การฉีดไอน้ำโดยตรงเกี่ยวข้องกับการปล่อยฟองอากาศไอน้ำลงในของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเพื่อถ่ายเทความร้อน บทเรียนนี้อธิบายกระบวนการและวิธีที่ใช้ รวมถึงการคำนวณการถ่ายเทความร้อนที่เกี่ยวข้อง

การฉีดไอน้ำโดยตรงเกี่ยวข้องกับการปล่อยฟองอากาศไอน้ำลงในของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ฟองอากาศไอน้ำควบแน่นและปล่อยความร้อนไปยังของเหลวที่อยู่รอบๆ ความร้อนถูกถ่ายโอนโดยการสัมผัสโดยตรงระหว่างไอน้ำและของเหลว ดังนั้นวิธีนี้ใช้เฉพาะเมื่อการเจือจมวลและการเพิ่มมวลของเหลวเป็นที่ยอมรับ ดังนั้นของเหลวที่ให้ความร้อนมักเป็นน้ำ การฉีดไอน้ำโดยตรงแทบไม่ใช้ให้ความร้อนสารละลายที่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น เนื่องจากการเจือจางของสารละลายจะลดอัตราปฏิกิริยาและลดผลผลิต การฉีดไอน้ำโดยตรงเป็นวิธีที่ใช้แพร่หลายที่สุดสำหรับการให้ความร้อนถังน้ำป้อนหม้อไอน้ำทั่วอุตสาหกรรม วิธีนี้มักถูกเลือกเนื่องจากความเรียบง่าย ไม่ต้องการพื้นผิวถ่ายเทความร้อนหรือชุดกับดักไอน้ำ และไม่จำเป็นต้องพิจารณาระบบส่งกลับน้ำควบแน่น

การคำนวณการใช้ไอน้ำ

ระหว่างการฉีดไอน้ำโดยตรง ความร้อนถูกถ่ายโอนในลักษณะที่ต่างจากการแลกเปลี่ยนความร้อนทางอ้อม เนื่องจากความร้อนไม่ถูกถ่ายโอนผ่านพื้นผิว และไอน้ำผสมกับของเหลวกระบวนการที่ให้ความร้อนอย่างเสรี ปริมาณความร้อนที่ใช้ได้ในไอน้ำต้องคำนวณในวิธีที่ต่างออกไป ซึ่งสามารถหาได้โดยใช้สมการ 2.11.1:

สมการ 2.11.1 แสดงว่าการฉีดไอน้ำใช้เอนทัลปีของการระเหย (หรือความร้อนแฝง) ทั้งหมดและสัดส่วนของเอนทัลปีของเหลวที่มีอยู่ในไอน้ำ สัดส่วนที่แท้จริงของเอนทัลปีของเหลวที่ใช้จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของน้ำ ณ จุดสิ้นสุดของกระบวนการฉีด

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการให้ความร้อนทางอ้อมกับการฉีดไอน้ำโดยตรง คือปริมาตร (และมวล) ของของเหลวกระบวนการเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มไอน้ำ ตามปริมาณไอน้ำที่ฉีด ความแตกต่างอีกอย่างคือ เมื่อคำนวณอัตราการไหลมวลไอน้ำไปยังขดท่อ ความดันในขดท่อถูกพิจารณา แต่สำหรับการฉีดไอน้ำ ความดันก่อนวาล์วควบคุมถูกพิจารณา ในบางกรณี (ที่พื้นผิวของเหลวไม่ได้อยู่ที่ระดับท่อล้น) สิ่งนี้จะเพิ่มแรงดันสถิตย์ของของเหลวเหนือหัวฉีดเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม การเพิ่มนี้มีแนวโน้มจะเล็กและแทบไม่ถูกคำนวณ

