ไอน้ำยิ่งยวด

คำอธิบายคุณสมบัติและการใช้งานของไอน้ำยิ่งยวด (เช่น สำหรับการผลิตไฟฟ้า) รวมถึงคำอธิบายวัฏจักรอุณหพลศาสตร์แรงกินและคาร์โน ตารางไอน้ำยิ่งยวด และแผนภูมิ Mollier (H-S)

หากไอน้ำอิ่มตัวที่ผลิตในหม้อไอน้ำถูกเปิดเผยต่อพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิระเหย

ไอน้ำจะถูกอธิบายว่ายิ่งยวดโดยจำนวนองศาอุณหภูมิที่ถูกให้ความร้อนเหนืออุณหภูมิอิ่มตัว

ความยิ่งยวดไม่สามารถถ่ายทอดให้ไอน้ำในขณะที่ยังอยู่ในที่มีน้ำ เนื่องจากความร้อนเพิ่มเติมเพียงแค่ระเหยน้ำมากขึ้น ไอน้ำอิ่มตัวต้องผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติม อาจเป็นขั้นตอนแลกเปลี่ยนความร้อนที่สองในหม้อไอน้ำ หรือหน่วย superheater แยกต่างหาก ตัวกลางให้ความร้อนปฐมภูมิอาจเป็นก๊าซปล่องร้อนจากหม้อไอน้ำ หรืออาจเป็นเตาแยก

ไอน้ำยิ่งยวดมีการใช้งานใน เช่น กังหันที่ไอน้ำถูกนำทางโดยหัวฉีดไปยังโรเตอร์ ซึ่งทำให้โรเตอร์หมุน พลังงานที่ทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้นต้องมาจากไอน้ำ ดังนั้นโดยตรรก ไอน้ำมีพลังงานน้อยลงหลังจากผ่านโรเตอร์กังหัน หากไอน้ำอยู่ที่อุณหภูมิอิ่มตัว การสูญเสียพลังงานนี้จะทำให้ไอน้ำบางส่วนควบแน่น

กังหันมีหลายขั้นตอน; ไอน้ำทิ้งจากโรเตอร์แรกจะถูกนำทางไปยังโรเตอร์ที่สองบนเพลาเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าไอน้ำอิ่มตัวจะเปียกขึ้นเรื่อยๆ เมื่อผ่านขั้นตอนต่อเนื่อง ไม่เพียงแต่จะส่งเสริม waterhammer แต่หยดน้ำจะทำให้เกิดการกัดกร่อนรุนแรงภายในกังหัน วิธีแก้ไขคือจ่ายไอน้ำยิ่งยวดให้กังหันที่ทางเข้า และใช้พลังงานในส่วนยิ่งยวดเพื่อขับเคลื่อนโรเตอร์จนกว่าสภาพอุณหภูมิ/ความดันจะใกล้อิ่มตัว จากนั้นปล่อยไอน้ำทิ้ง เหตุผลสำคัญอีกประการในการใช้ไอน้ำยิ่งยวดในกังหันคือการปรับปรุงประสิทธิภาพทางความร้อน ประสิทธิภาพอุณหพลศาสตร์ของเครื่องยนต์ความร้อนเช่นกังหัน อาจกำหนดได้โดยใช้ทฤษฎีหนึ่งในสอง: (หมายเหตุ: ค่าที่ใช้สำหรับอุณหภูมิและเนื้อหาพลังงานในตัวอย่างต่อไปนี้มาจากตารางไอน้ำ)

ตัวอย่าง 2.3.1

กังหันถูกจ่ายด้วยไอน้ำยิ่งยวดที่ 90 bar a @ 450 °C

ไอน้ำทิ้งอยู่ที่ 0.06 bar a (สุญญากาศบางส่วน) และเปียก 10%

อุณหภูมิอิ่มตัว = 36.2 °C 2.3.1.1 กำหนดประสิทธิภาพคาร์โน (ηC)

2.3.1.2 กำหนดประสิทธิภาพแรงกิน (ηR) สำหรับวัฏจักรแรงกินทางทฤษฎี รูป 2.3.2 สมมติว่าไม่มีการสูญเสียจากแรงเสียดทานในกังหัน การขยายตัวที่สมบูรณ์ของไอน้ำเกิดขึ้นในกังหัน (isentropic) และไม่สนใจพลังงานที่เติมโดยปั๊มน้ำป้อนที่ส่ง kondensate กลับไปยังหม้อไอน้ำ

ใช้ตัวอย่าง 2.3.1 ที่:

