ทุกครั้งที่คุณต้มน้ำในกาต้มน้ำ คุณสร้างไอน้ำ
อย่างไรก็ตาม แทนที่จะเป็นผลพลอยได้จากการต้มน้ำ ไอน้ำเป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่ทรงพลัง หลากหลาย และมีประสิทธิภาพ นั่นคือเหตุผลที่ไอน้ำถูกใช้อย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรม
ในบทความนี้ เราจะสำรวจว่าไอน้ำถูกใช้ที่ใด วิธีควบคุมพลังงานภายในไอน้ำ และทำไมไอน้ำจึงมีประสิทธิภาพสูงในการถ่ายเทความร้อนเข้าสู่กระบวนการอุตสาหกรรม
อุตสาหกรรมใดใช้ไอน้ำสำหรับพลังงานความร้อน?
หลายอุตสาหกรรมพึ่งพาไอน้ำสำหรับความร้อนหรือพลังงานความร้อน บริษัทและองค์กรใช้พลังงานความร้อนเพื่อให้ได้อุณหภูมิสูงสำหรับกระบวนการที่สำคัญ
ในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม ไอน้ำถูกใช้ในขั้นตอนต่างๆ ระหว่างการผลิต รวมถึงการพาสเจอร์ไรซ์ การปรุงอาหาร การทำความสะอาด และการทำแห้ง ตัวอย่างเช่น ความร้อนจากไอน้ำปรุงถั่วอบดิบภายในกระป๋อง
ในขณะที่ในภาคการดูแลสุขภาพ โรงพยาบาลใช้ไอน้ำแรงดันสูงเพื่อฆ่าเชื้ออุปกรณ์ผ่าตัดภายในเครื่องนึ่งฆ่าเชื้อ ไอน้ำฆ่าจุลินทรีย์และสปอร์ รับประกันว่าเครื่องมือแพทย์ปลอดภัยสำหรับใช้งานโดยไม่ต้องใช้สารเคมี
อุตสาหกรรมเหล่านี้และอื่นๆ อีกมากใช้ไอน้ำเพราะคุณสมบัติเฉพาะตัวในฐานะแหล่งพลังงานความร้อนที่มีประสิทธิภาพ
ไอน้ำผลิตและใช้ที่ไหน?
ไอน้ำผลิตในโรงหม้อต้ม (A) และจ่ายผ่านท่อไปยังกระบวนการที่ต้องการพลังงานความร้อน แต่ละกระบวนการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (B) เพื่อถ่ายเทพลังงานความร้อนบางส่วนภายในไอน้ำเข้าสู่กระบวนการนั้น ไอน้ำปลดปล่อยพลังงานนี้โดยการควบแน่นกับพื้นผิวที่เย็นกว่าและก่อตัวเป็นคอนเดนเสทเหลว ของเหลวนั้นกลับไปยังโรงหม้อต้ม ซึ่งจะเลี้ยงหม้อต้มและผลิตไอน้ำเพิ่มเติม กระบวนการทั้งหมดเรียกว่าวงจรคอนเดนเสทไอน้ำ
มีพลังงานความร้อนเท่าใดในไอน้ำ?