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่ออัตราการถ่ายเทความร้อน

ในสมการ 2.11.1 อัตราการใช้ไอน้ำเชื่อมโยงโดยตรงกับความต้องการความร้อน เว้นแต่ระบบฉีดไอน้ำออกแบบเพื่อให้สภาวะทั้งหมดเอื้อต่อการถ่ายเทความร้อนสูงสุด ฟองอากาศไอน้ำอาจแตกที่พื้นผิวของเหลวและหนีไปบรรยากาศ ความร้อนบางส่วนที่มีอยู่ในไอน้ำจะสูญเสียไปบรรยากาศ และอัตราการถ่ายเทความร้อนจริงไปยังน้ำจะน้อยกว่าที่คาดไว้ ในกรณีของขดท่อจุ่ม อัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุด ณ จุดเริ่มต้นของช่วงอุ่นเครื่องจะขึ้นอยู่กับอัตราการไหลมวลสูงสุดที่อนุญาตผ่านวาล์วควบคุมและท่อที่เกี่ยวข้อง และผลผลิตความร้อนสูงสุดที่อนุญาตโดยพื้นที่ผิวขดท่อ ระหว่างการฉีดไอน้ำโดยตรง อาจคาดว่าอัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุด ณ จุดเริ่มต้นของช่วงอุ่นเครื่องขึ้นอยู่กับอัตราการไหลสูงสุดผ่านวาล์วควบคุม และท่อหรือหัวฉีดเอง อย่างไรก็ตาม ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น จะขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ เช่น:

• ขนาดของฟองอากาศไอน้ำ การควบแน่นของฟองอากาศไอน้ำจะขึ้นอยู่กับการถ่ายเทความร้อนผ่านพื้นผิวของฟอง เพื่อให้มั่นใจว่าฟองอากาศไอน้ำควบแน่นสมบูรณ์ อัตราส่วนพื้นที่ผิว/ปริมาตรต้องมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ฟองเล็กมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรมากกว่าฟองใหญ่ ดังนั้นจึงต้องการผลิตฟองเล็กมาก ความดันแตกต่าง (ระหว่างท่อไอน้ำและจุดที่ไอน้ำปล่อยลงน้ำ) เมื่อฟองโผล่ออกมาจะส่งผลต่อขนาดของฟองอากาศไอน้ำด้วย ปริมาตรจำเพาะของไอน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันลดลง ดังนั้นการลดลงของความดันจะเพิ่มขนาดของฟองอากาศไอน้ำเมื่อหนีเข้าไปในของเหลว แม้ว่าฟองอากาศไอน้ำจะปล่อยจากรูเล็กมาก ฟองอาจเพิ่มขนาดอย่างมีนัยสำคัญหากแรงดันไอน้ำสูง ดังนั้นความดันที่ต่ำกว่าในท่อปล่อยจึงดีกว่า
• แรงดันสถิตย์ของของเหลวเหนือจุดฉีด แรงดันสถิตย์ของของเหลวเหนือจุดฉีดจะสร้างแรงดันย้อนกลับ ดังนั้นความดันแตกต่างจะน้อยกว่าแรงดันไอน้ำ หากแรงดันสถิตย์ของของเหลวสูงและแรงดันไอน้ำในท่อปล่อยต่ำ อาจมีการเปลี่ยนแปลงความดันเพียงเล็กน้อย ดังนั้นขนาดของฟองที่เกิดขึ้นจึงเล็กที่สุด แรงดันสถิตย์ของของเหลวที่มากกว่าเหนือจุดฉีดจะให้ฟองอากาศไอน้ำมีโอกาสสูงสุดที่จะควบแน่นก่อนถึงพื้นผิว
• ความเร็วของฟอง ความเร็วของฟอง ณ จุดฉีดจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างแรงดันไอน้ำและแรงดันสถิตย์ของเหลว ต้องการให้ความดันแตกต่างนี้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้ความเร็วของฟองต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และฟองมีเวลาสูงสุดที่จะควบแน่นก่อนถึงพื้นผิว
• อุณหภูมิของเหลว อัตราที่ไอน้ำจะควบแน่นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างไอน้ำและของเหลวที่ให้ความร้อน เช่นเดียวกับกระบวนการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด อัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิ เป็นเรื่องแนะนำเสมอที่จะมั่นใจว่าอุณหภูมิของเหลวถูกควบคุมอย่างถูกต้องและรักษาไว้ที่ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับแอปพลิเคชัน เพื่อรักษาอัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุดและไม่สิ้นเปลืองพลังงาน

ท่อปล่อยเป็นเพียงท่อติดตั้งภายในถัง โดยเจาะรูที่ตำแหน่งสม่ำเสมอ (โดยทั่วไปที่ตำแหน่ง 4 นาฬิกาและ 8 นาฬิกา) เมื่อมองจากปลายท่อ เว้นระยะห่างเท่ากันตามความยาวท่อ และปลายท่อปิดทึบ ไอน้ำออกจากท่อผ่านรูเป็นฟองเล็กๆ ซึ่งจะควบแน่นตามที่ตั้งใจหรือถึงพื้นผิวของเหลว (ดูรูป 2.11.1)