• กังหันถูกจ่ายด้วยไอน้ำยิ่งยวดที่ 90 bar a @ 450 °C
• ไอน้ำทิ้งอยู่ที่ 0.06 bar a (สุญญากาศบางส่วน) และเปียก 10%
• อุณหภูมิอิ่มตัว = 36.2 °C ข้อมูลนี้สามารถพล็อตบนเส้นโค้งอุณหภูมิ/เอนทัลปีตามที่แสดงในรูป 2.3.3:

การตรวจสอบตัวเลขสำหรับวัฏจักรทั้งสองบ่งชี้ว่าเพื่อบรรลุประสิทธิภาพสูง:

• อุณหภูมิหรือพลังงานที่ทางเข้ากังหันควรสูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ ซึ่งหมายถึงความดันและอุณหภูมิสูงเท่าที่เป็นไปได้จริง ไอน้ำยิ่งยวดเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการจัดหาสิ่งนี้
• อุณหภูมิหรือพลังงานในไอน้ำทิ้งต้องต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ ซึ่งหมายถึงความดันและอุณหภูมิต่ำเท่าที่เป็นไปได้จริง และมักทำได้โดยตัวควบแน่นที่ทิ้งกังหัน หมายเหตุ:
• ตัวเลขที่คำนวณในตัวอย่าง 2.3.1.1 และ 2.3.1.2 เป็นประสิทธิภาพอุณหพลศาสตร์ และต้องไม่สับสนกับประสิทธิภาพทางกล
• แม้ว่าตัวเลขประสิทธิภาพจะดูต่ำมาก ต้องไม่มองแยก แต่ใช้เพื่อเปรียบเทียบเครื่องยนต์ความร้อนประเภทหนึ่งกับอีกประเภทหนึ่ง ตัวอย่างเช่น กังหันก๊าซ เครื่องจักรไอน้ำ และเครื่องยนต์ดีเซล

ตารางไอน้ำยิ่งยวดแสดงคุณสมบัติของไอน้ำที่ความดันต่างๆ ในลักษณะเดียวกับตารางไอน้ำอิ่มตัว อย่างไรก็ตาม ด้วยไอน้ำยิ่งยวด ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างอุณหภูมิและความดัน ดังนั้นที่ความดันเฉพาะ ไอน้ำยิ่งยวดอาจมีอยู่ที่ช่วงอุณหภูมิกว้าง

โดยทั่วไป ตารางไอน้ำอิ่มตัวให้ความดันเกจ ตารางไอน้ำยิ่งยวดให้ความดันสัมบูรณ์

ความดันสัมบูรณ์ bar a

หน่วย อุณหภูมิ (°C)

1.013

150 200 250 300 400 500

vg (m3/kg) 1.912 2.145 2.375 2.604 3.062 3.519

ug (kJ/kg) 2 583 2 659 2 734 2 811 2 968 3 131

hg (kJ/kg) 2 777 2 876 2 975 3 075 3 278 3 488

sg (kJ/kg K) 7.608 7.828 8.027 8.209 8.537 8.828

ตัวอย่าง 2.3.2

ไอน้ำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 400 °C และความดัน 1.013 bar a (0 bar g) มีความร้อนมากกว่าไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันเดียวกันเท่าใด?

สิ่งนี้อาจฟังดูเป็นการเพิ่มพลังงานที่มีประโยชน์ แต่จริงๆ แล้วจะทำให้ชีวิตยากขึ้นสำหรับวิศวกรที่ต้องการใช้ไอน้ำเพื่อให้ความร้อน

จากพลังงานในความยิ่งยวดที่แสดง ความร้อนจำเพาะสามารถกำหนดได้โดยหารค่านี้ด้วยผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิอิ่มตัว (100 °C) และอุณหภูมิไอน้ำยิ่งยวด (400 °C):

อย่างไรก็ตาม ต่างจากความร้อนจำเพาะของน้ำ ความร้อนจำเพาะสำหรับไอน้ำยิ่งยวดแตกต่างกันอย่างมากตามความดันและอุณหภูมิ และไม่สามารถถือเป็นค่าคงที่

ค่า 2.0 kJ/kg °C ที่ให้ไว้ข้างต้นจึงเป็นเพียงความร้อนจำเพาะเฉลี่ยตลอดช่วงอุณหภูมิที่ระบุสำหรับความดันนั้น ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างอุณหภูมิ ความดัน และความร้อนจำเพาะของไอน้ำยิ่งยวด อย่างไรก็ตาม มีแนวโน้มทั่วไปในการเพิ่มความร้อนจำเพาะตามความดันที่เพิ่มขึ้นที่ระดับความยิ่งยวดต่ำ แต่ไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป

