คุณภาพไอน้ำ

ไอน้ำควรพร้อมใช้งาน ณ จุดใช้งานในปริมาณที่ถูกต้อง ที่ความดันที่ถูกต้อง สะอาด แห้ง และปราศจากอากาศและก๊าซที่ไม่ควบแน่นอื่นๆ บทช่วยสอนนี้อธิบายว่าทำไมสิ่งนี้จึงจำเป็น และวิธีการรับประกันคุณภาพไอน้ำ

ปริมาณไอน้ำที่ถูกต้อง

ปริมาณไอน้ำที่ถูกต้องต้องพร้อมใช้งานสำหรับกระบวนการให้ความร้อนใดๆ เพื่อให้แน่ใจว่ามีการไหลของความร้อนเพียงพอสำหรับการถ่ายเทความร้อน เช่นเดียวกัน อัตราการไหลที่ถูกต้องต้องจ่ายเพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายต่อผลิตภัณฑ์หรือลดอัตราการผลิต โหลดไอน้ำต้องคำนวณอย่างเหมาะสมและท่อต้องมีขนาดที่ถูกต้องเพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ

ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำที่ถูกต้อง

ไอน้ำควรไปถึงจุดใช้งานที่ความดันที่ต้องการและให้อุณหภูมิที่ต้องการสำหรับแต่ละการใช้งาน ไม่เช่นนั้นประสิทธิภาพจะได้รับผลกระทบ การกำหนดขนาดท่อและอุปกรณ์เสริมท่อที่ถูกต้องจะรับประกันสิ่งนี้ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเกจวัดความดันจะแสดงความดันที่ต้องการอย่างถูกต้อง อุณหภูมิอิ่มตัวที่สอดคล้องอาจไม่สามารถใช้งานได้หากไอน้ำมีอากาศและ/หรือก๊าซที่ไม่ควบแน่น

อากาศและก๊าซที่ไม่ควบแน่นอื่นๆ

อากาศมีอยู่ภายในท่อจ่ายไอน้ำและอุปกรณ์เมื่อเริ่มเดินเครื่อง แม้ว่าระบบจะเติมด้วยไอน้ำบริสุทธิ์เมื่อใช้งานครั้งสุดท้าย ไอน้ำจะควบแน่นเมื่อปิดเครื่อง และอากาศจะถูกดูดเข้ามาโดยสุญญากาศที่เกิดขึ้น เมื่อไอน้ำเข้าสู่ระบบจะดันอากาศไปยังจุดระบายน้ำ หรือไปยังจุดที่ไกลจากทางเข้าไอน้ำมากที่สุด ซึ่งเรียกว่าจุดระยะไกล ดังนั้น steam trap ที่มีกำลังระบายอากาศเพียงพอควรติดตั้งที่จุดระบายน้ำเหล่านี้ และช่องระบายอากาศอัตโนมัติควรติดตั้งที่จุดระยะไกลทั้งหมด อย่างไรก็ตาม หากมีการปั่นป่วน ไอน้ำและอากาศจะผสมกันและอากาศจะถูกพาไปยังพื้นที่ถ่ายเทความร้อน เมื่อไอน้ำควบแน่น ชั้นฉนวนของอากาศจะถูกทิ้งไว้บนพื้นผิว ทำหน้าที่เป็นอุปสรรคต่อการถ่ายเทความร้อน

ไอน้ำและอากาศผสม

ในส่วนผสมของอากาศและไอน้ำ การมีอยู่ของอากาศจะทำให้อุณหภูมิต่ำกว่าที่คาด ความดันรวมของส่วนผสมของก๊าซประกอบด้วยผลรวมของความดันย่อยของส่วนประกอบในส่วนผสม สิ่งนี้เรียกว่ากฎความดันย่อยของดาลตัน ความดันย่อยคือความดันที่กระทำโดยแต่ละส่วนประกอบหากมันครอบครองปริมาตรเดียวกับส่วนผสม:

