เทิดศักดิ์ เลิศวิริยะเศรษฐ์
ฝ่ายการตลาด บริษัท อัลฟ่ากรุ๊ป จำกัด

ถ้าคุณมีปัญหาเหล่านี้
          * น้ำร้อนทำอุณหภูมิไม่ได้ตามต้องการ ในช่วงที่มีการใช้น้ำร้อนมาก (PEAK HOURS)
          * น้ำร้อนมีอุณหภูมิสูงกว่าความต้องการ ในช่วงที่มีการใช้น้ำร้อนน้อย (LOW DEMAND)
          * สูญเสียไอน้ำในการรักษาอุณหภูมิของน้ำร้อน ที่เก็บอยู่ในถังเก็บน้ำร้อนขนาดใหญ่
          * และปัญหาอื่น ๆ อีกมากมายที่เกี่ยวข้องกับระบบน้ำร้อน ที่ทำให้ผู้ดูแลระบบน้ำร้อนในอาคาร โรงแรม หรือ โรงพยาบาล ได้รับคำติเตียน และหาหนทางในการแก้ไข

          บทความนี้ มีจุดประสงค์ในการพิจารณาวิธีการนำไอน้ำไปใช้ในการผลิตน้ำร้อน ซึ่งจะทบทวนขบวนการให้ความร้อนแก่น้ำโดยไอน้ำ อีกทั้งเปรียบเทียบการควบคุณอุณหภูมิของน้ำร้อนใน 2 ระบบคือ ระบบ FEEDBACK และระบบ FEED FORWARD

          FEEDBACK ทำงานบนหลักการการวัด และตอบสนองในความแตกต่างของอุณหภูมิ ในขณะที่ FEED FORWARD จะทำงานบนหลักการความแตกต่างของความดัน ซึ่งมีผลจากความต้องการในการใช้น้ำร้อนขณะนั้น ๆ และโดยทั่วไป ระบบ FEEDBACK จะมี 2 แบบคือ แบบที่มีถังเก็บน้ำร้อน (STORAGE TANK) กับแบบทันทีทันใด (INSTANTANEOUS) ซึ่งไม่ต้องใช้ถังเก็บน้ำร้อน

STORAGE TANK FEEDBACK
          ระบบ FEEDBACK แบบที่มีถังเก็บน้ำร้อนเป็นแบบที่ใช้กันมานาน มีใช้โดยทั่วไป โดยเฉพาะในกรณีที่มีความต้องการน้ำร้อนปริมาณมาก ๆ 4 องค์ประกอบสำคัญของระบบได้แก่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตัวยู (U-TUBE HEAT EXCHANGER), ชุดควบคุมอุณหภูมิ (TEMPERATURE CONTROLLED STEAM VALVE), ถังเก็บขนาดใหญ่ (LARGE STORAGE TANK) และปั๊มสำหรับหมุนเวียน (RECIRCULATING PUMP) ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดง STORAGE TANK FEEDBACK SYSTEM

          ไอน้ำจะไหลผ่านท่อตัวยู (U-TUBE) ซึ่งติดตั้งบริเวณส่วนล่างของถังเก็บ วาล์วควบคุมอุณหภูมิจะควบคุมการไหลของไอน้ำผ่านเข้าไปในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน กระเปาะวัดอุณหภูมิซึ่งถูกติดตั้งบริเวณกลางถังจะต่อเข้ากับวาล์วควบคุมอุณหภูมิโดยท่อขนาดเล็ก (CAPILLARY) การไหลของไอน้ำเข้าไปในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของน้ำภายในถัง

          ปั๊มสำหรับหมุนเวียนจะทำให้น้ำในถังเกิดการไหลวนเพื่อป้องกันการเกิดเป็นชั้นของอุณหภูมิ ทำให้อุณหภูมิที่วัดได้มีความแม่นยำมากขึ้น ชื่อเรียกระบบ Feedback ถูกตั้งตามอุณหภูมิที่วัดได้แล้วสัญญาณถูกส่งกลับไปยังวาล์วควบคุมการไหลของไอน้ำ ระบบ FEEDBACK จะมีปฏิกิริยาและการตอบสนองต่ออุณหภูมิของน้ำร้อนที่เปลี่ยนแปลงไปแล้ว