ไอน้ำยิ่งยวดสามารถใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกระบวนการและกระบวนการให้ความร้อนอื่นๆ ได้หรือไม่? แม้ว่าจะไม่ใช่ตัวกลางที่เหมาะสำหรับการถ่ายเทความร้อน ไอน้ำยิ่งยวดบางครั้งถูกใช้สำหรับให้ความร้อนกระบวนการในโรงไอน้ำหลายแห่งทั่วโลก โดยเฉพาะใน HPI (อุตสาหกรรมกระบวนการไฮโดรคาร์บอน) ที่ผลิตน้ำมันและปิโตรเคมี สิ่งนี้มักเป็นเพราะไอน้ำยิ่งยวดมีอยู่แล้วในสถานที่สำหรับผลิตไฟฟ้า เป็นแหล่งพลังงานที่ต้องการสำหรับกังหัน มากกว่าเพราะมีข้อได้เปรียบเหนือไอน้ำอิ่มตัวสำหรับให้ความร้อน เพื่อชี้แจงประเด็นนี้ ในกรณีส่วนใหญ่ ไอน้ำอิ่มตัวควรใช้สำหรับกระบวนการถ่ายเทความร้อน แม้ว่าจะหมายถึงการลดความยิ่งยวดของไอน้ำ HPI มักลดความยิ่งยวดของไอน้ำเหลือประมาณสิบองศาเหนือความยิ่งยวด ปริมาณความยิ่งยวดเล็กน้อยนี้ถูกกำจัดอย่างรวดเร็วในส่วนแรกของพื้นที่ให้ความร้อน ปริมาณที่มากกว่ายากกว่า และมักไม่ประหยัดที่จะจัดการ และ (สำหรับให้ความร้อน) ควรหลีกเลี่ยง มีเหตุผลหลายประการที่ไอน้ำยิ่งยวดไม่เหมาะสำหรับให้ความร้อนกระบวนการเท่าไอน้ำอิ่มตัว: ไอน้ำยิ่งยวดต้องเย็นลงสู่อุณหภูมิอิ่มตัวก่อนจึงจะควบแน่นเพื่อปล่อยความร้อนแฝง (เอนทัลปีของการระเหย) ปริมาณความร้อนที่ปล่อยโดยไอน้ำยิ่งยวดขณะเย็นลงสู่อุณหภูมิอิ่มตัวค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับเอนทัลปีของการระเหย หากไอน้ำมีความยิ่งยวดเพียงไม่กี่องศา ความร้อนเล็กน้อยนี้จะถูกปล่อยอย่างรวดเร็วก่อนการควบแน่น อย่างไรก็ตาม หากไอน้ำมีความยิ่งยวดมาก อาจใช้เวลาค่อนข้างนานในการเย็นลง ระหว่างที่ไอน้ำปล่อยพลังงานน้อยมาก ต่างจากไอน้ำอิ่มตัว อุณหภูมิของไอน้ำยิ่งยวดไม่สม่ำเสมอ ไอน้ำยิ่งยวดต้องเย็นลงเพื่อให้ความร้อน ในขณะที่ไอน้ำอิ่มตัวเปลี่ยนสถานะ ซึ่งหมายความว่าความชันของอุณหภูมิบนพื้นที่ถ่ายเทความร้อนอาจเกิดขึ้นกับไอน้ำยิ่งยวด ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การใช้ไอน้ำยิ่งยวดอาจนำไปสู่การก่อตัวของเขตต้มผนังแห้ง ใกล้แผ่นท่อ พื้นที่ผนังแห้งนี้อาจกลายเป็นตะกรันหรือสกปรกอย่างรวดเร็ว และอุณหภูมิสูงของผนังท่อที่เกิดขึ้นอาจทำให้ท่อเสียหาย สิ่งนี้แสดงให้เห็นชัดว่าในการใช้งานถ่ายเทความร้อน ไอน้ำที่มีความยิ่งยวดมากมีประโยชน์น้อย เพราะมัน:

