ทฤษฎีการระบายอากาศ

ผลของอากาศ

หากอากาศผสมกับไอน้ำและไหลไปพร้อมกัน กระเป๋าอากาศจะยังคงอยู่ที่พื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไอน้ำควบแน่น ค่อยๆ ชั้นบางก่อตัวเป็นผ้าห่มฉนวน ขัดขวางการถ่ายเทความร้อนตามที่แสดงในรูป 11.12.1 อากาศถูกใช้อย่างกว้างขวางเป็นฉนวนเนื่องจากค่าการนำความร้อนต่ำ (ตัวอย่างเช่น กระจกสองชั้นที่ใช้ในหน้าต่างสมัยใหม่เป็นเพียงกระจกสองชั้นที่มีฉนวนอากาศคั่นระหว่าง) เช่นเดียวกัน อากาศใช้เพื่อลดการสูญเสียความร้อนจากท่อไอน้ำ วัสดุฉนวนส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซลล์อากาศจิ๋วนับล้าน ในเมทริกซ์ของไฟเบอร์กลาส ใยหิน หรือวัสดุโพลิเมอร์ อากาศเป็นฉนวนและวัสดุแข็งเพียงแค่ยึดไว้ในตำแหน่ง เช่นเดียวกัน ฟิล์มอากาศด้านไอน้ำของพื้นผิวถ่ายเทความร้อนเป็นความต้านทานต่อการไหลของความร้อน ลดอัตราการถ่ายเทความร้อน

ค่าการนำความร้อนของอากาศคือ 0.025 W/m °C ในขณะที่ค่าที่สอดคล้องสำหรับน้ำโดยทั่วไปคือ 0.6 W/m °C สำหรับเหล็กประมาณ 75 W/m °C และสำหรับทองแดงประมาณ 390 W/m °C ฟิล์มอากาศหนาเพียง 1 มม. ให้ความต้านทานต่อการไหลของความร้อนเท่ากับกำแพงทองแดงหนาประมาณ 15 เมตร! ไม่น่าเป็นไปได้ว่าอากาศมีอยู่เป็นฟิล์มสม่ำเสมอภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน น่าจะมากกว่า ความเข้มข้นของอากาศสูงกว่าใกล้พื้นผิวควบแน่น และต่ำกว่าไกลออกไป อย่างไรก็ตาม สะดวกที่จะจัดการเป็นชั้นเดียวเมื่อพยายามแสดงความต้านทานต่อการไหลของความร้อน เมื่ออากาศถูกเติมในไอน้ำ เนื้อหาความร้อนของปริมาตรที่กำหนดของส่วนผสมต่ำกว่าปริมาตรเดียวกันของไอน้ำบริสุทธิ์ ดังนั้นอุณหภูมิผสมลดลง กฎความดันย่อยของดาลตันระบุว่า; ‘ในส่วนผสมของไอน้ำและอากาศ ความดันรวมคือผลรวมของความดันย่อยที่ก๊าซแต่ละตัวจะกระทำ เมื่อครอบครองปริมาตรทั้งหมดเพียงลำพัง’ ตัวอย่างเช่น หากความดันรวมของส่วนผสมไอน้ำ/อากาศที่ 2 bar (สัมบูรณ์) ประกอบด้วย 3 ส่วนไอน้ำต่อ 1 ส่วนอากาศตามปริมาตร จากนั้น: ความดันย่อยของอากาศ = ¼ x 2 bar a = 0.5 bar a ความดันย่อยของไอน้ำ = ¾ x 2 bar a = 1.5 bar a ความดันรวมของส่วนผสม = 0.5 + 1.5 bar a = 2 bar a (1 bar g) เกจวัดความดันจะแสดงความดัน 1 bar g บอกเป็นนัยว่าอุณหภูมิที่สอดคล้องคือ 120°C ต่อผู้สังเกต อย่างไรก็ตาม ความดันย่อยเนื่องจากปริมาณไอน้ำที่มีในส่วนผสมเป็นเพียง 0.5 bar g (1.5 bar a) ให้อุณหภูมิเพียง 112°C ดังนั้น การมีอยู่ของอากาศมีผลสองเท่า:

• ให้ความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนผ่านผลของชั้น
• ลดอุณหภูมิของช่องไอน้ำดังนั้นลดความชันอุณหภูมิผ่านพื้นผิวถ่ายเทความร้อน ผลโดยรวมคือลดอัตราการถ่ายเทความร้อนต่ำกว่าที่กระบวนการวิกฤตอาจต้องการ และในกรณีเลวร้ายที่สุดอาจป้องกันไม่ให้บรรลุอุณหภูมิกระบวนการสุดท้ายที่ต้องการ ในหลายกระบวนการ อุณหภูมิขั้นต่ำต้องการเพื่อบรรลุการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ เช่นเดียวกับอุณหภูมิขั้นต่ำมีความจำเป็นในเครื่องฆ่าเชื้อ การมีอยู่ของอากาศเป็นปัญหาเฉพาะเพราะจะทำให้เกจวัดความดันบ่งชี้ผิด ดังนั้นอุณหภูมิไม่สามารถอนุมานจากความดัน