          ระบบ FEEDBACK แบบที่มีถังเก็บสามารถรองรับความต้องการในการใช้น้ำปริมาณมาก ๆ ได้ โดยขึ้นอยู่กับขนาดของถังเก็บน้ำร้อน อย่างไรก็ตาม ดังที่กล่าวมาแล้วว่า ระบบนี้มีปฏิกิริยาและตอบสนองต่ออุณหภูมิของน้ำร้อนที่เปลี่ยนแปลงไปแล้วจึงเป็นการตอบสนองช้า โดยเฉพาะในกรณีที่ถังเก็บมีขนาดใหญ่ และเนื่องจากถังเก็บมีขนาดใหญ่ จึงมักติดตั้งไว้ในห้องใต้ดิน และ/หรือ ห้องหม้อกำเนิดไอน้ำ การเปลี่ยนถังหลังจากที่ถังเก็บหมดอายุการใช้งานมักทำได้ยาก ทั้งการขนย้ายถังเก่าออกและการติดตั้งถังใหม่ ซึ่งอาจต้องมีการปรับปรุงตัวอาคาร อีกทั้งฉนวนที่ใช้ในการหุ้มถังเก็บ อาจก่อให้เกิดปัญหาด้านมลภาวะ

          กรณีที่ปั๊มสำหรับหมุนเวียนไม่ได้ใช้งาน หรือมีขนาดไม่เหมาะสม การใช้ถังเก็บน้ำร้อนขนาดใหญ่ทำให้อุณหภูมิของน้ำภายในถังไม่เท่ากัน เกิดการแยกเป็นชั้นของอุณหภูมิ มีการสะสมและการตกตะกรันบริเวณส่วนล่างของถัง ผลที่ตามมาคือ เกิดสภาวะที่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย (LEGIONELLA BACTERIA) และเชื้อจุลินทรีย์อื่น ๆ ซึ่งมีผลต่อการติดเชื้อ การป่วยไข้ของผู้ใช้น้ำ

TREND TO TANKLESS
          ปัญหาต่าง ๆ ที่มีในการใช้ถังเก็บน้ำร้อนขนาดใหญ่ ถูกแก้ไขโดยการไม่ใช้ถังเก็บ แต่หลักการทำงานยังคงเป็นระบบFEEDBACK แบบที่ไม่ใช้ถังเก็บทำงานคล้ายกับแบบที่มีถังเก็บ แต่เนื่องจากไม่มีถังเก็บ กระเปาะวัดอุณหภูมิจะถูกติดตั้งบริเวณท่อทางออกของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดง TANKLESS INSTANTANEOUS FEEDBACK SYSTEM

          ตำแหน่งที่ติดตั้งกระเปาะวัด กับเวลาในการตอบสนองที่ช้าของวาล์วควบคุมอุณหภูมิ ทำให้ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิต่ำ เช่น ในกรณีที่ความต้องการในการใช้น้ำร้อนเปลี่ยนจากปริมาณน้อยไปสู่ปริมาณมากต้องใช้เวลาระยะหนึ่งสำหรับสั่งการให้วาล์วควบคุมเริ่มทำงาน ทำให้อุณหภูมิของน้ำร้อนลดลงจากอุณหภูมิที่ต้องการ หรือในทางตรงกันข้าม ความต้องการในการใช้น้ำร้อนเปลี่ยนจากมากไปน้อย ผลของการตอบสนองที่ช้าจะทำให้อุณหภูมิของน้ำร้อนที่ออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสูงเกิน จนอาจเป็นอันตรายต่อผิวหนังได้

