Steam หรือไอน้ำนั้นมีลักษณะใส ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของน้ำจากของเหลวไปเป็นแก๊ส (vaporization) ถูกผลิตขึ้นจากหม้อไอน้ำ (boiler) โดยในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ได้มีการใช้ไอน้ำเป็นตัวกลางในการถ่ายความร้อนในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อุตสาหกรรมปิโตรเคมี อุตสาหกรรมกระดาษ อุตสาหกรรมน้ำตาล อุตสาหกรรมซักรีด หรือโรงพยาบาล เป็นต้น หลังจากแลกเปลี่ยนความร้อน ไอน้ำจะสูญเสียความร้อนทำให้เกิดการควบแน่น (condensation) ทำให้ไอน้ำกลายเป็นของเหลวที่เราเรียกว่า คอนเดนเสท (condensate) โดยคอนเดนเสทจะถูกระบายออกจากระบบไอน้ำทันทีด้วยกับดักไอน้ำ (steam trap) เพื่อให้การแลกเปลี่ยนความร้อนของระบบไอน้ำมีประสิทธิภาพสูงสุด

ซึ่งคอนเดนเสทนั้น ความจริงแล้วจะยังมีความร้อนอยู่ภายในตัว และมักจะถูกละเลยโดยการทิ้งทันทีและไม่มีการนำคอนเดนเสทกลับมาใช้ใหม่ (condensate recovery) เพียงเพราะว่าคอนเดนเสทนั้นมีแรงดันที่ต่ำและไม่เพียงพอจะดันกลับไปยังส่วนผลิตไอน้ำหรือ boiler house ได้

การนำคอนเดนเสทกลับมาใช้ใหม่นั้น สามารถลดการใช้เชื้อเพลิง น้ำ และค่าใช้จ่ายในการปรับสภาพน้ำ ซึ่งการลดการใช้เชื้อเพลิงยังช่วยลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย โดยเราสามารถนำคอนเดนเสทมาใช้ใหม่ได้หลากหลายวิธี เช่น
– นำคอนเดนเสทมาเพิ่มแรงดันและส่งกลับไปที่ส่วนของการผลิตไอน้ำ (deaerator หรือ boiler)
– นำคอนเดนเสทที่สกปรกหรือปนเปื้อนเกินกว่าจะนำกลับไปใช้ใหม่ได้ โดยไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับผลิตภัณฑ์สำหรับการ pre-heat และจึงค่อยทิ้งคอนเดนเสทไป
– นำคอนเดนเสทที่มีอุณหภูมิและความดันสูง ไปลดแรงดันเพื่อผลิต flash steam

ทั้งนี้แต่ละวิธีขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของกระบวนการผลิต โดยในวันนี้จะมาโฟกัสในส่วนของการนำคอนเดนเสทไปลดแรงดันเพื่อผลิตเป็น flash steam โดยวิธีนี้สามารถช่วยในการประหยัดพลังงานในการผลิตไอน้ำได้ถึง 10% และมีระยะเวลาคุ้มทุนเฉลี่ยอยู่ที่ 1.1 ปีเท่านั้น[1]

flash steam คือไอน้ำที่เกิดจากการลดความดันของคอนเดนเสทที่ความดันสูงอย่างกะทันหันที่ flash tank โดยที่ปริมาณของ flash steam จะขึ้นกับ ความแตกต่างระหว่างความดันของคอนเดนเสทกับความดันของ flash steam

สามารถคำนวณหาปริมาณของ Flash steam ได้ดังนี้

โดยที่
SH : ความร้อนสัมผัส (sensible heat) ของคอนเดนเสทที่ความดันสูง
SL : ความร้อนสัมผัสของคอนเดนเสทที่ความดันต่ำ
H : ความร้อนแฝง (latent heat) ของคอนเดนเสทในการกลายเป็นไอที่ความดันต่ำ