อากาศในระบบ

อากาศมีอยู่ในท่อไอน้ำและอุปกรณ์ไอน้ำเมื่อเริ่มเดินเครื่อง แม้ว่าระบบจะเติมด้วยไอน้ำบริสุทธิ์เมื่อใช้ การควบแน่นของไอน้ำจะทำให้เกิดสุญญากาศและดูดอากาศเข้าท่อเมื่อปิด

อากาศยังสามารถเข้าสู่ระบบในรูปละลายในน้ำป้อน ที่ 80°C น้ำสามารถละลายอากาศประมาณ 0.6% ของปริมาตร ความละลายของออกซิเจนประมาณสองเท่าของไนโตรเจน ดังนั้น ‘อากาศ’ ที่ละลายน้ำมีเกือบหนึ่งส่วนออกซิเจนต่อสองส่วนไนโตรเจนแทนที่จะเป็นหนึ่งส่วนต่อสี่ส่วนในอากาศบรรยากาศ คาร์บอนไดออกไซด์มีความละลายสูงกว่า ประมาณ 30 เท่าของออกซิเจน

น้ำป้อนหม้อไอน้ำและ kondensate ที่สัมผัสบรรยากาศสามารถดูดซับก๊าซเหล่านี้ได้ง่าย เมื่อน้ำถูกให้ความร้อนในหม้อไอน้ำ ก๊าซจะถูกปล่อยพร้อมไอน้ำและพาเข้าสู่ระบบจ่าย เว้นแต่น้ำ ‘เติม’ ของหม้อไอน้ำถูกกำจัดแร่ธาตุและก๊าซอย่างสมบูรณ์ มักจะมีโซเดียมคาร์บอเนตที่ละลายจากกระบวนการแลกเปลี่ยนสารเคมีของน้ำ โซเดียมคาร์บอเนตอาจปล่อยออกมาในระดับหนึ่งในหม้อไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ก่อตัวอีกครั้ง

ด้วยหม้อไอน้ำความดันสูงกว่า น้ำป้อนมักผ่านตัวกำจัดอากาศก่อนสูบไปยังหม้อไอน้ำ ตัวกำจัดอากาศที่ดีที่สุดสามารถลดระดับออกซิเจนเหลือ 3 ส่วนต่อล้าน (ppm) ในน้ำ ออกซิเจนคงเหลือนี้อาจจัดการด้วยการบำบัดสารเคมี อย่างไรก็ตาม ปริมาณออกซิเจนดังกล่าวจะมาพร้อมประมาณ 6 ppm ของไนโตรเจน ที่การบำบัดสารเคมีไม่สนใจ หากหม้อไอน้ำขนาดปานกลางผลิต 10,000 kg ต่อชั่วโมงของไอน้ำ ใช้น้ำประมาณ 10,000 ลิตรต่อชั่วโมง ผลิตไนโตรเจน 60 cm³ สิ่งนี้จะสะสมเมื่อเวลาผ่านไปด้วยผลสำคัญต่อการถ่ายเทความร้อนหากไม่ถูกกำจัดออกจากระบบ

การบำบัดทางกายภาพและเคมีที่ดีที่สุดยังคงอนุญาตให้ก๊าซไม่ควบแน่นที่ไม่ผ่านการบำบัดบางส่วนออกจากหม้อไอน้ำพร้อมไอน้ำ อากาศ มักไม่ถูกสงสัย มีอยู่ทั่วไปในระบบไอน้ำมากกว่าที่เชื่อ และเป็นสาเหตุของทั้งการจำกัดผลผลิตและการกัดกร่อนอุปกรณ์

สัญญาณของอากาศ

1. ผลผลิตของอุปกรณ์ให้ความร้อนด้วยไอน้ำลดลงอย่างต่อเนื่อง
2. ฟองอากาศใน kondensate
3. การกัดกร่อน การกำจัดอากาศจากระบบไอน้ำมีความสำคัญยิ่ง หน้าต่อไปจัดการกับปัญหาโดยอภิปรายการใช้งานช่องระบายอากาศ

