ระบบท่อไอน้ำ
ระบบท่อมีความสำคัญในการเชื่อมต่อระหว่างแหล่งกำเนิดไอน้ำกับผู้ใช้งานเพื่อให้ได้ไอน้ำที่มีคุณภาพ แรงดันได้ตามต้องการ และเพื่อให้ต้นทุนในการผลิตต่ำ ในการออกแบบจึ่งต้องพยายามลดการสูญเสียความร้อนในระบบท่อ
เมื่อวาล์วที่หม้อต้มเปิดออกไอน้ำจะไหลเข้าสู่ระบบท่อไอน้ำซึ่งขณะเริ่มต้นท่อไอน้ำมีอุณหภูมิเย็นทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนนอกจากนี้อากาศที่อยู่รอบ ๆ ท่อเย็นกว่าทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนสู่อากาศโดยรอบด้วย หลังจากไอน้ำถ่ายเทความร้อนให้กับท่อและอากาศโดยรอบแล้วทำให้ไอน้ำเกิดการควบแน่นส่งผลให้แรงดันในท่อลดลง พลังงานไอน้ำที่จะส่งต่อไปยังปลายทางลดลง สำหรับน้ำ Condensate ที่เกิดขึ้นจะต้องถูกระบายออกจากระบบที่จุดต่ำสุดของท่อแต่ละช่วง
การเลือกแรงดันใช้งาน
ในการออกแบบเพื่อให้ได้แรงดัน ณ จุดใช้งานตามที่กำหนดจำเป็นต้องรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับแรงดันที่สูญเสียในระบบได้แก่ แรงดันตกจากแรงเสียดทานภายในท่อ และ แรงดันตกอันเนื่องจากไอน้ำเกิดการควบแน่น สำหรับไอน้ำที่แรงดันสูงปริมาตรต่อน้ำหนักจะน้อยกว่าไอน้ำที่แรงดันต่ำทำให้ท่อไอน้ำที่ออกจากหม้อต้มมีขนาดเล็กกว่าท่อที่เดินในระบบ ในการลดแรงดันเพื่อใช้งานในแต่ละจุดจะทำการลดที่ปลายทางโดยระบบที่ดีจะพยายามเดินท่อหลักใกล้จุดใช้งานมากที่สุดเนื่องจาก
- ท่อหลักมีขนาดเล็กทำให้พื้นที่ในการแลกเปลี่ยนความร้อนน้อยลงเป็นการลดการสูญเสียพลังงาน
- ต้นทุนในการติดตั้งน้อยกว่าเนื่องจากท่อมีขนาดเล็ก รวมถึงปริมาณฉนวนที่ใช้หุ้มน้อย
- ที่จุดใช้งานได้ไอน้ำอิ่มตัวเนื่องจากทำการลดแรงดันที่จุดใช้งาน
- หม้อต้มทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเนื่องจากแรงดันภายในสูงขึ้น
- หม้อต้มสามารถเก็บพลังงานความร้อนได้มากขึ้นเนื่องจากแรงดันภายในสูงช่วยลดปัญหาการใช้พลังงานความร้อนที่ขึ้นลงไม่แน่นอนได้
การเลือกขนาดท่อ
ขนาดท่อใหญ่ขึ้นส่งผลให้
- ค่าใช้จ่ายในการติดตั้งสูงขึ้น
- พื้นที่ขนาดใหญ่ทำให้เกิดการสูญเสียความร้อน ประสิทธิภาพของไอน้ำลดลง
ขนาดท่อลดลงส่งผลให้
- ความเร็วของไอน้ำเพิ่มขึ้นแรงดันไอน้ำลดลง
- ปริมาณไอน้ำที่จุดใช้งานอาจำไม่เพียงพอ
- ระบบท่อจะสึกหรอและส่งเสียงดังจากปัญหา water hammer เนื่องจากความเร็วของน้ำมาก
การออกแบบระบบท่อไอน้ำ
ขนาดของท่อจะขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของไอน้ำและแรงดันในท่อ เมื่อเรารู้อัตราการไหลเราสามารถหาขนาดของท่อได้โดยการกำหนดความเร็วที่ยอมรับได้ในระบบ(ในกรณีระบบมีความเร็วมากเกินไปอาจส่งผลให้เกิด ปัญหา Water hammer) สำหรับแรงดันมีผลต่อระบบเนื่องจากความหนาแน่นของไอน้ำจะไม่เท่ากันในแต่ละแรงดัน
ในการเลือกความหนาท่อจะกล่าวถึง Schedules ซึงเป็นมาตรฐานที่ใช้ในการบอกถึงความสามารถในการรับแรงดันภายในท่อ สำหรับงานไอน้ำจะเลือกใช้ขนาด 40 และ 80
Pressure Factor
หมายถึง ตัวเลขที่แสดงสัดส่วนแรงดันตกต่อหนึ่งหน่วยความยาว เมื่อนำมาเทียบในตาราง Pipeline Capacity และรู้ปริมาณอัตราการไหลของไอน้ำจะสามารถหาขนาดท่อได้โดยค่า Pressure Factor สามารถคำนวณได้จากสมการ
