด กล่าวคือถ้าถังนั้นสามารถบรรจุโพรเพนบริสุทธิ์ได้อย่างปลอดภัย มันก็สามารถบรรจุแก๊สผสมระหว่างโพรเพนกับบิวเทนได้อย่างปลอดภัย
  

ในท้องที่ที่อากาศหนาวที่มีอุณหภูมิต่ำ (เช่นต่ำกว่า 0ºC) แก๊สหุงต้มก็จะมีสัดส่วนโพรเพนที่สูงหรืออาจเป็นโพรเพน บริสุทธิ์ก็ได้ ทั้งนี้เพื่อให้มันสามารถระเหยกลายเป็นไอออกมาได้ (จุดเดือดของบิวเทนสูงกว่า 0ºC เล็กน้อย) แต่สำหรับท้องที่ที่อากาศร้อนหรือค่อนข้างร้อน ก็สามารถใช้แก๊สที่มีสัดส่วนบิวเทนสูงขึ้นได้ เพื่อไม่ให้ความดันในถังนั้นสูงเกินไป อย่างเช่นแก๊สหุงต้มในบ้านเรา เท่าที่ทราบก็เคยมีการบรรจุแก๊สที่มีสัดส่วนโพรเพนต่อบิวเทนอยู่ในช่วงตั้งแต่ 70:30 (โพรเพน 70 ส่วนต่อบิวเทน 30 ส่วน) ไปถึงประมาณ 50:50 (โพรเพน 50 ส่วนต่อบิวเทน 50 ส่วน) ดังนั้นความดันในถังจึงขึ้นอยู่กับสัดส่วนโพรเพนต่อบิวเทนของแก๊สที่ทำการบรรจุและอุณหภูมิสถานที่ตั้งถังแก๊ส (รูปที่ ๔)