ตัวอย่าง

คอนเดนเสทที่ความดัน 9 barg น้ำมีจุดเดือดที่ 180°C เข้าสู่ถังแฟลชที่ความดัน 0.5 barg เราจะสามารถหาปริมาณของ flash steam และคอนเดนเสทที่ออกจากถังแฟลชได้ดังนี้
Sol. เราจะหาค่าความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝงได้จากตารางที่ 1

Download ตารางที่ 1 คุณสมบัติของไอน้ำอิ่มตัว

ดังนั้น
จะได้ปริมาณของไอน้ำเป็น 13.3 % โดยน้ำหนัก
และปริมาณของคอนเดนเสทเป็น 86.7 % โดยน้ำหนัก

จากการคำนวณมาข้างต้นพบว่า flash tank นั้นสามารถผลิตไอน้ำที่ความดันต่ำได้สูงถึง 13.3% โดยน้ำหนัก ซึ่ง flash steam สามารถนำไปแลกเปลี่ยนความร้อนภายในโรงงานเพื่อลดการใช้ไอน้ำลงได้ และในส่วนของคอนเดนเสทที่เหลืออยู่ 86.7 % โดยน้ำหนัก สามารถนำไป pre-heat กับผลิตภัณฑ์ต่างๆ หรือส่งกลับไปยังส่วนผลิตไอน้ำเพื่อผลิตเป็นไอน้ำอีกครั้ง

ดังนั้น เราสามารถนำคอนเดนเสทที่มีแรงดันสูงๆหรือมีปริมาณมากๆมาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ด้วยวิธีการลดแรงดันเพื่อผลิต flash steam นั้นสามารถลดปริมาณการใช้ไอน้ำได้ หรือเพียงแค่เรานำคอนเดนเสทที่เหลือกลับไปใช้ใหม่ไม่ว่าจะมีแรงดันสูงหรือต่ำใหม่ก็ช่วยลดต้นทุนหรือทรัพยากรที่ใช้ในการผลิตไอน้ำได้อีกด้วย

รูปที่ 1 การเกิด flash steam ภายใน flash tank

ในส่วนของการนำคอนเดนเสทที่เหลือหลังจากผ่านกระบวนการทำให้เกิด flash steam ไปแล้วนั้น จะต้องถูกส่งกลับไปยังส่วนการผลิตไอน้ำแต่ด้วยแรงดันที่ต่ำมากของ flash tank ทำให้คอนเดนเสทส่วนนี้นั้น จะต้องใช้ปั๊มในการเพิ่มความดัน ซึ่งโดยทั่วไปในระบบนี้จะใช้เป็นปั๊มแมคคานิค (Mechanical Pump)

แต่เอ๊ะ!!  แล้ว Mechanical Pump คืออะไร แตกต่างจากปั๊มไฟฟ้า (electric pump) ที่ใช้ตามบ้านเรือนยังไง ?

ก่อนอื่น เรามารู้จักนิยามของปั๊มกันก่อน ปั๊ม (pump) คืออุปกรณ์เพิ่มแรงดันเพื่อส่งของเหลวจากที่ที่มีความตันต่ำไปยังที่ที่มีความดันสูงได้ด้วยการเพิ่มแรงดัน แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทหลักๆ คือ ปั๊มไฟฟ้า และปั๊มแมคคานิค โดยปั๊มไฟฟ้าคือปั๊มที่ใช้ไฟฟ้าในการขับเคลื่อนมอเตอร์และทำให้ใบพัดหมุนเพื่อเพิ่มแรงดันให้กับของเหลว โดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ปั๊มชนิดนี้เรียกว่า ปั๊มแบบแรงเหวี่ยง (centrifugal pump) หรือปั๊มไฟฟ้าอีกชนิดหนึ่งคือ ปั๊มแบบปริมาตรแทนที่เชิงบวก (positive displacement pump) อาศัยการแทนที่ของๆเหลวภายในปั๊มอย่างต่อเนื่อง ทำให้อัตราการไหลของของเหลวคงที่

