Steam trap

บ่อยครั้งที่การตัดสินใจเลือกอุปกรณ์ดักไอนํ้าได้สร้างความสับสนให้กับวิศวกรโรงงานวิธีตัดสินใจเลือกอุปกรณ์กับดักไอน้ำให้ง่าย ควรเริ่มจากความเข้าใจในขบวนการดักไอนํ้า จุดแข็ง จุดอ่อน และพื้นฐานการทำงานของอุปกรณ์กับดักไอนํ้าแต่ละแบบ

      อุปกรณ์ดักไอนํ้าคือวาล์วอัตโนมัติซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่ระบายคอนเดนเสท อากาศ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากท่อไอนํ้า อุปกรณ์ดักไอนํ้าจะเปิดเพื่อระบายคอนเดนเสท และปิดเพื่อป้องกันการรั่วไหลของไอนํ้าออกจากระบบอย่างอัตโนมัติ อุปกรณ์ดักไอนํ้าที่สึกหรอหรือชำรุดจะเป็นจุดที่ก่อให้เกิดการรั่วของไอนํ้าในระบบ ซึ่งเป็นการสูญเสียพลังงาน เพื่อลดปัญหาเหล่านี้ การตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ การซ่อมบำรุง หรือการเปลี่ยนของใหม่เป็นสิ่งจำเป็น

      พื้นฐานในการทำงานของอุปกรณ์ดักไอนํ้ามี 3 หลักการ ได้แก่ ความเร็ว อุณหภูมิ และความหนาแน่น อุปกรณ์ดักไอน้ำ ชนิดต่างๆจะอาศัยหลักการเหล่านี้ในการออกแบบบางชนิดใช้หลักการเดียว แต่บางชนิดอาจใช้มากกว่าหนึ่งโดยอุปกรณ์ดักไอน้ำที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันมี 4 ชนิด คือ แบบจาน(Disc Trap) แบบเทอร์โมสแตติกส์(Thermostatic Trap) แบบลูกลอย (Float Trap) และแบบถ้วยคว่ำ (Inverted Bucket Trap)

      การจะตอบคำถามว่าอุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบใดดีที่สุดสำหรับสภาวะใช้งานที่กำหนดให้ ผู้ตอบต้องสามารถอธิบายลักษณะการทำงานของอุปกรณ์ดักไอนํ้าแต่ละแบบได้ เพราะการทำงานของอุปกรณ์ดักไอนํ้ามีผลต่อสมรรถนะและความสามารถในการอนุรักษ์พลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่ไม่มีการตรวจสอบการทำงานอย่างต่อเนื่อง

อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบถ้วยควํ่า(Inverted Bucket Trap)

     ชื่ออุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้อธิบายลักษณะของตัวเองเป็นอย่างดี อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบถ้วยควํ่าใช้ถ้วยควํ่าที่ปกติจะจมในคอนเดนเสท และลอยขึ้นในกรณีที่มีไอนํ้าเข้ามา ถ้วยจะจมเมื่อคอนเดนเสทที่สะสมมีปริมาณมากกว่าระดับที่ตั้งไว้ เมื่อถ้วยจมลงวาล์วติดอยู่ด้านบนจะถูกเปิดออก คอนเดนเสทไหลเข้าอุปกรณ์ดักไอนํ้าโดยผ่านส่วนล่างของถ้วย ถ้วยยังคงจมอยู่ในคอนเดนเสท คอนเดนเสทจะระบายผ่านวาล์วที่เปิดอยู่

     ไอน้ำที่เข้ามาภายในอุปกรณ์ดักไอน้ำจะสะสมภายในถ้วยทำให้ถ้วยลอยขึ้นและปิดวาล์ว อากาศ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะไหลผ่านรูระบายทางด้านบนของถ้วย และสะสมอยู่ตรงส่วนบนของอปุกรณ์ดักไอน้ำขณะเดียวกันคอนเดนเสทยังไหลเข้าสู่อุปกรณ์ดักไอน้ำอย่างต่อเนื่อง เมื่อปริมาณคอนเดนเสทมีมากพอจะเข้าแทนที่แรงลอยตัวของไอนํ้าภายในถ้วย ทำให้วาล์วถูกฉุดออกจากบ่าวาล์ว(Seat) อากาศที่สะสมจะถูกไล่ออกไปพร้อมกับคอนเดนเสท จนกระทั่งมีไอนํ้าไหลเข้ามาในอุปกรณ์ดักไอนํ้าอีกครั้ง ถ้วยจะลอยตัวขึ้นเป็นการเริ่มวงจรใหม่ อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้ทำงานได้ภายใต้ความดันตั้งแต่ 0 ถึง 2500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว(Psig)

     อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบถ้วยควํ่า บางชนิดต้องการการระบายอากาศช่วงเริ่มเดินเครื่องใหม่ให้รวดเร็วซึ่งจะออกแบบถ้วยเป็นแบบ Thermic Bucket กรณีที่ปริมาณอากาศมีมาก และต้องระบายออกที่อุณหภูมิไอนํ้าหรือใกล้เคียง อาจใช้รูระบายอากาศที่ใหญ่ขึ้น หรอื ติดตั้งอุปกรณ์ดักไอน้ำ แบบเบลโลที่ก้นถ้วยก็ได้

     การใช้วาล์วระบายให้อยู่ส่วนบนของอุปกรณ์ดักไอน้ำแบบนี้ทำให้ไม่มีปัญหาจากเศษผง หรือสิ่งสกปรกเล็กๆ อนุภาคสิ่งสกปรกเล็กๆจะไม่สามารถสะสมอยู่ได้เพราะการระบายคอนเดนเสทแบบเฉียบพลันจะช่วยผลักดันออกไปอย่างทันทีทันใด อนุภาคที่มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะหลุดไปพร้อมกับการระบาย จะตกลงสู่ส่วนล่างของอุปกรณ์ดักไอน้ำ ซึ่งห่างจากหน้าวาล์วและบ่าวาล์ว และเนื่องจากถ้วยของอุปกรณ์ดักไอนํ้าเป็นภาชนะแบบเปิด จึงไม่เสียหายจากการเกิดปรากฏการณ์ฆ้อนนํ้า (water hammer)

     อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบถ้วยควํ่า ใช้งานอย่างต่อเนื่องได้นานเท่านาน ตราบที่ค่าความดันแตกต่างยังมีค่าเป็นค่าบวกแม้ค่าความดันแตกต่างที่ลดลงจะทำให้อุปกรณ์ดักไอน้ำระบายคอนเดนเสทได้น้อยลง (อัตราการระบายคอนเดนเสทของอุปกรณ์ดักไอนํ้าทุกแบบจะขึ้นอยู่กับค่าความดันแตกต่าง) ความดันย้อนกลับที่อาจมีสูงถึง 99%ก็ไม่สามารถทำให้อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้เปิดตลอด (Blow Through) อันเป็นการสูญเสียพลังงานได้ ซึ่งลักษณะเช่นนี้เป็นอันตรายอย่างยิ่งในกรณีที่มีการระบายคอนเดนเสทสู่ท่อรวม อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบบอื่น ๆ มีประสิทธิภาพในด้านการอนุรักษ์พลังงานสูง

อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบลูกลอย(Float & Thermostatic Steam Trap)

     อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบลูกลอย มักจะรวมเอาหลักการทำ งานของอุปกรณ์ดักไอนํ้า 2 อย่างเข้าด้วยกัน คืออุณหภูมิ (แบบเทอร์โมสแตติกส์) และความหนาแน่น(แบบลูกลอย) การทำงานของอุปกรณ์ดักไอน้ำเป็นไปอย่างง่ายๆคือ วาล์ว ถูกติดเข้ากับกลไกของลูกลอย เมื่อมีคอนเดนเสทไหลเข้ามาทำ ให้ลูกลอยลอยสูงขึ้นตามระดับของคอนเดนเสทเป็นผลทำให้ วาล์ว เปิด เกิดการระบายคอนเดนเสท และเมื่อระดับของคอนเดนเสทในตัวอุปกรณ์ดักไอน้ำ แบบนี้ลดลงลูกลอยลดตำ่ลงเป็นผลให้วาล์วค่อยๆหรี่ลง