ท่อปล่อยราคาถูกในการผลิตและติดตั้งง่าย แต่มีแนวโน้มก่อให้เกิดแรงสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนระดับสูง วิธีที่มีประสิทธิภาพกว่ามากคือใช้หัวฉีดไอน้ำที่ออกแบบมาอย่างดี

ตัวอย่าง 2.11.1 - กำหนดภาระไอน้ำเพื่อให้ความร้อนถังน้ำด้วยการฉีดไอน้ำ

การคำนวณเหล่านี้ (ขั้นตอนที่ 1 ถึง 5) อิงจากตัวอย่าง 2.9.1 และ 2.10.1 ในแง่ของการสูญเสียความร้อน แต่ถังบรรจุน้ำ (cp = 4.19 kJ/kg °C) แทนที่สารละลายกรดอ่อน และน้ำให้ความร้อนด้วยการฉีดไอน้ำแทนขดท่อไอน้ำ ขั้นตอนที่ 1 - หาพลังงานที่ต้องการเพื่อให้ความร้อนน้ำ 12 000 กก. จาก 8°C เป็น 60°C ใน 2 ชั่วโมง โดยใช้สมการ 2.6.1:

ไอน้ำจ่ายให้วาล์วควบคุมที่ 2.6 bar g เพื่อคำนวณอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ย จำเป็นต้องกำหนดเอนทัลปีทั้งหมดในไอน้ำ (hg) ที่แรงดันนี้ เห็นได้จากตาราง 2.11.1 (ส่วนที่ตัดมาจากตารางไอน้ำ) ว่าเอนทัลปีทั้งหมดของไอน้ำ (hg) ที่ 2.6 bar g คือ 2733.89 kJ/kg

ตาราง 2.11.1 ส่วนที่ตัดจากตารางไอน้ำ

ขั้นตอนที่ 2 - หาอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยเพื่อให้ความร้อนน้ำโดยใช้สมการ 2.11.1:

ขั้นตอนที่ 3 - หาอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยเพื่อให้ความร้อนวัสดุถัง (เหล็ก) จากตัวอย่าง 2.9.1 อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยสำหรับวัสดุถัง = Q̇(ถัง) = 14 kW อัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยเพื่อให้ความร้อนวัสดุถังคำนวณโดยใช้สมการ 2.11.1 อีกครั้ง:

ขั้นตอนที่ 4 - หาอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยเพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อนจากถังระหว่างอุ่นเครื่อง จากตัวอย่าง 2.9.1:

ในขณะที่ยอมรับได้ว่าเอนทัลปีของเหลวของไอน้ำจะมีส่วนช่วยเพิ่มอุณหภูมิของน้ำและวัสดุถัง แต่ยอมรับได้ยากกว่าว่าเอนทัลปีของเหลวของไอน้ำจะเพิ่มการสูญเสียความร้อนจากถังเนื่องจากรังสี ดังนั้นสมการเพื่อคำนวณไอน้ำที่ใช้สำหรับการสูญเสียความร้อน (สมการ 2.11.2) พิจารณาเฉพาะเอนทัลปีของการระเหยในไอน้ำที่ความดันบรรยากาศ

ขั้นตอนที่ 5 - กำหนดภาระไอน้ำเพื่อให้ความร้อนถังน้ำด้วยการฉีดไอน้ำ อัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยทั้งหมดคำนวณได้ดังนี้:

สิ่งสำคัญที่ต้องจำเกี่ยวกับระบบฉีดไอน้ำคือมวลสุดท้ายของของเหลวเท่ากับมวลของเหลวเย็น บวกมวลไอน้ำที่เพิ่ม

ในตัวอย่างนี้ เริ่มต้นด้วยน้ำ 12 000 กก. ระหว่างช่วงอุ่นเครื่อง 2 ชั่วโมงที่ต้องการ ฉีดไอน้ำที่อัตรา 569 กก./ชม. มวลของเหลวจึงเพิ่มขึ้น 2 ชม. x 569 กก./ชม. = 1 138 กก. มวลสุดท้ายของของเหลวคือ: 12 000 กก. + 1 138 กก. = 13 138 กก. น้ำควบแน่นเพิ่มเติม 1138 กก. มีปริมาตรประมาณ 1 138 ลิตร (1.138 m³) และจะเพิ่มระดับน้ำด้วย:

