การอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำ
ไอน้ำมักถูกนำมาให้ความร้อนในอุตสาหกรรมและการผลิตต่างๆ เนื่องจากไอน้ำมีข้อดีดังนี้
1. ปลอดภัย ไม่เป็นอันตราย
2. ถ่ายเทความร้อนที่อุณหภูมิคงที่
3. เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ตามความดัน
4. สามารถสะสมพลังงานได้มาก
การใช้งานไอน้ำมี 2 รูปแบบ
1. การใช้ไอน้ำแบบทางตรง (Direct) คือ การนำไอน้ำสัมผัสกับวัตถุดิบโดยตรง ไม่มีน้ำ Condensate กลับมา
2. การใช้ไอน้ำแบบทางอ้อม (Indirect) คือ การนำไอน้ำให้ความร้อนแก่วัตถุดิบ โดยผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งจะมีน้ำ Condensate กลับมาใช้อีก
การจะใช้ไอน้ำในรูปแบบใด ขึ้นกับชนิดของกระบวนการผลิต
ระบบไอน้ำแบ่งออกเป็น 2 ส่วน
1. Supply Side คือส่วนที่ผลิตไอน้ำออกมา ประกอบด้วย หม้อไอน้ำ (Boiler), Feed Water Pump, Header และ Steam Separator เป็นต้น
2. Demand Side คือส่วนที่ต้องการนำไอน้ำไปใช้ประโยชน์ ประกอบด้วย ท่อส่งไอน้ำ, ท่อ Condensate, Steam Trap และ อุปกรณ์ใช้ความร้อน เป็นต้น
การอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำสามารถดำเนินการได้ทั้งในส่วนของ Supply Side และ Demand Side แต่ไม่ว่าไอน้ำจะอยู่ในส่วนใด คุณสมบัติของไอน้ำจะอยู่บนกราฟ PH-diagram เสมอ ดังนั้นหากสามารถใช้กราฟ PH-diagram ได้อย่างคล่องแคล่ว จะสามารถใช้ลูกเล่นในการอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำได้ไม่ยาก
รูปที่ 1 PH-diagram ของ น้ำ/น้ำผสมไอน้ำ/ไอน้ำ
ลองฝึกทำความเข้าใจเส้นคุณสมบัติของ น้ำ/น้ำผสมไอน้ำ/ไอน้ำ บนกราฟ PH-diagram
1. เส้นแบ่งสถานะ
รูปที่ 2 เส้นแบ่งสถานะบน PH-diagram
2. เส้นความดันสัมบูรณ์
รูปที่ 3 เส้นความดันสัมบูรณ์บน PH-diagram
3. เส้นพลังงานต่อมวล (Enthalpy)
รูปที่ 4 เส้น Enthalpy บน PH-diagram
4. เส้นอุณหภูมิ
รูปที่ 5 เส้นอุณหภูมิบน PH-diagram
5. เส้นความหนาแน่น
รูปที่ 6 เส้นความหนาแน่นบน PH-diagram
6. เส้นสัดส่วน ไอน้ำ/น้ำ
รูปที่ 7 เส้นสัดส่วน ไอน้ำ/น้ำ บน PH-diagram
7. เส้น Entropy
รูปที่ 8 เส้น Entropy บน PH-diagram
ตัวอย่างการใช้ PH-diagram เพื่อประเมินศักยภาพการอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำ
1. การอนุรักษ์พลังงานโดยการลดความดันผลิตไอน้ำ
หม้อไอน้ำผลิตไอน้ำอิ่มตัวจากน้ำอุณหภูมิ 40 ºC ที่ความดัน 5 Bar(g) หากลดความดันที่ใช้ในการผลิตไอน้ำเหลือ 1 Bar(g) จะอนุรักษ์พลังงานได้กี่ kJ/kg
พลังงานที่ใช้ในการผลิตไอน้ำอิ่มตัว @ 5 Bar(g) ; เส้นสีแดง = 2750 – 170 = 2580 kJ/kg
พลังงานที่ใช้ในการผลิตไอน้ำอิ่มตัว @ 1 Bar(g) ; เส้นสีน้ำเงิน = 2700 – 170 = 2530 kJ/kg
ผลการอนุรักษ์พลังงานที่เกิดขึ้น = 2580 – 2530 = 50 kJ/kg
รูปที่ 9 การใช้ PH-diagram คำนวณมาตรการลดความดันผลิตไอน้ำ
2. ผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อระบบไอน้ำจากการมีความร้อนสูญเสีย
ภายในท่อไอน้ำ มีไอน้ำอิ่มตัว 5 Bar(g) แต่เนื่องจากท่อหุ้มฉนวนบาง จึงมีความร้อนสูญเสียไป 500 kJ/kg จงคำนวณหาค่า Enthalpy ที่เหลืออยู่ และ ภายในท่อจะเกิดน้ำ Condensate ขึ้นกี่ %
พลังงานไอน้ำอิ่มตัว @ 5 Bar(g) ; จุดสีแดง = 2700 kJ/kg
พลังงานไอน้ำที่เหลือจากการสูญเสียความร้อน @ 5 Bar(g) ; จุดสีน้ำเงิน = 2200 kJ/kg
จากจุดสีน้ำเงินสามารถอ่านค่า
Enthalpy = 2200 kJ/kg
สัดส่วน ไอน้ำ/น้ำ = 0.78 , 78 %
ดังนั้นปริมาณน้ำ Condensate = 100 – 78 = 22 %
รูปที่ 10 การใช้ PH-diagram วิเคราะห์ผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อระบบไอน้ำจากการมีความร้อนสูญเสีย
3. ปริมาณ Flash Steam ที่สามารถนำมาใช้งาน
น้ำอิ่มตัวความดัน 5 Bar(g) ถูกลดความดันลงเหลือความดันบรรยากาศ จะเกิด Flash Steam กี่ % และอุณหภูมิ Flash Steam เป็นเท่าไร
จุดสีแดง = น้ำอิ่มตัวความดัน 5 Bar(g)
จุดสีน้ำเงิน = น้ำอิ่มตัวความดัน 5 Bar(g) ถูกลดความดันลงเหลือความดันบรรยากาศ
จากจุดสีน้ำเงินสามารถอ่านค่า
อุณหภูมิอิ่มตัว = 100 ºC
สัดส่วน ไอน้ำ/น้ำ = 0.1 , 10 %
ดังนั้นปริมาณน้ำ Flash Steam = 10 %
รูปที่ 11 การใช้ PH-diagram คำนวณหาปริมาณ Flash Steam ที่สามารถนำมาใช้งาน
จากตัวอย่างข้างต้น จะสังเกตได้ว่าไม่ว่าไอน้ำจะอยู่ส่วนใดของระบบท่อไอน้ำ จะเป็นสถานะใด ก็สามารถใช้ PH-diagram วิเคราะห์ได้ ดังนั้นหากผู้ความคุมระบบมีความเข้าใจ PH-diagram แล้ว ก็จะสามารถค้นหามาตรการอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำได้มากมาย
ZERO ENERGY เปิดสอนหลักสูตร “การอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำ” ท่านที่สนใจสามารถอ่านรายละเอียดหลักสูตรได้ที่หน้าเพจ “อบรมอนุรักษ์พลังงาน”
เรียบเรียงข้อมูลโดย: ชลทศ ประเทืองสุขพงษ์
อ้างอิง
1. ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบพลังงานด้านความร้อน, บทที่ 1 ระบบความร้อนและอุปกรณ์ที่ใช้ไอน้ำ
2. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, การอนุรักษ์พลังงานในระบบไอน้ำ