• ให้ความร้อนน้อยจนกว่าจะเย็นลงสู่อุณหภูมิอิ่มตัว
• สร้างความชันของอุณหภูมิบนพื้นที่ถ่ายเทความร้อนขณะเย็นลงสู่อุณหภูมิอิ่มตัว
• ให้อัตราการถ่ายเทความร้อนต่ำกว่าขณะที่ไอน้ำยิ่งยวด
• ต้องการพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ใหญ่กว่า ดังนั้น ไอน้ำยิ่งยวดจึงไม่มีประสิทธิภาพเท่าไอน้ำอิ่มตัวสำหรับการใช้งานถ่ายเทความร้อน อาจดูแปลก เพราะอัตราการถ่ายเทความร้อนผ่านพื้นที่ให้ความร้อนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลต่างอุณหภูมิ หากไอน้ำยิ่งยวดมีอุณหภูมิสูงกว่าไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันเดียวกัน ไอน้ำยิ่งยวดควรให้ความร้อนมากกว่าหรือไม่? คำตอบคือ ‘ไม่’ จะพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติม เป็นจริงที่ผลต่างอุณหภูมิจะมีผลต่ออัตราการถ่ายเทความร้อนผ่านพื้นที่ถ่ายเทความร้อน ตามที่แสดงชัดเจนในสมการ 2.5.3

สมการ 2.5.3 ยังแสดงว่าการถ่ายเทความร้อนจะขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม ‘U’ และพื้นที่ถ่ายเทความร้อน ‘A’

สำหรับการใช้งานเดี่ยวใดๆ พื้นที่ถ่ายเทความร้อนอาจคงที่ อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถพูดเช่นเดียวกันสำหรับค่า ‘U’; และนี่คือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างไอน้ำอิ่มตัวและยิ่งยวด ค่า ‘U’ รวมสำหรับไอน้ำยิ่งยวดจะแตกต่างกันตลอดกระบวนการ แต่จะต่ำกว่าสำหรับไอน้ำอิ่มตัวเสมอ เป็นการยากที่จะคาดเดาค่า ‘U’ สำหรับไอน้ำยิ่งยวด เนื่องจากขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ แต่โดยทั่วไป ยิ่งระดับความยิ่งยวดสูง ค่า ‘U’ ยิ่งต่ำ โดยทั่วไป สำหรับขดลวดไอน้ำแนวนอนที่ล้อมรอบด้วยน้ำ ค่า ‘U’ อาจต่ำถึง 50 ถึง 100 W/m² °C สำหรับไอน้ำยิ่งยวด แต่ 1 200 W/m² °C สำหรับไอน้ำอิ่มตัว ตามที่แสดงในรูป 2.3.4 สำหรับการใช้งานไอน้ำกับน้ำมัน ค่า ‘U’ อาจน้อยกว่ามาก อาจต่ำถึง 20 W/m² °C สำหรับไอน้ำยิ่งยวดและ 150 W/m² °C สำหรับไอน้ำอิ่มตัว ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ 100 W/m² °C สำหรับไอน้ำยิ่งยวดและ 500 W/m² °C สำหรับไอน้ำอิ่มตัวสามารถคาดหวังได้ ตัวเลขเหล่านี้เป็นค่าทั่วไป; ค่าจริงจะแตกต่างเนื่องจากข้อพิจารณาการออกแบบและปฏิบัติการอื่นๆ แม้ว่าอุณหภูมิของไอน้ำยิ่งยวดจะสูงกว่าไอน้ำอิ่มตัวเสมอที่ความดันเดียวกัน ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนจึงต่ำกว่ามาก ผลโดยรวมคือไอน้ำยิ่งยวดมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนน้อยกว่าไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันเดียวกันมาก ส่วนถัดไป ‘การสะสมสิ่งสกปรก’ ให้รายละเอียดเพิ่มเติม

ไม่เพียงแต่ไอน้ำยิ่งยวดมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการถ่ายเทความร้อน แต่ยังยากที่จะกำหนดปริมาณโดยใช้สมการ 2.5.3, Q̇ = U A ΔT เนื่องจากอุณหภูมิของไอน้ำจะลดลงเมื่อให้ความร้อนขณะผ่านพื้นที่ให้ความร้อน

การคาดเดาขนาดของพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ใช้ไอน้ำยิ่งยวดเป็นเรื่องยากและซับซ้อน ในทางปฏิบัติ ข้อมูลพื้นฐานที่ต้องใช้ในการคำนวณดังกล่าวไม่ทราบหรือได้มาจากการทดลอง ทำให้ความน่าเชื่อถือและแม่นยำอยู่ในข้อสงสัย เห็นได้ชัดว่า เนื่องจากไอน้ำยิ่งยวดมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการถ่ายเทความร้อนเทียบกับไอน้ำอิ่มตัว พื้นที่ให้ความร้อนที่ใช้ไอน้ำยิ่งยวดจะต้องใหญ่กว่าขดลวดไอน้ำอิ่มตัวที่ทำงานที่ความดันเดียวกันเพื่อส่งอัตราการไหลความร้อนเดียวกัน หากไม่มีทางเลือกนอกจากใช้ไอน้ำยิ่งยวด ไม่สามารถรักษาไอน้ำในสถานะยิ่งยวดตลอดขดลวดหรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้ เนื่องจากเมื่อให้ความร้อนบางส่วนแก่ของเหลวทุติยภูมิ จะเย็นลงสู่อุณหภูมิอิ่มตัว ปริมาณความร้อนเหนืออิ่มตัวค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับปริมาณมากที่มีเมื่อการควบแน่นเกิดขึ้น ไอน้ำควรถึงอิ่มตัวค่อนข้างเร็วในกระบวนการ; ซึ่งอนุญาตให้ไอน้ำควบแน่นเพื่อผลิตอัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงขึ้นและส่งผลให้ค่า ‘U’ รวมสูงขึ้นสำหรับทั้งขดลวด ดูรูป 2.3.5 เพื่อช่วยให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ไอน้ำยิ่งยวดที่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์การถ่ายเทความร้อนไม่ควรถือความยิ่งยวดเกิน 10 °C

หากเป็นเช่นนี้ ค่อนข้างง่ายและปฏิบัติได้จริงที่จะออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือขดลวดที่มีพื้นที่ให้ความร้อนบนพื้นฐานของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันเดียวกัน โดยเพิ่มพื้นที่ผิวบางส่วนเพื่อรองรับความยิ่งยวด โดยใช้แนวทางนี้ ส่วนแรกของขดลวดจะใช้เพียงเพื่อลดอุณหภูมิไอน้ำยิ่งยวดสู่จุดอิ่มตัว ส่วนที่เหลือของขดลวดจะสามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถการถ่ายเทความร้อนที่สูงกว่าของไอน้ำอิ่มตัว ผลคือค่า ‘U’ รวมอาจไม่ต่ำกว่ามากหากจ่ายไอน้ำอิ่มตัวให้ขดลวด

จากประสบการณ์จริง หากพื้นที่ให้ความร้อนเพิ่มเติมที่ต้องการสำหรับไอน้ำยิ่งยวดคือ 1% ต่อ 2 °C ของความยิ่งยวด ขดลวด (หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) จะใหญ่เพียงพอ สิ่งนี้ดูใช้ได้ถึง 10 °C ของความยิ่งยวด ไม่แนะนำให้ใช้ไอน้ำยิ่งยวดเหนือ 10 °C สำหรับให้ความร้อนเนื่องจากขนาดพื้นที่ให้ความร้อนที่อาจไม่สมส่วนและไม่ประหยัด แนวโน้มที่จะสะสมสิ่งสกปรก และความเป็นไปได้ที่ผลิตภัณฑ์เสียหายจากอุณหภูมิยิ่งยวดที่สูงและไม่สม่ำเสมอ

การสะสมสิ่งสกปรก

การสะสมสิ่งสกปรกเกิดจากสารสะสมที่ก่อตัวบนพื้นที่ถ่ายเทความร้อน เพิ่มความต้านทานต่อการไหลของความร้อน ของเหลวกระบวนการหลายชนิดสามารถสะสมตะกอนหรือตะกรันบนพื้นที่ให้ความร้อน และจะทำเช่นนั้นเร็วขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า ยิ่งไปกว่านั้น ไอน้ำยิ่งยวดเป็นก๊าซแห้ง ความร้อนที่ไหลจากไอน้ำไปยังผนังโลหะต้องผ่านฟิล์มสถิตที่ยึดติดผนัง ซึ่งต้านทานการไหลของความร้อน ในทางตรงกันข้าม การควบแน่นของไอน้ำอิ่มตัวทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอน้ำไปยังผนัง และการปล่อยความร้อนแฝงปริมาณมากที่พื้นผิวควบแน่น การผสมผสานของปัจจัยเหล่านี้หมายความว่าอัตราการถ่ายเทความร้อนรวมต่ำกว่ามากในที่ที่มีไอน้ำยิ่งยวด แม้ว่าผลต่างอุณหภูมิระหว่างไอน้ำและของเหลวทุติยภูมิจะสูงกว่า