เห็นได้ชัดว่าถังกระบวนการต้องมีพื้นที่เพียงพอเหนือระดับน้ำเริ่มต้นเพื่ออนุญาตให้เพิ่มขึ้นนี้ เพื่อความปลอดภัย ท่อล้นควรมีเสมอในการก่อสร้างถังที่มีการฉีดไอน้ำ

หรือหากข้อกำหนดกระบวนการต้องการมวลสุดท้าย 12 000 กก. มวลของน้ำ ณ จุดเริ่มต้นของกระบวนการจะเป็น:

ทางเลือกที่มีประสิทธิภาพกว่าท่อปล่อยคือหัวฉีดไอน้ำตามที่แสดงในรูป 2.11.3 หัวฉีดดูดน้ำเย็นและผสมกับไอน้ำภายในหัวฉีด กระจายของเหลวที่ให้ความร้อนไปยังถัง

การออกแบบวิศวกรรมของตัวหัวฉีดซับซ้อนกว่าท่อปล่อยแบบง่าย และอนุญาตให้ใช้ไอน้ำที่แรงดันสูงกว่า โซนปั่นป่วนถูกสร้างภายในตัวหัวฉีด ซึ่งมั่นใจว่ามีการผสมที่ดีระหว่างไอน้ำและของเหลว แม้ที่แรงดันค่อนข้างสูง สิ่งนี้มีผลกวนและหมุนเวียนของเหลวเพื่อรักษาอุณหภูมิคงที่ทั่วทั้งถัง โดยไม่มีการแบ่งชั้นอุณหภูมิหรือจุดเย็น

หัวฉีดเหล่านี้กะทัดรัดกว่าท่อปล่อย ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงการรบกวนวัตถุที่อาจจุ่มในถัง ทนทานกว่าและโดยทั่วไปเงียบกว่าท่อปล่อย แม้ปัญหาเสียงรบกวนอาจยังพบได้หากติดตั้งไม่ถูกต้อง

เสียงรบกวนที่เกี่ยวกับหัวฉีดไอน้ำ

เมื่อใช้หัวฉีดไอน้ำแรงดันสูง ระดับเสียงรบกวนสามระดับที่แตกต่างกันผลิตภายใต้สภาวะต่อไปนี้:

• ทำงานปกติ ที่แรงดันไอน้ำที่ทางเข้าหัวฉีดสูงกว่า 2 bar g เสียงที่ผลิตในสภาวะทำงานปกติอาจอธิบายว่าเป็นเสียงครางนุ่ม เสียงเกิดจากการควบแน่นของไอน้ำภายในท่อปล่อย เมื่อผสมกับน้ำหมุนเวียนที่ดูดผ่านรูเข้าไปในตัวเครื่อง ในสภาวะปกติ การปล่อยจากท่อหัวฉีดร้อนกว่าน้ำเข้าประมาณ 10 °C เสียงประเภทนี้เพิ่มขึ้นตามแรงดันไอน้ำ อุณหภูมิน้ำ และจำนวนหัวฉีด แต่แทบไม่เป็นที่รังเกียจที่แรงดันไอน้ำต่ำกว่า 8 bar g แม้การหมุนเวียนที่แรงของเนื้อหาถังเกิดขึ้นที่แรงดันเหนือ 8 bar g แรงสั่นสะเทือนควรเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย
• การควบแน่นไม่สมบูรณ์ มีลักษณะเฉพาะเป็นเสียงกระแทกนุ่มและบางครั้งมาพร้อมกับแรงสั่นสะเทือนรุนแรง เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของเหลวสูงเกินไป (โดยทั่วไปเกิน 90 °C) เมื่อของเหลวร้อนเกินไป หัวฉีดมีประสิทธิภาพน้อยลงและไอน้ำบางส่วนหนีจากท่อปล่อย ที่แรงดันไอน้ำสูงกว่า การควบแน่นของไอน้ำอาจทำให้เกิดแรงสั่นสะเทือน ซึ่งไม่แนะนำสำหรับถังบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม ในภาชนะความดันทรงกระบอกที่ออกแบบทนทาน อาจไม่ก่อให้เกิดปัญหาใดๆ
• อัตราการไหลต่ำ เมื่อแรงดันไอน้ำที่ทางเข้าหัวฉีดต่ำกว่า 1.5 bar g จะได้ยินเสียงแตกแยกลักษณะเฉพาะ ในสภาวะเหล่านี้ ไอน้ำไม่สามารถปล่อยเอนทัลปีของการระเหยก่อนออกจากท่อหัวฉีด ที่อัตราการไหลต่ำ ไอน้ำเดินทางด้วยความเร็วต่ำกว่าในโหมดทำงานอื่นๆ และฟองอากาศไอน้ำที่ยุบตัวถูกพบบนตัวเครื่องและในท่อเชื่อมต่อ ก่อให้เกิดการกัดเซาะ เสียงนี้มักถือว่าเป็นที่รังเกียจ และอาจพบหากระบบหัวฉีดไอน้ำมีขนาดใหญ่เกินไป เสียงอาจเกิดจากการติดตั้งหัวฉีดที่ไม่ดี ด้านข้างของถังสี่เหลี่ยมอาจทำจากแผ่นที่ค่อนข้างยืดหยุ่น การต่อหัวฉีดที่กลางแผ่นยืดหยุ่นอาจเหนี่ยวนำแรงสั่นสะเทือนและเสียง มักดีกว่าที่จะติดตั้งหัวฉีดใกล้กับมุมถังที่โครงสร้างแข็งแรงกว่า