การกำจัดอากาศ

วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการระบายอากาศคือด้วยอุปกรณ์อัตโนมัติ อากาศที่ผสมกับไอน้ำลดอุณหภูมิผสม สิ่งนี้อนุญาตให้อุปกรณ์เทอร์โมสแตติก (ที่ใช้หลักการความดันสมดุลหรือ bimetallic) ระบายระบบไอน้ำ ช่องระบายอากาศที่ติดตั้งบนช่องไอน้ำของภาชนะ (รูป 11.12.3) หรือที่ปลายท่อจ่ายหลัก (รูป 11.12.4) จะเปิดเมื่อมีอากาศ เพื่อกำจัดอากาศสูงสุด การปล่อยควรอิสระที่สุด ท่อมักติดตั้งเพื่อนำการปล่อยไปยังตำแหน่งปลอดภัย ไม่ใช่ท่อ kondensate กลับ ที่อาจจำกัดการปล่อยอากาศอิสระและอาจส่งเสริมการกัดกร่อน เมื่อช่องระบายอากาศเบี่ยง steam trap (รูป 11.12.5) จะทำหน้าที่เป็น steam trap หลังจากอากาศถูกระบาย และอาจเป็นครั้งคราวปล่อย kondensate ในกรณีดังกล่าวต้องเชื่อมต่อช่องระบายอากาศกลับไปยังท่อ kondensate หลัง trap

หากท่อปล่อย kondensate จาก trap ขึ้นสู่ระดับสูง ท่อที่ท่วมจะสร้างแรงดันกลับต่อ trap และช่องระบายอากาศ ความสามารถของช่องระบายอากาศในการปล่อยอากาศลดลง โดยเฉพาะเมื่อเริ่มเดินเครื่อง สิ่งนี้ใช้เท่ากันเมื่อช่องระบายอากาศรวมอยู่ใน steam trap เมื่อรูปแบบของช่องไอน้ำแอปพลิเคชันและตำแหน่งทางเข้าไอน้ำหมายความว่าอากาศส่วนใหญ่ออกผ่านทางออก kondensate จะดีกว่าหากท่อปล่อยจาก steam trap และช่องระบายอากาศไม่ขึ้นสู่ระดับสูง

ตำแหน่งช่องระบายอากาศ

เมื่อขดลวดหรือภาชนะมีหน้าตัดค่อนข้างเล็ก ไอน้ำที่ส่งเข้าจะทำหน้าที่เหมือนลูกสูบ ดันอากาศไปยังจุดที่ไกลจากทางเข้าไอน้ำ ‘จุดระยะไกล’ นี้มักเป็นตำแหน่งที่ดีที่สุดสำหรับช่องระบายอากาศ ในกรณีของผู้ใช้ไอน้ำที่มีรูปแบบตามที่แสดงในรูป 11.12.6 อากาศบางส่วนจะผ่านทางออก kondensate ตามข้อกำหนดที่ทำใน trap หรือในทางเบี่ยง สำหรับการจัดการอากาศ อากาศที่เหลืออาจสะสมตามที่ระบุ ก่อตัวจุดเย็นบนพื้นผิวให้ความร้อน หน่วยไม่สามารถอุ่นได้สม่ำเสมอ และการบิดเบี้ยวอาจเกิดขึ้นในอุปกรณ์บางอย่าง เช่น เตียงรีดผ้า เนื่องจากส่วนผสมอากาศ/ไอน้ำหนาแน่นกว่าไอน้ำบริสุทธิ์ที่ความดันเดียวกัน โดยทั่วไปเพียงพอที่จะให้กำลังระบายอากาศใน steam trap ที่อยู่ต่ำ อย่างไรก็ตาม โหมดการทำงานของ trap หมายความว่า kondensate ก่อตัวซีลน้ำที่ทางเข้า trap บางครั้งป้องกันอากาศไม่ให้เข้าถึง trap อาจต้องพิจารณาช่องระบายอากาศอัตโนมัติที่เชื่อมต่อกับช่องไอน้ำเหนือระดับ kondensate ใดๆ มักสะดวกและมีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะเชื่อมต่อที่ด้านบนของช่องไอน้ำ ตามที่แสดงในรูป 11.12.6 อย่างไรก็ตาม ในกรณีของช่องไอน้ำสองช่องที่มีขนาดและรูปแบบเดียวกันแต่มีตำแหน่งทางเข้าไอน้ำต่างกัน ตำแหน่งของช่องระบายอากาศอาจต่างกัน ในรูป 11.12.7 และรูป 11.12.8 kondensate ระบายน้ำจากก้นภาชนะ แต่ด้วยทางเข้าไอน้ำด้านล่าง เมื่อเริ่มเดินเครื่อง อากาศมักถูกดันไปยังจุดระยะไกลที่อยู่ด้านบน อาจดีที่สุดที่จะวางช่องระบายอากาศที่ด้านบนในขณะที่ steam trap แบบลอย-เทอร์โมสแตติกจะจัดการอากาศตกค้างที่ก้นภาชนะ