ตัวอย่าง 2.3.3 การกำหนดขนาดมัดท่อสำหรับไอน้ำยิ่งยวด

ไอน้ำยิ่งยวดที่ 3 bar g ที่มีความยิ่งยวด 10 °C (154 °C) จะใช้เป็นแหล่งความร้อนปฐมภูมิสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกระบวนการแบบเปลือกและท่อที่มีโหลดให้ความร้อน 250 kW ให้ความร้อนของเหลวที่มีน้ำมันเป็นฐานจาก 80 °C เป็น 120 °C (ทำให้อุณหภูมิเฉลี่ยเลขคณิตทุติยภูมิ (ΔTAM) เป็น 100 °C) ประมาณพื้นที่ขดลวดไอน้ำปฐมภูมิที่ต้องการ (ใช้อุณหภูมิเฉลี่ยเลขคณิตเพื่อให้การคำนวณง่าย; ในทางปฏิบัติ อุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึมจะใช้เพื่อความแม่นยำที่มากกว่า โปรดอ้างอิงโมดูล 2.5 ‘Heat Transfer’ สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับอุณหภูมิเฉลี่ยเลขคณิตและลอการิทึม) ก่อนอื่น พิจารณาขดลวดหากให้ความร้อนด้วยไอน้ำอิ่มตัวที่ 3 bar g (144 °C) ค่า ‘U’ สำหรับไอน้ำอิ่มตัวให้ความร้อนน้ำมันผ่านขดลวดเหล็กคาร์บอนใหม่ถือเป็น 500 W/m2 °C

การใช้งานอื่นที่ใช้ไอน้ำยิ่งยวด

ทั้งหมดข้างต้นใช้เมื่อไอน้ำไหลผ่านช่องทางค่อนข้างแคบ เช่น ท่อในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ หรือแผ่นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น ในบางการใช้งาน อาจเป็นลูกกลิ้งอบแห้งในเครื่องจักรกระดาษ ไอน้ำยิ่งยวดถูกส่งเข้าปริมาตรที่ใหญ่กว่า เมื่อความเร็วลดลงเหลือค่าเล็กมาก ที่นี่ ไอน้ำใกล้ผนังลูกกลิ้งลดอุณหภูมิลงใกล้อิ่มตัวอย่างรวดเร็วและการควบแน่นเริ่มขึ้น การไหลของความร้อนผ่านผนังจึงเหมือนกับลูกกลิ้งที่จ่ายด้วยไอน้ำอิ่มตัว ความยิ่งยวดมีอยู่เฉพาะใน ‘แกนกลาง’ ในช่องไอน้ำและไม่มีผลที่สังเกตเห็นได้ต่ออัตราการถ่ายเทความร้อน มีกรณีที่การมีอยู่ของความยิ่งยวดสามารถลดประสิทธิภาพของกระบวนการ ที่ไอน้ำถูกใช้เป็นวัสดุกระบวนการ กระบวนการดังกล่าวอาจเกี่ยวข้องกับความชื้นที่ถ่ายทอดให้ผลิตภัณฑ์จากไอน้ำเมื่อควบแน่น เช่น การปรับสภาพอาหารสัตว์ (แป้ง) ก่อนการเป็นเม็ด ที่นี่ความชื้นที่ให้โดยไอน้ำเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการ; ไอน้ำยิ่งยวดจะทำให้แป้งแห้งเกินไปและทำให้การเป็นเม็ดยาก

ผลของการลดความดันไอน้ำ

นอกจากการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติม (ที่เรียกว่า ‘superheater’) ความยิ่งยวดยังสามารถถ่ายทอดให้ไอน้ำโดยอนุญาตให้ขยายตัวสู่ความดันต่ำกว่าเมื่อผ่านรูวาล์วลดความดัน สิ่งนี้เรียกว่ากระบวนการ throttle โดยไอน้ำความดันต่ำกว่ามีเอนทัลปีเดียวกัน (ยกเว้นปริมาณเล็กน้อยที่สูญเสียจากแรงเสียดทานในการผ่านวาล์ว) กับไอน้ำความดันสูงต้นน้ำ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิของไอน้ำ throttle จะต่ำกว่าไอน้ำจ่ายเสมอ สถานะของไอน้ำ throttle จะขึ้นอยู่กับ:

• ความดันของไอน้ำจ่าย
• สถานะของไอน้ำจ่าย
• แรงดันตกผ่านรูวาล์ว สำหรับไอน้ำจ่ายต่ำกว่า 30 bar g ในสถานะอิ่มตัวแห้ง แรงดันลดใดๆ จะผลิตไอน้ำยิ่งยวดหลัง throttle ระดับความยิ่งยวดจะขึ้นอยู่กับปริมาณการลดความดัน สำหรับไอน้ำจ่ายเหนือ 30 bar g ในสถานะอิ่มตัวแห้ง ไอน้ำ throttle อาจเป็นยิ่งยวด อิ่มตัวแห้ง หรือแม้แต่เปียก ขึ้นอยู่กับปริมาณแรงดันลด ตัวอย่างเช่น ไอน้ำอิ่มตัวแห้งที่ 60 bar g จะต้องลดเหลือประมาณ 10.5 bar g เพื่อผลิตไอน้ำอิ่มตัวแห้ง แรงดันลดน้อยกว่าจะผลิตไอน้ำเปียก ในขณะที่แรงดันลดมากกว่าจะผลิตไอน้ำยิ่งยวด เช่นเดียวกัน สถานะของไอน้ำจ่ายที่ความดันใดๆ จะมีอิทธิพลต่อสถานะของไอน้ำ throttle ตัวอย่างเช่น ไอน้ำเปียกที่ความดัน 10 bar g และค่าความแห้ง 0.95 จะต้องลดเหลือ 0.135 bar g เพื่อผลิตไอน้ำอิ่มตัวแห้ง แรงดันลดน้อยกว่าจะผลิตไอน้ำเปียกในขณะที่แรงดันลดมากกว่าจะทำให้ไอน้ำ throttle ยิ่งยวด

ตัวอย่าง 2.3.4 การเพิ่มความแห้งของไอน้ำเปียกด้วยวาล์วควบคุม

ไอน้ำที่มีค่าความแห้ง (χ) 0.95 ถูกลดจาก 6 bar g เป็น 1 bar g โดยใช้วาล์วลดแรงดัน กำหนดสภาพไอน้ำหลังวาล์วลดแรงดัน

เนื่องจากเอนทัลปีจริงของไอน้ำที่ 1 bar g น้อยกว่าเอนทัลปีของไอน้ำอิ่มตัวแห้งที่ 1 bar g ไอน้ำจึงไม่ยิ่งยวดและยังคงสัดส่วนความชื้นในเนื้อหา

เนื่องจากเอนทัลปีรวมหลังวาล์วลดแรงดันน้อยกว่าเอนทัลปีรวมของไอน้ำที่ 1 bar g ไอน้ำจึงยังเปียก

ตัวอย่าง 2.3.5 ความยิ่งยวดที่เกิดจากวาล์วควบคุม

ไอน้ำที่มีค่าความแห้ง 0.98 ถูกลดจาก 10 bar g เหลือ 1 bar g โดยใช้วาล์วลดแรงดัน (ตามที่แสดงในรูป 2.3.6)

กำหนดระดับความยิ่งยวดหลังวาล์ว

เช่นเดียวกับตัวอย่างก่อนหน้า (2.3.4) เอนทัลปีจำเพาะของไอน้ำอิ่มตัวแห้ง (hg) ที่ 1 bar g คือ 2 706.7 kJ/kg เอนทัลปีรวมจริงของไอน้ำมากกว่าเอนทัลปีรวม (hg) ของไอน้ำอิ่มตัวแห้งที่ 1 bar g ดังนั้นไอน้ำไม่เพียงแห้ง 100% แต่ยังมีระดับความยิ่งยวดบางส่วน พลังงานส่วนเกิน = 2 741.7 - 2 706.7 = 35 kJ/kg และสิ่งนี้ใช้เพื่อยกระดับอุณหภูมิของไอน้ำจากอุณหภูมิอิ่มตัว 120 °C เป็น 136 °C

ระดับความยิ่งยวดอาจกำหนดได้โดยใช้ตารางไอน้ำยิ่งยวด หรือโดยใช้แผนภูมิ Mollier

แผนภูมิ Mollier เป็นกราฟของเอนทัลปีจำเพาะของไอน้ำเทียบกับเอนโทรปีจำเพาะ (sg)

รูป 2.3.7 แสดงเวอร์ชันย่อมาตราส่วนเล็กของแผนภูมิ Mollier แผนภูมิ Mollier แสดงความสัมพันธ์ที่แตกต่างกันหลายอย่างระหว่างเอนทัลปี เอนโทรปี อุณหภูมิ ความดัน และค่าความแห้ง อาจดูค่อนข้างซับซ้อน เนื่องจากจำนวนเส้น:

เส้นเอนทัลปีคงที่ (แนวนอน) เส้นเอนโทรปีคงที่ (แนวตั้ง) เส้นโค้งอิ่มตัวของไอน้ำผ่านกลางแผนภูมิแบ่งเป็นภูมิภาคไอน้ำยิ่งยวด และภูมิภาคไอน้ำเปียก ที่จุดใดเหนือเส้นโค้งอิ่มตัว ไอน้ำยิ่งยวด และที่จุดใดใต้เส้นโค้งอิ่มตัว ไอน้ำเปียก เส้นโค้งอิ่มตัวเองแสดงสถานะของไอน้ำอิ่มตัวแห้งที่ความดันต่างๆ เส้นความดันคงที่ในทั้งสองภูมิภาค เส้นอุณหภูมิคงที่ในภูมิภาคความยิ่งยวด เส้นค่าความแห้งคงที่ (χ) ในภูมิภาคเปียก การขยายตัวที่สมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น ในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรไอน้ำ เป็นกระบวนการเอนโทรปีคงที่ และสามารถแสดงบนแผนภูมิโดยการเคลื่อนที่ในแนวตั้งลงจากจุดที่แสดงสภาพเริ่มต้นไปยังจุดที่แสดงสภาพสุดท้าย กระบวนการ throttle ที่สมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น ผ่านวาล์วลดแรงดัน เป็นกระบวนการเอนทัลปีคงที่ สามารถแสดงบนแผนภูมิโดยการเคลื่อนที่แนวนอนจากซ้ายไปขวา จากจุดที่แสดงสภาพเริ่มต้นไปยังจุดที่แสดงสภาพสุดท้าย ทั้งสองกระบวนการเกี่ยวข้องกับการลดความดัน แต่ความแตกต่างอยู่ที่วิธีที่บรรลุ สองตัวอย่างที่แสดงในรูป 2.3.8 แสดงข้อดีของแผนภูมิในการวิเคราะห์กระบวนการไอน้ำ; ให้การแสดงภาพของกระบวนการดังกล่าว อย่างไรก็ตาม กระบวนการไอน้ำยังสามารถแสดงเป็นตัวเลขโดยค่าที่ให้ในตารางไอน้ำยิ่งยวด

ตัวอย่าง 2.3.6 การขยายตัว isentropic ที่สมบูรณ์ที่ส่งผลในงาน

พิจารณาการขยายตัวที่สมบูรณ์ของไอน้ำผ่านกังหัน เบื้องต้นความดันคือ 50 bar a อุณหภูมิคือ 300 °C และความดันสุดท้ายคือ 0.04 bar a

เนื่องจากกระบวนการเป็นการขยายตัวที่สมบูรณ์ เอนโทรปีคงที่ สภาพสุดท้ายอาจพบโดยหยดลงในแนวตั้งจากสภาพเริ่มต้นไปยังเส้นความดันคงที่ 0.04 bar a (ดูรูป 2.3.9) ที่สภาพเริ่มต้น เอนโทรปีประมาณ 6.25 kJ/kg °C หากเส้นนี้ถูกตามลงในแนวตั้งจนถึง 0.04 bar a สภาพสุดท้ายของไอน้ำอาจประเมินได้ ที่จุดนี้เอนทัลปีจำเพาะคือ 1 890 kJ/kg และค่าความแห้งคือ 0.72 (ดูรูป 2.3.9) สภาพสุดท้ายอาจกำหนดได้โดยใช้ตารางไอน้ำยิ่งยวด ที่สภาพเริ่มต้น (50 bar a/300 °C): hg = 2 927 kJ/kg และ sg = 6.212 kJ/kg °C สำหรับไอน้ำอิ่มตัวแห้ง 0.04 bar a: sf = 0.422 kJ/kg °C sfg = 8.051 kJ/kg °C และ sg = 8.473 kJ/kg °C

เนื่องจากเอนโทรปีของไอน้ำอิ่มตัวแห้งที่ 0.04 bar a (8.473 kJ/kg °C) มากกว่าเอนโทรปีของไอน้ำยิ่งยวดที่ 50 bar a/300 °C (6.212 kJ/kg °C) ดังนั้นไอน้ำอิ่มตัวแห้งบางส่วนต้องควบแน่นเพื่อรักษาเอนโทรปีคงที่

เนื่องจากเอนโทรปีคงที่ ที่สภาพสุดท้าย:

คำตอบเหล่านี้สอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับผลลัพธ์ที่ได้โดยใช้แผนภูมิ Mollier ความแตกต่างเล็กน้อยในค่าระหว่างสองชุดผลลัพธ์เป็นที่คาดหวัง เนื่องจากความไม่แม่นยำที่เกี่ยวข้องในการอ่านจากแผนภูมิเช่นนี้