ตัวอย่าง 2.11.2

จากข้อมูลในตัวอย่าง 2.11.1 เสนอระบบฉีดไอน้ำ อัตราการฉีดไอน้ำที่ต้องการ = 569 kg/h แรงดันการฉีดไอน้ำ = 1.0 bar

ตาราง 2.11.2 ตารางความจุหัวฉีดไอน้ำทั่วไป

หัวฉีดขนาดใหญ่ที่สุด (IN40M) มีความจุ 400 kg/h ที่ 1.0 bar ดังนั้นแอปพลิเคชันนี้จะต้องการ:

ในอุดมคติ เนื่องจากแรงดันต่ำที่เกี่ยวข้อง หัวฉีดจะติดตั้งที่ปลายตรงข้ามของถังเพื่อให้การผสมที่ดี

ทางเลือกคือใช้ไอน้ำแรงดันสูงกว่า ซึ่งจะอนุญาตให้ใช้หัวฉีดเดียวที่เล็กกว่า ลดต้นทุนและยังให้การผสมที่ดี

วิธีทางเลือกในการคำนวณภาระไอน้ำที่ฉีด

วิธีก่อนหน้าที่ใช้ใน Module นี้เพื่อคำนวณอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยต้องคำนวณภาระความร้อนเฉลี่ยก่อน สิ่งนี้แสดงด้วยสมการ 2.11.1:

หากไม่ทราบอัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ย อีกวิธีหนึ่งอาจใช้เพื่อกำหนดอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ย ซึ่งต้องใช้สมดุลความร้อนดังที่อธิบายด้านล่าง

ควรสังเกตว่าทั้งสองวิธีให้ผลลัพธ์เดียวกัน ดังนั้นวิธีที่ใช้จึงขึ้นอยู่กับทางเลือกของผู้ใช้ การคำนวณอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยโดยวิธีสมดุลความร้อน สมดุลความร้อนพิจารณาที่ปริมาณความร้อนเริ่มต้นในน้ำ บวกความร้อนที่เพิ่มโดยไอน้ำ เท่ากับปริมาณความร้อนสุดท้าย สมการสมดุลความร้อนสำหรับน้ำในถังแสดงในสมการ 2.11.3:

มวลของไอน้ำที่จะฉีด

มวลของไอน้ำที่จะฉีดสามารถกำหนดได้โดยตรงจากสมการ 2.11.4 ซึ่งพัฒนาจากสมการ 2.11.3

ตัวอย่าง 2.11.3

พิจารณาสภาวะเดียวกับในตัวอย่าง 2.11.1

ดำเนินสมดุลความร้อนบนน้ำในถังโดยใช้สมการ 2.11.4:

ดำเนินสมดุลความร้อนบนวัสดุถัง

การสูญเสียความร้อนจากด้านข้างถังและพื้นผิวน้ำเหมือนกับที่คำนวณไว้ก่อนหน้า นั่นคือ 24 kg/h

นี่คือผลลัพธ์เดียวกับที่ได้ก่อนหน้าใน Module นี้จากสมการ 2.11.1 และ 2.11.2 และพิสูจน์ว่าทั้งสองวิธีสามารถใช้คำนวณอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยเพื่อให้ความร้อนถังและเนื้อหา