Mechanical Pump หรือ pumping trap ของ Armstrong ใช้กลไกลูกลอยในการ เปิด-ปิด วาล์วไอน้ำหรืออากาศแรงดันสูง โดยจะใช้ไอน้ำหรืออากาศในการเพิ่มแรงดันให้กับของเหลวที่อยู่ภายในปั๊มเป็นสเต็ปหรือแบบ pulse มีหลักการทำงานดังนี้

[1] คอนเดนเสทจะถูกเติมเข้าสู่ถังเก็บภายในปั๊ม ผ่านทาง check valve inlet และ steam/air outlet อยู่ในสถานะเปิดเพื่อระบายไอน้ำหรืออากาศออก ดังรูปที่ 2-1

[2] เมื่อคอนเดนเสทถูกเติมเข้ามาทำให้ลูกลอยลอยตัวขึ้นจนถึงระดับ ทำให้การทำงานของวาล์ว steam/air สลับกันจากขั้นตอนที่ [1] ทำให้ steam/air inlet เปิด เพื่อให้ไอน้ำหรืออากาศเข้ามาเพิ่มแรงดันให้กับคอนเดนเสท (steam/air outlet-closed) โดยคอนเดนเสทจะออกทาง check valve outlet ดังรูปที่ 2-2

[3] เมื่อคอนเดนเสทถูกปั๊มไปแล้ว ทำให้ลูกลอยตกลงมาทำให้การทำงานของวาล์ว steam/air สลับหน้าวาล์วกันอีกครั้งนึง ทำให้ไอน้ำหรืออากาศไหลออกไปทาง steam/air outlet ที่เปิดอยู่ (ส่วน steam/air inlet กลับมาเป็นสถานะปิดอีกครั้ง) ดังรูปที่ 2-3

[4] เมื่อไอน้ำหรืออากาศออกไปแล้วทำให้ความดันภายในถังเก็บลดลง ทำให้คอนเดนเสทไหลเข้ามาเติมได้ ดังรูปที่ 2-4 และจะเป็นเกิดเป็นรอบๆแบบนี้ต่อไปเรื่อยๆ

รูปที่ 2 กลไกการทำงานของ pressure driven condensate pump trap (Armstrong)

ข้อแตกต่างของ pumping trap ของ Armstrong เมื่อเทียบกับปั๊มไฟฟ้าทั่วไป มีดังนี้

  • ใช้การขับเคลื่อนจากไอน้ำหรืออากาศแรงดันสูงแทนที่จะเป็นไฟฟ้า
  • เหมาะกับการใช้งานในระบบ condensate return เนื่องจากปริมาณน้ำที่ไม่แน่นอน
  • ลดปัญหาการรั่วซึมที่ซีล ที่มักจะพบบ่อยในปั๊มไฟฟ้า
  • แมคคานิคปั๊มน้ำไม่เกิด cavitation เหมือนที่เราจะพบบ่อยในปั๊มไฟฟ้า
  • ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเนื่องจากไม่มีชุดซีลหรือใบพัดให้ซ่อมบำรุง

  • รับประกันการทำงานของระบบภายในถึง 3 ปี

ดังนั้น เราสามารถนำคอนเดนเสทที่มีแรงดันสูงๆ หรือมีปริมาณแรงดันเพื่อผลิตแฟลชสตรีม  เพียงแค่เรานำคอนเดนเสทที่เหลือกลับไปใช้ใหม่ เพียงแค่นี้ก็ช่วยลดต้นทุนหรือทรัพยากรที่ใช้ในการผลิตไอน้ำไปได้มากทีเดียว

Reference

[1] M.C. Barma, R. Saidur, S.M.A. Rahman et al., “A review on boilers energy use, energy savings, and emissions reduction” Renewable and Sustainable Energy Review 79 (May 2017): 970-983.