     ในส่วนบนของตัวอุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้จะมีเบลโล(อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบเทอร์โมสแตติกส์)ติดตั้งอยู่ เพื่อทำหน้าที่เป็นวาล์วระบายอากาศ(Air vent) และก๊าซต่างๆ เพราะก๊าซในอุปกรณ์ดักไอนํ้าไม่สามารถยกลูกลอยได้ ประกอบกับก๊าซที่ผสมอยู่ในไอนํ้าทำให้อุณหภูมิตํ่าลง อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้ใช้งานที่ความดันระหว่าง 0 ถึง 250 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว

     อุปกรณ์ดักไอน้ำประเภทนี้ทำงานได้ดี ถึงแม้มีการเปลี่ยนแปลงความดันในระบบตลอดเวลา หรือ การควบคุมอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ที่รับถ่ายเทความร้อนจะตํ่ากว่า 212 องศาฟาเรนไฮด์ ซึ่งในสภาวะเช่นนี้ ความดันในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะแปรผันจากความดันใช้งานไปจนเป็นสูญญากาศ (vacuum)

     อุปกรณ์ดักไอนํ้าที่ใช้ในลักษณะเช่นนี้ ควรติดตั้ง Vacuum Breaker การระบายอากาศจะผ่านทาง vacuum breaker นอกจากในกรณีที่มีความต้องการไอนํ้าอุณหภูมิสูง ควรจะติดตั้งรูระบายอากาศเพิ่มเติม(Separate air-venting orifice) อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบลูกลอยจะสามารถทำงานได้ดีมากในช่วงเริ่มเดินเครื่องใหม่(startup) หรือช่วงที่มีการเกิดคอนเดนเสทน้อย และทำงานโดยไม่มีผลกระทบจากความดันย้อนกลับ (Back pressure)

อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบจาน (Disc Trap)

      อุปกรณ์ดักไอน้ำแบบนี้มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบาและติดตั้งง่าย ภายใต้สภาวะการทำงานปกติอุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบจานจะทำงานตามความเร็วคอนเดนเสท อากาศ และของไหลที่ผ่านเข้ามายังอุปกรณ์ดักไอนํ้าผ่านรูระบายขาเข้า(Inlet orifice) ช่องความร้อน(Heating chamber) และช่องควบคุม(Control chamber)

      คอนเดนเสทจะดันแผ่นจานให้ห่างจากรูระบายขาเข้า ยอมให้คอนเดนเสทไหล การไหลของไอนํ้าจะมีความเร็วสูงกว่าการไหลของคอนเดนเสททำให้ความดันบนแผ่นจานลดลง แผ่นจานจะถอยห่างจากหน้าวาล์ว(seat) อุปกรณ์ดักไอนํ้าจะเปิดออก ระบายคอนเดนเสทออกนอกระบบ อุปกรณ์ดักไอนํ้าจะปิดลงอีกครั้ง เมื่อคอนเดนเสทที่มีอุณหภูมิใกล้เคียงกับไอนํ้าผ่านเข้ารูระบาย คอนเดนเสทดังกล่าวจะกลายเป็นไอนํ้าระเหยใหม่(Flash steam) ไปดันแผ่นจานให้ปิดลง ป้องกันการไหลออกของก๊าซที่มีอยู่ในระบบ(non-condensable gases) ซึ่งเป็นข้อด้อยของอุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้ อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบจานส่วนมากต้องการตัวกรอง(strainer) เพื่อใช้กรองสิ่งสกปรกที่อาจเกาะติดรูระบาย ทำให้ปิดไม่สนิดและทำงานบกพร่อง

      ปกติอุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบจาน ใช้งานได้ตั้งแต่ความดัน 10 ถึง 600 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว(psig) และจากหลักการทำงาน เมื่อมีความบกพร่องเกิดขึ้นอุปกรณ์ดักไอนํ้าประเภทนี้ จะผิดพลาดแบบเปิด(Fail Open) โดยเฉพาะกรณีที่มีความดันย้อนกลับมากกว่า 80% ของความดันขาเข้า ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องตระหนักให้มากเพราะปัจจุบันเป็นการออกแบบให้มีการนำคอนเดนเสทกลับมาใช้อุปกรณ์ดักไอนํ้าจะระบายคอนเดนเสทสู่ท่อนำกลับมากกว่าระบายออกสู่บรรยากาศ ดังนั้น ในสภาวะที่ความดันย้อนกลับภายในท่อนำ กลับสูงทำให้อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบจานเปิดตลอด

     ถึงแม้ว่าอุปกรณ์ดักไอน้ำแบบจานจะง่ายต่อการติดตั้ง แต่อุปกรณ์ดักไอน้ำแบบจานไม่มีประสิทธิภาพด้านการประหยัดพลังงานเนื่องจากมีอายุการใช้งานตำ่ (1 ถึง 2 ปี) อปุกรณ์ดักไอน้ำแบบจานควรติดตั้งเฉพาะจุดที่สามารถตรวจสอบได้บ่อย ๆ

อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบเทอร์โมสแตติกส์(Thermostatic Trap)

     การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นเหตุให้เกิดการทำงานของอุปกรณ์ดักไอน้ำแบบนี้ โดยอาศัยการขยายตัวและหดตัวของวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ (Temperature-sensitive Element) โดยวัสดุนี้อาจเป็นแผ่นโลหะสองชนิด(Bi-metallic) หรือแบบเบลโล(Bellow) ที่ภายในบรรจุด้วยของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารแอลกอฮอล์

     อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้ใช้ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของไอนํ้า คอนเดนเสทที่เย็นลง และอากาศในการทำงาน โดยอุณหภูมิของไอนํ้าเป็นตัวเพิ่มความดันภายในเบลโล ทำให้อุปกรณ์ดักไอนํ้าปิดการไหลของคอนเดนเสท เมื่อคอนเดนเสทและก๊าซที่ไม่ควบแน่น(Non-condensable Gases)ท่วมขังอยู่ในท่อระบาย(Drip leg) อุณหภูมิของคอนเดนเสทภายในท่อจะเริ่มลดลงเบลโลจะหดตัว และเปิดระบายคอนเดนเสท ปริมาณคอนเดนเสทที่ท่วมบังอยู่ในท่อหน้าอุปกรณ์ดักไอน้ำ จะขึ้นอยู่กับภาวะการใช้งาน ความดันไอนํ้าและการจัดวางระบบท่อเนื่องจากอุปกรณ์ดักไอนํ้าประเภทนี้จะปิดที่อุณหภูมิ  คอนเดนเสทที่ใก้ลเคียงกับอุณหภูมิไอน้ำ (ไม่ใช่ที่อุณหภูมิไอน้ำ) จึงทำให้ก๊าซออกซิเจน และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เกิดการสะสมในระบบได้

     ระยะห่างของหน้าวาล์วของอุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบนี้ จะขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของไอนํ้าและคอนเดนเสทที่ไหลผ่าน เมื่ออุณหภูมิแตกต่างระหว่างคอนเดนเสทและไอนํ้ามีค่าน้อย ความดันไอภายในเบลโลจะต่ำทำให้วาล์วเกือบปิด

     อุปกรณ์ดักไอนํ้าแบบเทอร์โมสแตติกจะทำงานไม่ดีเมื่อมีเศษผงหรือคราบสกปรก นอกจากนี้แล้ว การเกิดปรากฏการณ์ฆ้อนน้ำ(water hammer) ยังสามารถทำให้เบลโลเกิดความเสียหายอีกด้วย การสะสมของคอนเดนเสทในท่อเนื่องจากการรอให้อุณหภูมิของคอนเดนเสทเย็นลง ทำให้ท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ตลอดจนอุปกรณ์ต่างๆเกิดการผุกร่อน และ/หรืออาจเกิดความเสียหายจากปรากฏการณ์ฆ้อนนำ้จึงต้องมีการตรวจสอบการทำงานกันเป็นประจำ เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานและประสิทธิภาพที่ลดลง อย่างไรก็ตาม อปุกรณ์ดักไอน้ำแบบนี้สามารถใช้งานเป็นวาล์วระบายอากาศ(Air vent)ในระบบไอนํ้าได้

อุปกรณ์กับดักไอน้ำแบบโลหะสองชนิด (Bimetallic Steam Trap)