คุณสามารถคำนวณปริมาณพลังงานความร้อนภายในไอน้ำโดยใช้ตารางไอน้ำ1 ตารางเหล่านี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน อุณหภูมิ ปริมาตร และที่สำคัญที่สุด ปริมาณพลังงานที่ไอน้ำบรรจุ ด้วยความรู้นี้ คุณสามารถปรับพลังงานภายในไอน้ำสำหรับกระบวนการต่างๆ
ตารางไอน้ำ
ที่ความดันบรรยากาศ 0 บาร์จี น้ำเดือดที่ 100°C (เช่นเดียวกับในกาต้มน้ำ) แถวแรกในตารางไอน้ำแสดงว่าต้องใช้พลังงาน 419 กิโลจูล/กก. ซึ่งเรียกว่าเอนทัลปีของน้ำ เพื่อนำน้ำไปถึงจุดเดือด
อย่างไรก็ตาม เพื่อผลิตไอน้ำ คุณต้องเพิ่มพลังงานอีก 2,257 กิโลจูล/กก. ซึ่งเรียกว่าเอนทัลปีของการระเหย หรือพลังงานที่มีประโยชน์ แม้ว่าพลังงานทั้งหมดภายในไอน้ำจะเป็น 2,676 กิโลจูล/กก. แต่เฉพาะพลังงานที่มีประโยชน์เท่านั้นที่จะถ่ายเทเข้าสู่กระบวนการเมื่อไอน้ำควบแน่นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
ตารางไอน้ำสมมติว่าคุณผลิตไอน้ำอิ่มตัวแห้ง อย่างไรก็ตาม ยังสามารถผลิตไอน้ำเปียกและไอน้ำยิ่งยวด ซึ่งแสดงในแผนภาพเฟสของไอน้ำ
แผนภาพเฟสของไอน้ำ
จุด A แสดงข้อมูลจากบรรทัดแรกของตารางไอน้ำ ที่ 0 บาร์จี ต้องใช้เอนทัลปี 419 กิโลจูล/กก. (พลังงานความร้อน) สำหรับน้ำเพื่อให้ถึงจุดเดือด 100°C และเริ่มระเหย
เส้นระหว่างจุด A และจุด B แสดงการเดินทางของน้ำเดือดเมื่อคุณเพิ่มพลังงานความร้อนอีก 2,257 กิโลจูล/กก. ที่จุด B น้ำระเหยหมดเป็นไอน้ำอิ่มตัวแห้ง เส้นสีแดงบนแผนภาพคือเส้นไอน้ำอิ่มตัวแห้ง ไอน้ำที่ผลิตระหว่าง A และ B เป็นไอน้ำเปียกเพราะยังมีความชื้น ไอน้ำทางด้านขวาของเส้นไอน้ำอิ่มตัวแห้งเป็นไอน้ำยิ่งยวด
ไอน้ำประเภทใดมีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการถ่ายเทความร้อน?
ไอน้ำอิ่มตัวแห้ง
ไอน้ำอิ่มตัวแห้งเป็นประเภทไอน้ำที่เหมาะสำหรับการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับกระบวนการและสร้างความท้าทายทางวิศวกรรมน้อยกว่า ไอน้ำแห้งเพราะไม่มีความชื้นและอิ่มตัวเพราะเต็มไปด้วยพลังงาน ไอน้ำไม่สามารถบรรจุพลังงานเพิ่มเติมได้ที่อุณหภูมิและแรงดันนั้น
ไอน้ำเปียก
ไอน้ำเปียกมีประสิทธิภาพน้อยกว่าไอน้ำอิ่มตัวแห้งเพราะมีพลังงานน้อยกว่า ด้วยไอน้ำเปียก กระบวนการจะได้รับพลังงานน้อยกว่าและมวลไอน้ำน้อยกว่า ซึ่งอาจยืดเวลากระบวนการ พลาดอุณหภูมิเป้าหมายที่ต้องการ หรือทำให้ผลิตภัณฑ์เสียหาย
ไอน้ำยิ่งยวด
ไอน้ำยิ่งยวด2 มีอุณหภูมิสูงกว่าไอน้ำอิ่มตัวที่แรงดันเดียวกัน แม้ว่าโรงไอน้ำบางแห่งผลิตไอน้ำยิ่งยวดสำหรับการผลิตไฟฟ้า ไอน้ำยิ่งยวดไม่แนะนำสำหรับการถ่ายเทความร้อนเพราะมีอัตราการถ่ายเทความร้อนต่ำกว่า ไอน้ำยิ่งยวดยังต้องการพื้นที่ถ่ายเทความร้อนใหญ่กว่าไอน้ำอิ่มตัวแห้ง
ทำไมไอน้ำจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าน้ำร้อนอุณหภูมิต่ำ (LTHW) สำหรับการถ่ายเทความร้อน?