หมายเหตุ: นี่เป็นความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์ ดังนั้นความดันทั้งหมดต้องแสดงเป็น bar a

ตัวอย่าง 2.4.1

พิจารณาส่วนผสมไอน้ำ/อากาศที่ประกอบด้วย ¾ ไอน้ำและ ¼ อากาศตามปริมาตร ความดันรวมคือ 4 bar a

ดังนั้นไอน้ำมีความดันที่มีผลเพียง 3 bar a เทียบกับความดันที่ปรากฏ 4 bar a ส่วนผสมจะมีอุณหภูมิเพียง 134 °C แทนที่จะเป็นอุณหภูมิอิ่มตัวที่คาดไว้ 144 °C

ปรากฏการณ์นี้ไม่เพียงสำคัญในการใช้งานแลกเปลี่ยนความร้อน (ที่อัตราการถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้นตามผลต่างอุณหภูมิ) แต่ยังในการใช้งานกระบวนการที่อาจต้องการอุณหภูมิขั้นต่ำเพื่อบรรลุการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิขั้นต่ำมีความจำเป็นในเครื่องฆ่าเชื้อเพื่อฆ่าแบคทีเรีย

แหล่งอื่นของอากาศในวงจรไอน้ำและ kondensate

อากาศยังสามารถเข้าสู่ระบบในรูปละลายกับน้ำป้อนหม้อไอน้ำ น้ำเติมและ kondensate ที่สัมผัสบรรยากาศจะดูดซับไนโตรเจน ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ได้ง่าย: ส่วนประกอบหลักของอากาศบรรยากาศ เมื่อน้ำถูกให้ความร้อนในหม้อไอน้ำ ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับไอน้ำและถูกพาเข้าสู่ระบบจ่าย อากาศบรรยากาศประกอบด้วยไนโตรเจน 78% ออกซิเจน 21% และคาร์บอนไดออกไซด์ 0.03% ตามการวิเคราะห์ปริมาตร อย่างไรก็ตาม ความละลายของออกซิเจนประมาณสองเท่าของไนโตรเจน ในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์มีความละลายประมาณ 30 เท่าของออกซิเจน! ซึ่งหมายความว่า ‘อากาศ’ ที่ละลายในน้ำป้อนหม้อไอน้ำจะมีสัดส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนมากกว่า: ทั้งสองก่อให้เกิดการกัดกร่อนในหม้อไอน้ำและท่อ อุณหภูมิของถังป้อนถูกดูแลรักษาที่อุณหภูมิโดยทั่วไปไม่ต่ำกว่า 80 °C เพื่อให้คาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนสามารถปลดปล่อยกลับสู่บรรยากาศ เนื่องจากความละลายของก๊าซที่ละลายนี้ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายยังถูกเก็บให้ต่ำที่สุดโดยการกำจัดแร่ธาตุและก๊าซของน้ำเติมในขั้นตอนการบำบัดน้ำภายนอก ความเข้มข้นของก๊าซที่ละลายน้ำสามารถกำหนดได้โดยใช้กฎของเฮนรี่ ซึ่งระบุว่ามวลของก๊าซที่สามารถละลายได้ในปริมาตรที่กำหนดของเหลวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันย่อยของก๊าซ สิ่งนี้เป็นจริงเฉพาะเมื่ออุณหภูมิคงที่ และไม่มีปฏิกิริยาเคมีระหว่างของเหลวกับก๊าซ

