- Home
- Steam Resources
- Steam Theory
- ไอน้ำชนิดต่างๆ
Basics of Steam
ไอน้ำชนิดต่างๆ
ถ้าน้ำถูกทำให้ร้อนจนเลยจุดเดือด น้ำจะระเหยกลายเป็นไอน้ำ หรือน้ำในสถานะแก๊สนั่นเอง อย่างไรก็ตาม ไอน้ำนั้นไม่ได้เหมือนกันไปทั้งหมด คุณลักษณะของไอน้ำแต่ละแบบนั้นจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากเมื่อแรงดัน หรืออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
ในหัวข้อ Application หลักในการใช้ไอน้ำ, พูดถึงการนำเอาไอน้ำไปใช้ในหลากหลายแบบ ในหัวข้อนี้จะพูดถึงไอน้ำชนิดต่างๆ ที่มีใช้กันทั่วไป
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและอุณภูมิของน้ำและไอน้ำ
Click on a word to view animation.
ไอน้ำอิ่มตัวเป็นผลจากการให้ความร้อนกับน้ำจนถึงจุดเดือด (sensible heat) และระเหยกลายเป็นไอเมื่อให้ความร้อนเพิ่มเข้าไป (latent heat) ถ้าไอน้ำอิ่มตัวถูกให้ความร้อนเพิ่มขึ้นไป จะกลายเป็นไอน้ำยิ่งยวด
Saturated Steam (Dry) ไอน้ำอิ่มตัวแบบแห้ง
จากเส้นสีดำในกราฟ ไอน้ำอิ่มตัวจะเกิด ณ จุดที่อุณหภูมิของน้ำในสถานะของเหลวและแก๊สมีค่าเท่ากัน หรืออีกนัยหนึ่ง คือจุดที่อัตราการระเหย และอัตราการกลั่นตัว มีค่าเท่ากัน
ข้อดีของการใช้ไอน้ำอิ่มตัวในการให้ความร้อน
ไอน้ำอิ่มตัวมีคุณสมบัติที่เหมาะมากเมื่อนำมาเป็นแหล่งพลังงานความร้อน โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูงกว่าหรือเท่ากับ 100 °C ดังนี้
| คุณสมบัติ | ข้อดี |
| ให้ความร้อนได้รวดเร็วและทั่วถึงด้วย latent heat | ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ และคุณภาพของ product |
| อุณหภูมิปรับได้ ด้วยการปรับแรงดัน | การปรับอุณหภูมิทำได้อย่างแม่นยำ และรวดเร็ว |
| ค่าสัมประสิทธิ์การให้ความร้อนสูง | ต้องการพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนน้อยกว่า ช่วยลดขนาดของอุปกรณ์ |
| มีน้ำเป็นวัตถุดิบ | ปลอดภัย สะอาด และค่าใช้จ่ายต่ำกว่า |
Tips
ในการใช้ไอน้ำเพื่อการให้ความร้อน หากเป็นไอน้ำแบบอื่น ที่ไม่ใช่ dry steam ประสิทธิภาพอาจลดลงกว่าที่ควรจะเป็นได้ ตรงข้ามกับความเข้าใจทั่วไป ไอน้ำที่ผลิตได้จาก boiler นั้นไม่ใช่ไอน้ำแห้ง กลับเป็นไอน้ำเปียกแทน ซึ่งจะมีโมเลกุลของน้ำที่ยังระเหยไม่หมดอยู่ด้วย
- การเสียความร้อนจากการแผ่รังสี ทำให้เกิดการควบแน่นเปลี่ยนเป็นคอนเดนเสท ซึ่งทำให้ไอน้ำที่เปียกอยู่แล้ว เปียกยิ่งขึ้น และเกิดคอนเดนเสทในที่สุด ซึ่งสามารถกำจัดคอนเดนเสทได้จากการติดตั้ง steam trap ในจุดที่เหมาะสม