F(Pressure Factor) = (P1-P2)/L
โดยแรงดันต้นทางและปลายทางในสมการได้จากการเทียบค่าแรงดันใช้งานในตาราง Pressure Drop Factors
สำหรับความยาวในสมการด้านบน ในการออกแบบท่อไอน้ำแรงดันตกที่เกิดขึ้นในท่อต้องรวมแรงดันตกคร่อมอุปกรณ์ไอน้ำและข้อต่อเข้าไปในการคำนวณด้วย ในการประมาณแรงดันตกที่เกิดจากข้อต่อเราสามารถเพิ่มค่าเผื่อได้เลยโดย
ท่อที่มีความยาวน้อยกว่า 100 เมตรและข้อต่อไม่มากจะเผื่อ 5 %
ท่อที่มีความยาวมากกว่า 100 เมตรและข้อต่อไม่มากจะเผื่อ 10 %
กรณีท่อสั้นแต่มีข้อต่อจำนวนมากจะเผื่อถึง 20 %
การถ่ายเทความร้อนของท่อทำให้ปริมาณไอน้ำลดลงกลายเป็นน้ำคอนเดนเซท โดยปกติจะลดลง 1 % ทุก ๆ ระยะทาง 30 m ดังนั้นในการเปิดตารางหาขนาดท่อจะต้องชดเชยปริมาณไอน้ำที่ลดลงไปด้วย
ในการออกแบบระบบท่อที่ดีจะต้องเผื่อระบบผิดพลาดและเผื่ออนาคตจะเพิ่มกำลังการผลิตด้วย ถ้าคำนวณหาค่า F อยู่ระหว่างสองค่าในตาราง เราสามารถเทียบหาค่าที่ถูกต้องได้
หลังจากเลือกขนาดท่อจากตาราง Pipeline Capacity แล้วให้ทำการตรวจสอบความเร็วที่แท้จริงของไอน้ำด้วยว่าความเร็วดังกล่าวยังสามารถยอมรับได้หรือไม่สำหรับท่อไอน้ำโดยทั่วไปความเร็วจะอยู่ระหว่าง 25 ถึง 30 m/s การตรวจสอบสามารถหาได้จากตารางแสดงอัตราการไหลในท่อ (kg/hr) หรือจากการคำนวนจากสมการ
Velocity m/s = Flow rate kg/h x specific volume m3/kg x 1/3600 h/s
Cross Area of pipe m2
ตารางแสดง Pressure Drop Factors
ตารางแสดง Pipeline Capacity
ตารางแสดงอัตราการไหลในท่อ (kg/hr)
จากรูปตัวอย่างจงคำนวณหาแรงดันตก
จากรูปความยาวของท่อจากหม้อต้มไปยัง battery เท่ากับ 195 เมตร
เพิ่มระยะเผื่อ 10 % = 195 + 10% = 214 m
ปริมาณไอน้ำที่ต้องผลิตคิดจากระยะทางหม้อถึงจุดใช้งานเท่ากับ 214 m
ปริมาณไอน้ำลดลง = (214 m / 30 m) x 1% = 7.1 %
อัตราการใช้ไอน้ำที่ต้องการเท่ากับ 270 kg/h
ปริมาณไอน้ำที่หม้อต้มต้องผลิต = 270 + 7.1% = 289 kg/h
จากตาราง Pressure Drop Factors
P1 at 7.0 bar = 56.38 P2 at 6.6 bar = 51.05
ค่า Pressure Factor เท่ากับ
F(Pressure Factor) = (56.38 – 51.05)/214 = 0.025
จากตาราง Pipeline Capacity ที่ F เท่ากับ 0.025
ที่ท่อขนาด 40 mm อัตราการไหลเท่ากับ 209.8 kg/h
ที่ท่อขนาด 50 mm อัตราการไหลเท่ากับ 459.7 kg/h
ดังนั้นในการเลือกท่อใช้งานจะต้องเลือกท่อขนาด 50 mm
ตรวจสอบความเร็วในท่อขนาด 50 mm จากตารางอัตราการไหลในท่อ ที่แรงดัน 7 bar อัตราการไหล 289 kg/h พบว่าน้อยกว่า 15 m/s แสดงว่าสามารถใช้ได้
ทดลองเลือกท่อขนาด 40 mm พบว่าอัตราการไหลอยู่ที่ประมาณ 15 m/s แต่เนื่องจากท่อที่เล็กลงทำให้แรงดันตกมากขึ้น โดยอัตราการไหลที่ต้องการเท่ากับ 289 kg/h จะต้องเลือกใช้ค่า F เท่ากับ 0.05 ซึ่งให้อัตราการไหลเท่ากับ 313.8 kg/h จากสมการ
F(Pressure Factor) = (P1-P2)/L
P2 = 56.38 - (0.05 x 214) = 45.68
เมื่อเทียบในตาราง Pressure Drop Factor ได้ P2 ต่ำกว่า 6.1 bar
ตัวอย่าง 2
จากรูปจงหาขนาดท่อ โดยกำหนดให้ที่ S มีแรงดันเท่ากับ 8 bar และที่จุด A, B, C, D, E มีแรงดันไม่น้อยกว่า 7 bar