ความสะอาดของไอน้ำ

ชั้นของตะกรันที่พบบนผนังท่ออาจเกิดจากการก่อตัวของสนิมในระบบไอน้ำเก่า หรือจากการสะสมของคาร์บอเนตในพื้นที่น้ำกระด้าง สิ่งสกปรกอื่นๆ ที่อาจพบในท่อจ่ายไอน้ำ ได้แก่ ตะกอนเชื่อมและวัสดุเชื่อมต่อที่ใช้ไม่ดีหรือส่วนเกิน ซึ่งอาจทิ้งไว้ในระบบเมื่อท่อติดตั้งครั้งแรก ชิ้นส่วนเหล่านี้จะมีผลเพิ่มอัตราการกัดกร่อนในข้อโค้งท่อและรูเล็กๆ ของ steam trap และวาล์ว ด้วยเหตุนี้จึงเป็นแนวปฏิบัติทางวิศวกรรมที่ดีที่จะติดตั้งตัวกรองท่อ (ตามที่แสดงในรูป 2.4.2) ควรติดตั้งต้นน้ำของ steam trap มิเตอร์อัตราการไหล วาล์วลดแรงดัน และวาล์วควบคุมทุกตัว

ไอน้ำไหลจากทางเข้า A ผ่านตะแกรงเจาะรู B ไปยังทางออก C ในขณะที่ไอน้ำและน้ำจะผ่านตะแกรงได้ง่าย สิ่งสกปรกจะถูกดักไว้ ฝา D สามารถถอดออก อนุญาตให้ถอดตะแกรงออกและทำความสะอาดเป็นระยะ

เมื่อติดตั้งตัวกรองในท่อจ่ายไอน้ำ ควรติดตั้งในแนวนอนเพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมของ kondensate และปัญหา waterhammer การวางแนวแบบนี้จะเปิดเผยพื้นที่ตะแกรงตัวกรองสูงสุดต่อกระแส ชั้นของตะกรันอาจมีอยู่บนพื้นที่ถ่ายเทความร้อนเช่นกัน ทำหน้าที่เป็นอุปสรรคเพิ่มเติมต่อการถ่ายเทความร้อน ชั้นของตะกรันมักเป็นผลมาจาก:

• การเดินเครื่องหม้อไอน้ำไม่ถูกต้อง ทำให้สิ่งเจือปนถูกพามาจากหม้อไอน้ำในหยดน้ำ
• การบำบัดน้ำไม่ถูกต้องในห้องหม้อไอน้ำ อัตราที่ชั้นนี้ก่อตัวขึ้นสามารถลดได้โดยการดูแลการเดินเครื่องหม้อไอน้ำอย่างระมัดระวัง และโดยการกำจัดหยดความชื้น

ความแห้งของไอน้ำ

การบำบัดน้ำป้อนด้วยสารเคมีไม่ถูกต้องและช่วงโหลดสูงสุดสามารถทำให้เกิดการกระเด็นและพัดพาของน้ำป้อนหม้อไอน้ำเข้าสู่ท่อจ่ายไอน้ำ นำไปสู่สารเคมีและวัสดุอื่นที่ถูกสะสมบนพื้นที่ถ่ายเทความร้อน สารสะสมเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ค่อยๆ ลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ นอกจากนี้ เมื่อไอน้ำออกจากหม้อไอน้ำ บางส่วนต้องควบแน่นเนื่องจากความร้อนสูญเสียผ่านผนังท่อ แม้ว่าท่อเหล่านี้จะถูกหุ้มฉนวนอย่างดี กระบวนการนี้ไม่สามารถขจัดได้ทั้งหมด ผลลัพธ์โดยรวมคือไอน้ำที่มาถึงอุปกรณ์ค่อนข้างเปียก และหยดความชื้นที่ถูกพามาพร้อมกับไอน้ำสามารถกัดกร่อนท่อ อุปกรณ์ และวาล์ว โดยเฉพาะเมื่อความเร็วสูง ได้แสดงแล้วว่าการมีอยู่ของหยดน้ำในไอน้ำลดเอนทัลปีของการระเหยจริง และยังนำไปสู่การก่อตัวของตะกรันบนผนังท่อและพื้นที่ถ่ายเทความร้อน หยดน้ำที่ถูกพามาในไอน้ำยังอาจเพิ่มชั้นฟิล์มของน้ำที่ผลิตขึ้นเมื่อไอน้ำควบแน่น สร้างอุปสรรคเพิ่มเติมต่อกระบวนการถ่ายเทความร้อน ตัวแยกในท่อจ่ายไอน้ำจะกำจัดหยดความชื้นที่ถูกพามาในกระแสไอน้ำ และยังรวมถึง kondensate ที่สะสมที่ก้นท่อ ในตัวแยกที่แสดงในรูป 2.4.3 ไอน้ำถูกบังคับให้เปลี่ยนทิศทางหลายครั้งขณะไหลผ่านตัวเรือน แผ่นกั้นสร้างสิ่งกีดขวางสำหรับหยดน้ำที่หนักกว่า ในขณะที่ไอน้ำแห้งที่เบากว่าได้รับอนุญาตให้ไหลอย่างอิสระผ่านตัวแยก หยดความชื้นไหลลงตามแผ่นกั้นและระบายน้ำผ่านจุดเชื่อมต่อด้านล่างของตัวแยกไปยัง steam trap สิ่งนี้จะอนุญาตให้ kondensate ระบายน้ำออกจากระบบ แต่จะไม่อนุญาตให้ไอน้ำผ่าน