- คอนเดนเสทที่รวมตัวกันและตกลงมา จะถูกเอาออกจากระบบได้จาก steam trap ที่ drip leg แต่อย่างไรก็ตาม หากไอน้ำที่ไหลไปนั้นเปียก ประสิทธิภาพการให้ความร้อนย่อมน้อยลง การแยกเอาความชื้นในไอน้ำนั้น ควรทำ ณ จุดที่นำไอน้ำไปใช้ ด้วย separator
- ไอน้ำที่เกิด pressure loss จากแรงเสียดทานในระบบท่อ หรืออื่นๆ นั้นก็สามารถทำให้อุณหภูมิลดลงได้เช่นเดียวกัน
ไอน้ำเปียก
ไอน้ำแบบนี้เป็นแบบที่พบได้แทบจะทุกโรงงาน เมื่อ boiler ผลิตไอน้ำ โมเลกุลของน้ำบางส่วนที่ยังไม่ระเหยจะปะปนมากับไอน้ำในระบบ และถึงแม้จะเป็น boiler ดีที่สุด ก็ยังมีความชื้นปนมา 3-5% การนำความชื้นออกจึงจำเป็นในการเพิ่มประสิทธิภาพการให้ความร้อน
Superheated Steam ไอน้ำยิ่งยวด
ไอน้ำยิ่งยวด เกิดจากการที่ให้ความร้อนกับไอน้ำแห้งหรือไอน้ำเปียกไปจนเลยจุดอิ่มตัว ทำให้ได้มาซึ่งไอน้ำที่มีอุณภูมิสูงกว่า แต่ความหนาแน่นต่ำกว่าไอน้ำอิ่มตัว ณ แรงดันเท่ากัน ไอน้ำยิ่งยวดจะถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานขับดัน เช่นกับ turbines ไม่นิยมใช้เป็นแหล่งความร้อน
ข้อดีของการใช้ไอน้ำยิ่งยวดกับ Turbine
- เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคอนเดนเสทใน turbine ซึ่งเป็นตัวการลดประสิทธิภาพของ turbine
- เพิ่มประสิทธิภาพ thermal efficiency เช่น ในกรณีที่ต้องการเปลี่ยนแรงดันในอัตราส่วนมากๆ เช่นเปลี่ยนจากไอน้ำยิ่งยวดไปเป็น vacuum เป็นต้น
การใช้ไอน้ำยิ่งยวดกับทั้งด้าน supply และ discharge นั้นให้ข้อได้เปรียบอย่างมาก เพราะลดการเกิดคอนเดนเสทในอุปกรณ์ได้ ลดความเสี่ยงที่จะเกิด erosion และ corrosion ได้ นอกจากนี้ ในทางทฤษฎี thermal effieciency ของ turbine คำนวณได้จากค่า enthalpy ทางด้าน inlet และ outlet การเพิ่มอุณหภูมิของไอน้ำยิ่งยวด และการเพิ่มแรงดัน ช่วยเพิ่ม enthalpy ที่ด้าน inlet side ส่งผลให้การเพิ่ม thermal efficeincy ได้ผลมากยิ่งขึ้น
ข้อเสียของการให้ความร้อนด้วยไอน้ำยิ่งยวด
| คุณสมบัติ | ข้อเสีย |
| สัมประสิทธิ์การส่งผ่านความร้อนต่ำ | ลดผลผลิต |
| ต้องการพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนมากกว่า | |
| อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงได้ แม้แรงดันคงที่ | ไอน้ำยวดยิ่งจำเป็นต้องให้เกิดการไหลด้วยความเร็วสูง มิฉะนั้นอุณหภูมิจะตก เนื่องการการสูญเสียความร้อน |
| ความร้อนที่ให้เป็น sensible heat | คุณภาพของ product อาจตกได้ เพราะอุณหภูมิที่ควบคุมยาก |
| อุณหภูมิอาจจะสูงมากได้ | ต้องการการออกแบบ และวัสดุที่แข็งแรงมากขึ้นกว่าปกติ |
ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ไอน้ำอิ่มตัวจึงเป็นที่นิยมมากกว่าไอน้ำยิ่งยวด เมื่อถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อนใน heat exchanger หรืออุปกรณ์อื่นๆ แต่ในอีกด้านหนึ่ง ไอน้ำยิ่งยวดอาจถูกมองว่าเป็นแหล่งความร้อนในรูปแบบของ แก๊สอุณหภูมิสูง ซึ่งมีข้อดีเหนือกว่าอากาศร้อน ในการให้ความร้อนในสภาพที่ไม่มีออกซิเจน มีการนำเอาไอน้ำยวดยิ่งไปใช้ในการศึกษาความเป็นไปได้ในการประกอบอาหาร หรือ drying process
Supercritical Water
Supercritical water คือน้ำ ในสถานะที่อยู่เหนือจุดวิกฤติ 22.1MPa, 374 °C. ที่จุดวิกฤตินี้ latent heat ของไอน้ำจะมีค่าเท่ากับศูนย์ และค่า specific volume จะเท่ากันทั้งในสถานะของเหลวหรือแก๊ส หรือกล่าวได้ว่า น้ำที่มีแรงดันและอุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤติ ไม่สามารถบอกได้ว่ามีสถานะเป็นของเหลวหรือแก๊ส
Supercritical water เคยถูกใช้เพื่อขับ turbine ในโรงไฟฟ้าที่ต้องการประสิทธิภาพที่สูงกว่า ซึ่งจากงานวิจัย supercritical water ถูกใช้เป็นของเหลวสำหรับการทำ chemical reaction เมื่อต้องการสารที่มีคุณสมบัติทั้งของเหลวและแก๊สในเวลาเดียวกัน
สถานะต่างๆของน้ำ
ของเหลว
สถานะของเหลวคือสิ่งที่เป็นภาพจำของน้ำ ในร่างกายคนเราประกอบด้วยน้ำถึง 70% ซึ่งในสถานะนี้ พันธะโมเลกุลของไฮโดรเจนและออกซิเจนจะดึงกันอยู่ ทำให้น้ำในสถานะของเหลวมีความหนาแน่และมีโครงสร้างที่คงที่
ไอน้ำอิ่มตัว
โมเลกุลของไอน้ำอิ่มตัวเหมือนล่องหนได้ เมื่อปล่อยไอน้ำอิ่มตัวมายังบรรยากาศ ส่วนหนึ่งของมันจะกลั่นตัวเนื่องจากการเสียพลังงานให้กับอากาศโดยรอบ และเกิดเป็นควันสีขาว (ซึ่งคือหยดน้ำขนาดจิ๋ว) เมื่อไอน้ำมีส่วนประกอบของหยดน้ำนี้ด้วย เราเรียกว่าไอน้ำเปียก
ในระบบไอน้ำ ไอที่เห็นจากด้าน discharge ของ steam trap ถูกเข้าใจผิดบ่อยๆ ว่าเป็นไอน้ำอิ่มตัว (live steam) ที่รั่วไหลผ่าน ซึ่งในความจริงแล้วมันคือ flash steam. เราสามารถบอกความแตกต่างได้โดย ไอน้ำอิ่มตัวจะใสเมื่อออกมาจากท่อ ส่วน flash steam จะมองเห็นได้ง่ายกว่าเนื่องจากมีหยดน้ำเล็กๆ ปนมาด้วย
ไอน้ำยิ่งยวด
ตราบใดที่ยังอยู่ในสถานะ superheated ไอน้ำยิ่งยวดจะไม่กลั่นตัวแม้จะสัมผัสกับบรรยากาศภายนอกซึ่งทำให้อุณหภูมิลดลง ส่งผลให้ไม่เกิดควันสีขาว ไอน้ำยิ่งยวดเก็บความร้อนไว้มากกว่าไอน้ำอิ่มตัวที่แรงดันเท่ากัน การเคลื่อนที่ของโมเลกุลก็รวดเร็วกว่า ทำให้ความหนาแน่นต่ำกว่าไอน้ำอิ่มตัว
Supercritical Water
เนื่องจากไม่สามารถแยกได้ด้วยตาเปล่า น้ำในสถานะนี้จะไม่ใช่ทั้งแก๊สและของเหลว ลักษณะที่อธิบายได้ของ Supercritical Water คือมีการเคลื่อนตัวของโมเลกุลคล้ายแก๊ส และมีความหนาแน่นใกล้เคียงของเหลว