     กับดักไอน้ำแบบนี้ใช้โลหะสองชนิดเป็น sensor หรือตัวปฏิบัติการ หลักการทำงานเริ่มจากตัว sensor ซึ่งประกอบไปด้วยโลหะสองชนิดซึ่งถูกประกบเข้าด้วยกัน โลหะแต่ละชนิดจะมีอัตราการขยายตัวจากความร้อนที่ต่างกัน ดังนั้นเมื่อแผ่นโลหะได้รับความร้อน การบิดตัวของโลหะทำให้เกิดการโค้งงอขึ้นซึ่งจะประยุกต์หลักการนี้มาใช้เป็นแรงในการเคลื่อนที่ของวาล์ว แรงนี้ถูกสร้างขึ้นมาจากแผ่นโลหะสองชนิดประกบกับคู่ในลักษณะตรงกันข้าม อันเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป แรงที่ได้รับจากแผ่นโลหะหรือเพียงคู่เดียวมีไม่เพียงพอที่จะต้านความดันจากไอน้ำเพื่อให้วาล์วเคลื่อนที่ จึงจำเป็นที่จะต้องใช้แผ่นโลหะหลายคู่หรือเพียงคู่เดียวไม่เพียงพอและด้วยเหตุนี้ในระบบความดันสูงจึงต้องการเนื้อโลหะที่มากขึ้น

     เมื่อเริ่มจ่ายไอน้ำเข้าระบบ อากาศจะถูกดันให้ระบายออกจากอุปกรณ์ดักไอน้ำ เนื่องจากโลหะยังไม่ขยายตัว จึงทำให้วาล์วของกับดักไอน้ำเปิดอยู่ อากาศจึงไหลผ่านออกไปได้อย่างสะดวก

     เมื่ออากาศถูกระบายออกหมดแล้ว น้ำเย็นที่ค้างในระบบจะไหลมาที่อุปกรณ์ดักไอน้ำโลหะคู่และถูกระบายออกเพราะโลหะยังไม่ขยายตัว เมื่อน้ำเย็นถูกระบายออกไป ไอน้ำและน้ำร้อนจะไหลเข้ามาในกับดักไอน้ำ จึงทำให้โลหะเกิดการขยายตัวโดยเกิดการโค้งงอและปิดวาล์วของกับดักไอน้ำ ทำให้ไอน้ำและน้ำร้อนไม่ให้ไหลออกไปได้ เมื่อไอน้ำหรือน้ำร้อนเย็นตัวลง ทำให้โลหะหดตัวกลับที่เดิมจึงทำให้วาล์วเปิดออก และกลับเข้าสู่กระบวนการระบายน้ำที่เย็นอีกครั้ง การทำงานของกับดักไอน้ำชนิดนี้จะรอจนน้ำลดอุณหภูมิถึงค่าที่ตั้งไว้ ย่อมหมายความว่า กับดักไอน้ำจะใช้พลังงานความร้อนแฝงจนหมดและใช้พลังงานความร้อนสัมผัสด้วย จนถึงจุดที่ตั้งอุณหภูมิไว้ กับดักไอน้ำจะกักและนำพลังงานไปใช้ได้มากที่สุด แต่มีข้อจำกัดคือ เมื่อต้องรอให้อุณหภูมิต่ำลงถึงค่าที่ต้องการ แสดงว่า กับดักไอน้ำจะไม่ระบายจนถึงอุณหภูมิที่ตั้งไว้ แสดงว่าระบบนำพลังงานไปมากเท่าไรจะเกิดน้ำร้อนขึ้นมากเท่านั้นและจะไม่เปิดระบาย ย่อมทำให้เกิดการสะสมcondensateในระบบต่อเนื่องจึงไม่เหมาะสมกับระบบการผลิตที่ต้องการความร้อนคงที่ต่อเนื่อง และไม่สามารถรอให้น้ำขังในระบบได้

     คุณลักษณะของตัวแผ่นโลหะในกับดักไอน้ำชนิดนี้จะเปลี่ยนไปตามอายุและเสื่อมลงเมื่อนำไปใช้ในระบบที่อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง ตัวแผ่นโลหะจะได้รับผลกระทบจากเศษสิ่งสกปรกและตะกรันที่ปนเข้ามากับไอน้ำนอกจากนี้การเพิ่มขึ้นหรือลดลงของอุณหภูมิในโลหะเป็นไปได้ช้า ดังนั้นกับดักไอน้ำชนิดนี้ไม่สามารถตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ เป็นสาเหตุให้กับดักไอน้ำชนิดนี้ต้องตั้งค่าอุณหภูมิให้ทำงานต่ำกว่าอุณหภูมิไอน้ำอิ่มตัว(Saturated temperature) เพื่อป้องกันการสูญเสียไอน้ำ