ขั้นตอนที่ 1 หาขนาดท่อหลักจากแรงดันตกที่มีค่าน้อยที่สุดเนื่องจากที่จุดใช้งานทุกจุดมีแรงดันเท่ากันดังนั้นเส้นทางหลักคือเส้นทางที่มีความยาวมากที่สุดได้แก่ SA
* ที่ Ps = 8 bar จากตาราง Pressure Drop Factor จะได้เท่ากับ 70.8
Pa = 7 bar จากตาราง Pressure Drop Factor จะได้เท่ากับ 56.38
ดังนั้น (P1-P2)/L = (70.8-56.38)/1200 = 0.012
ที่ระยะ AX อัตราการไหล 450 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ขนาดท่อเท่ากับ 2 ½ “
* จากตารางอัตราการไหลที่ท่อขนาด 2 ½ “ความเร็วที่จุด A น้อยกว่า 15 m/s ค่าที่ได้ไม่มากกว่าในตารางดังนั้นสามารถใช้ท่อขนาดนี้ได้
* ทีค่า factor 0.012 สำหรับท่อหลักจะคงที่ตลอดระยะระหว่าง SA
ที่ระยะ XY อัตราการไหล 1350 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 4”
ที่ระยะ YZ อัตราการไหล 1650 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 4”
ที่ระยะ ZW อัตราการไหล 2850 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 6”
ที่ระยะ WS อัตราการไหล 3300 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 6”
ขั้นตอนที่ 2 หาขนาดท่อแยก WE, ZD, YC, XB ต้องทราบแรงดันที่ W, Z, Y, X ก่อนโดยพิจารณาจาก
* พิจารณาที่ SW ขนาดท่อ 6” อัตราการไหล 3300 kg/h
จากตาราง factor ที่ 0.004 = 3330
ดังนั้นแรงดันที่จุด W เท่ากับ
(70.8 – P2)/300 = 0.004 ดังนั้น P2 = 69.6
เมื่อพิจารณาที่ WE ค่า pressure factor เท่ากับ
(69.6 – 56.38)/250 = 0.053
ที่ระยะ WE อัตราการไหล 450 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 2”
* พิจารณาที่ WZ ขนาดท่อ 6” อัตราการไหล 2850 kg/h
จากตาราง factor ที่ 0.004 = 3330 และ 0.003 = 2767
Factor = 0.003 + (2850-2767)(0.004-0.003)/(3330-2767) = 0.0031
ดังนั้นแรงดันที่จุด Z เท่ากับ
(69.6 – P2)/150 = 0.0031 ดังนั้น P2 = 69.1
เมื่อพิจารณาที่ ZD ค่า pressure factor เท่ากับ
(69.1 – 56.38)/300 = 0.042
ที่ระยะ ZD อัตราการไหล 1200 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 3”
* พิจารณาที่ ZY ขนาดท่อ 4” อัตราการไหล 1650 kg/h
จากตาราง factor ที่ 0.008 = 1648
ดังนั้นแรงดันที่จุด Y เท่ากับ
(69.1– P2)/150 = 0.008 ดังนั้น P2 = 67.9
เมื่อพิจารณาที่ YC ค่า pressure factor เท่ากับ
(67.9 – 56.38)/450 = 0.026
ที่ระยะ YC อัตราการไหล 300 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 2”
* พิจารณาที่ YX ขนาดท่อ 4” อัตราการไหล 1350 kg/h
จากตาราง factor ที่ 0.005 = 1275 และ 0.006 = 1412
Factor = 0.005 + (1350-1275)(0.006-0.005)/(1412-1275) = 0.0055
ดังนั้นแรงดันที่จุด X เท่ากับ
(67.9 – P2)/300 = 0.0055 ดังนั้น P2 = 66.25
เมื่อพิจารณาที่ XB ค่า pressure factor เท่ากับ
(66.25– 56.38)/300 = 0.033
ที่ระยะ XB อัตราการไหล 900 kg/h จากตาราง Pipeline Capacity ได้ 2.5”
การออกแบบระบบท่อไอน้ำยิ่งยวด Super heat
สำหรับไอน้ำยิ่งยวดเนื่องจากเป็นไอแห้งดังนั้นความเร็วของไอน้ำในท่อจะสามารถมีค่าได้มากถึง 90 m/s เนื่องจากไม่ก่อให้เกิดปัญหา waterhammer
แต่อย่างไรก็ตามขนาดท่ออาจทำให้แรงดันที่จุดใช้งานลดลงดังนั้นจึ่งต้องทำการวิเคราะห์แรงดันด้วย