Waterhammer

เมื่อไอน้ำเริ่มควบแน่นเนื่องจากความร้อนสูญเสียในท่อ kondensate จะก่อตัวเป็นหยดบนผนังด้านใน เมื่อถูกพามาในกระแสไอน้ำ จากนั้นจะรวมเป็นฟิล์ม kondensate จากนั้นจะไหลลงสู่ก้นท่อ ที่ฟิล์มเริ่มหนาขึ้น การสะสมของหยด kondensate ตามความยาวท่อจ่ายไอน้ำสามารถก่อตัวเป็นก้อนน้ำในที่สุด (ตามที่แสดงในรูป 2.4.4) ซึ่งจะถูกพามาด้วยความเร็วไอน้ำตามท่อ (25 - 30 m/s)

ก้อนน้ำนี้หนาแน่นและไม่สามารถบีบอัดได้ และเมื่อเดินทางด้วยความเร็วสูง จะมีพลังงานจลน์จำนวนมาก

กฎของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลาย แต่เพียงแค่แปลงเป็นรูปแบบอื่น เมื่อถูกกีดขวาง อาจโดยข้อโค้งหรือทีในท่อ พลังงานจลน์ของน้ำจะถูกแปลงเป็นพลังงานแรงดันและแรงกระแทกแรงดันถูกกระทำต่อสิ่งกีดขวาง kondensate จะสะสมที่จุดต่ำ และก้อน kondensate อาจถูกกระแสไอน้ำยกขึ้นและพัดไปยังวาล์วและอุปกรณ์ท่อปลายน้ำ

จุดต่ำเหล่านี้อาจรวมถึงท่อหลักที่ห้อย ซึ่งอาจเนื่องจากที่รองรับท่อไม่เพียงพอหรือขอแขวนท่อหัก แหล่งที่มาอื่นที่อาจเกิด waterhammer ได้แก่ การใช้ตัวลดขนาดแบบ concentric ไม่ถูกต้องและตัวกรอง หรือการระบายน้ำไม่เพียงพอก่อนท่อจ่ายหลักขึ้น บางส่วนแสดงในรูป 2.4.5 เสียงรบกวนและการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการกระแทกระหว่างก้อนน้ำและสิ่งกีดขวาง เรียกว่า waterhammer Waterhammer สามารถลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์เสริมท่อได้อย่างมีนัยสำคัญ ในกรณีรุนแรง อุปกรณ์อาจแตกหักด้วยผลกระทบเกือบระเบิด ผลที่ตามมาอาจเป็นการสูญเสียไอน้ำที่จุดแตกหัก สร้างสถานการณ์ที่เป็นอันตราย การติดตั้งท่อจ่ายไอน้ำถูกอภิปรายโดยละเอียดในบล็อก 10 การจ่ายไอน้ำ