ไอน้ำอิ่มตัวแห้งมีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับการถ่ายเทความร้อน3 เมื่อเทียบกับทางเลือกเช่นน้ำร้อนอุณหภูมิต่ำ (LTHW) เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว
แรงดันควบคุมพลังงานความร้อนภายในไอน้ำ
การเปลี่ยนแรงดันช่วยให้คุณปรับไอน้ำเพื่อตอบสนองความต้องการของกระบวนการ รวมถึงปริมาณพลังงานความร้อนที่มันบรรจุ
เมื่อคุณให้ความร้อนน้ำภายใต้แรงดัน น้ำมีจุดเดือดสูงกว่า จึงต้องการพลังงานความร้อนมากกว่า จากตารางไอน้ำ ที่ 5 บาร์จี น้ำเดือดที่ 159°C และต้องการพลังงาน 671 กิโลจูล/กก. เพื่อถึงจุดเดือด อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนน้ำเดือดนั้นเป็นไอน้ำใช้พลังงานความร้อนน้อยกว่าที่แรงดันต่ำกว่า ที่ 5 บาร์จี คุณต้องการพลังงาน 2,086 กิโลจูล/กก. เปรียบเทียบกับ 2,257 กิโลจูล/กก. ที่ 0 บาร์จี
เมื่อทราบผลกระทบของแรงดัน คุณสามารถผลิตไอน้ำภายใต้แรงดันสูงในโรงหม้อต้มแล้วจ่ายไปยังกระบวนการ เมื่อไอน้ำถึงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การลดแรงดันจะเพิ่มปริมาณพลังงานที่มีประโยชน์ที่ถ่ายเทเข้าสู่กระบวนการ
ไอน้ำมีปริมาณความร้อนสูงกว่า LTHW
ไอน้ำผลิตที่อุณหภูมิและแรงดันสูงกว่า LTHW มาก จึงมีปริมาณความร้อนสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญและสามารถถ่ายเทพลังงานความร้อนเข้าสู่กระบวนการได้มากกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่ง ต้องการไอน้ำน้อยกว่า LTHW เพื่อให้ได้ผลการให้ความร้อนเท่ากัน
ตัวอย่างเช่น เปรียบเทียบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไอน้ำกับน้ำกับเครื่องแลกเปลี่ยนน้ำกับน้ำที่ออกแบบเพื่อถ่ายเท 11°C เข้าสู่กระบวนการ ด้วยหนึ่งกิโลกรัมของไอน้ำ มีพลังงานความร้อนที่มีประโยชน์มากกว่า 50 เท่าเมื่อเทียบกับหนึ่งกิโลกรัมของ LTHW นั่นหมายความว่าคุณต้องการไอน้ำน้อยกว่า 50 เท่าสำหรับผลการให้ความร้อนเดียวกัน เพราะน้ำมีความจุความร้อนจำเพาะ 4.19 กิโลจูล/กก. °C ขณะที่พลังงานความร้อนที่มีประโยชน์ในไอน้ำคือ 2,200 กิโลจูล/กก.
ไอน้ำถ่ายเทความร้อนเร็วกว่า LTHW สามเท่า
ไอน้ำถ่ายเทพลังงานความร้อนเร็วกว่า LTHW เพราะมันปลดปล่อยพลังงานความร้อนโดยการควบแน่น สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ซึ่งวัดความเร็วของการถ่ายเทความร้อน สูงกว่าประมาณสามเท่าในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไอน้ำกับน้ำเมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนน้ำกับน้ำ
เนื่องจากไอน้ำให้อัตราการถ่ายเทความร้อนเร็วกว่า จึงต้องการพื้นที่ผิวน้อยกว่าภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อถ่ายเทพลังงานความร้อนปริมาณเดียวกัน ผลลัพธ์คือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไอน้ำกับน้ำต้องการพื้นที่ติดตั้งน้อยกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนน้ำกับน้ำเทียบเท่า
ไอน้ำถ่ายเทความร้อนสม่ำเสมอทั่วพื้นที่ผิว
ไอน้ำเป็นก๊าซ จึงกระจายตัวเติมเต็มพื้นที่ ภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไอน้ำกับน้ำ มีการกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอทั่วพื้นที่ผิวถ่ายเทความร้อนเมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนน้ำกับน้ำ
การใช้ไอน้ำสำหรับการถ่ายเทความร้อนลดจุดเย็นภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและให้การถ่ายเทความร้อนที่สม่ำเสมอกว่า
ไอน้ำ: ทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสำหรับการถ่ายเทความร้อน
ไอน้ำเป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่น่าสนใจสำหรับหลายอุตสาหกรรมเพราะประสิทธิภาพ การเปลี่ยนแรงดันช่วยให้คุณปรับพลังงานที่มีประโยชน์ภายในไอน้ำ ปริมาณความร้อนและความเร็วการถ่ายเทของไอน้ำสูงกว่า LTHW อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ไอน้ำต้องการพื้นที่ผิวถ่ายเทความร้อนเล็กกว่าแหล่งพลังงานอื่นๆ