          ความต้องการในการใช้น้ำร้อนในอาคารสูง โรงแรม โรงพยาบาล ในแต่ละวันจะอยู่ระหว่าง 3 ถึง 5 ชั่วโมง ส่วนที่เหลือ (ร่วม 20 ชั่วโมง) จะไม่มีการใช้งาน ในระหว่างที่ไม่ได้ใช้งาน อุณหภูมิของน้ำจะลดลงเนื่องจากการสูญเสียความร้อนซึ่งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ (INEVITABLE HEAT RADIATION) ทำให้วาล์วควบคุมเปิดให้ไอน้ำไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิแก่น้ำ การเปิด-ปิดของวาล์วควบคุมจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดช่วงที่ไม่ได้ใช้น้ำร้อน เกิดการสูญเสียไอน้ำประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณการใช้ไอน้ำ และอาจเป็นเหตุให้ท่อขนาดเล็ก (CAPILLARY) ที่ใช้ในการส่งสัญญาณล้มเหลว ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของน้ำสูงเกินความต้องการ 

          ระบบ FEEDBACK แบบไม่ใช้ถังเก็บใช้พื้นที่ในการติดตั้งน้อย จ่ายความร้อนแก่น้ำในขณะที่มีความต้องการในการใช้น้ำเท่านั้น จึงไม่สิ้นเปลืองไอน้ำ (เพื่อรักษาอุณหภูมิของน้ำ) เหมือนแบบที่ใช้ถังเก็บ แต่อุณหภูมิของน้ำจะมีแนวโน้มในการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างกว้าง และท่อส่งสัญญาณ (CAPILLARY) ของกระเปาะวัดอุณหภูมิมีโอกาสล้มเหลวสูงมาก

          เนื่องจากระบบ FEEDBACK เป็นการควบคุมอุณหภูมิ ความดันไอน้ำภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะเปลี่ยนแปลงตามการใช้น้ำ ถ้าการติดตั้งท่อและกับดักไอน้ำไม่เหมาะสม จะเกิดการสะสมของคอนเดนเสตภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้เกิดการกระแทกของน้ำ (WATERHAMMER) ในขณะเดียวกันก็เกิดการกัดกร่อน (CORROSION) เป็นผลให้อายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสั้นลง

FEED FORWARD
          ระบบ FEED FORWARD เป็นการให้ความร้อนแก่น้ำทันทีทันใด โดยไม่ต้องใช้ถังเก็บ การทำงานขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความดันขาเข้าและขาออกของน้ำ จึงตอบสนองต่อความต้องการในการใช้น้ำร้อนอย่างรวดเร็ว วาล์วควบคุมอุณหภูมิในระบบ FEEDBACK จะถูกแทนที่ด้วยวาล์วควบคุมความดันแตกต่างแบบแผ่นไดอะแฟรม (DIFFERENTIAL PRESSURE DIAPHRAGM VALVE) ดังนั้น ความดันไอน้ำจะมีค่าคงที่ ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดง FEED-FORWARD INSTANTANEOUS SYSTEM

          ความแตกต่างอย่างอื่นระหว่างระบบ FEEDBACK กับ FEED FORWARD คือโครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งแบบ FEEDBACK จะออกแบบเป็นรูปตัวยูตรงปลาย แต่ใน FEED FORWARD จะออกแบบเป็นแบบท่อตรง (ดังรูปที่ 4) การออกแบบเช่นนี้จะลดการเกิดความเครียดอันเนื่องมาจากอุณหภูมิในการขยายตัว หรือหดตัวของโลหะนอกจากนี้แล้ว การใช้ท่อตรงยังสะดวกต่อการถอด การประกอบ ตลอดจนการทำความสะอาดโดยไม่ต้องใช้สารเคมี และยังง่ายต่อการตรวจสอบตะกรัน

รูปที่ 4 แสดงส่วนประกอบของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตรง

          วาล์วควบคุมความดันแตกต่างแบบแผ่นไดอะแฟรม จะควบคุมการไหลของน้ำที่ไหลเข้าเครื่องทำความร้อน และรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงแคบ ๆ ได้อย่างแม่นยำ เมื่อความต้องการน้ำร้อนเพิ่มมากขึ้น จะทำให้เกิดความดันตกคร่อม (PRESSURE DROP) ความดันที่ตกลงจะถูกวัดโดยแผ่นไดอะแฟรม ทำให้เกิดการขยับตำแหน่งของวาล์ว 3 วาล์ว วาล์วควบคุมจะปล่อยให้น้ำไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ในขณะเดียวกัน น้ำบางส่วนจะผ่านวาล์วออกไปโดยไม่ผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

          หลักการพื้นฐานก็คือ การให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจนอุณหภูมิสูงแล้วผสมกับน้ำเย็น เพื่อให้ได้น้ำที่มีอุณหภูมิเหมาะสมตามความต้องการในปริมาณที่ต้องการ ขนาดของอุปกรณ์ที่ต้องการพื้นที่เพียง 7 ตารางฟุต สามารถตอบสนองความดันแตกต่างอย่างรวดเร็ว และสั่งวาล์วเพื่อควบคุมอุณหภูมิให้ได้ตามต้องการโดยไม่ต้องรอเวลา (NO TIME LAG)

VALVE OPERATION
          ดังที่กล่าวมาข้างต้น วาล์วควบคุมทำงานบนหลักการของความดันแตกต่าง (ดังรูปที่ 5) น้ำเย็นไหลเข้าตัววาล์วด้วยความดันขาเข้า ความดันจะถูกส่งผ่านแกนกลางของตัววาล์วไปที่ด้านบนของแผ่นไดอะแฟรม ความดันขาออกจะถูกวัด และส่งผ่านช่องกลวงภายในแกนกลางของวาล์วไปที่ด้านล่างของแผ่นไดอะแฟรม

รูปที่ 5 แสดงส่วนประกอบภายในของวาล์วควบคุมความดันแตกต่างแบบแผ่นไดอะแฟรม

          ส่วนประกอบที่สำคัญ คือ วาล์วทั้ง 3 จะทำงานสอดคล้องกัน วาล์ว 1 ควบคุมการไหลของน้ำที่ไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สปริงดันกลับเหนือแผ่นไดอะแฟรมจะช่วยดันให้วาล์วปิดในกรณีที่แผ่นไดอะแฟรมเสียหาย วาล์วจะเริ่มขยับเมื่อความดันแตกต่างมีค่า 0.25 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (PSI) และเปิดเต็มที่เมื่อความดันแตกต่างมีค่า 6 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว วาล์ว 2 จะควบคุมปริมาณการไหลของน้ำเย็นที่ไหลผ่านจากทางเข้าเข้าสู่ทางออกของช่องผสม เพื่อผสมกับน้ำร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน วาล์ว 3 จะทำงานต่อเนื่องกับวาล์ว 2 โดยจะเปิดกว้างเมื่อมีความต้องการการใช้น้ำน้อย และหรี่ลงเมื่อความต้องการการใช้น้ำมาก

วาล์ว 3 จะควบคุมปริมาณการไหลของน้ำเย็นที่จะเข้าไปผสมกับน้ำร้อนที่ออกมาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เมื่อความต้องการใช้น้ำร้อนมาก  น้ำส่วนใหญ่จะไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน อุณหภูมิของน้ำก็จะไม่สูงเหมือนในกรณีที่ความต้องการใช้น้ำร้อนน้อย เนื่องจากน้ำไหลผ่านเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (เพื่อรับความร้อนจากไอน้ำ) อย่างรวดเร็ว และต้องการน้ำเย็นในการผสมเพื่อควบคุมอุณหภูมิให้ได้ตามที่ปรับไว้ในปริมาณน้อย

          ทั้งวาล์ว 2 และวาล์ว 3 มีปุ่มปรับภายนอก การปรับวาล์ว 2 จะกระทำระหว่างอัตราการไหลต่ำและควบคุมในช่วงปริมาณการใช้น้ำน้อย ส่วนการปรับวาล์ว 3 จะกระทำระหว่างอัตราการไหลสูงและควบคุมในช่วงปริมาณการใช้น้ำมาก

          วาล์วทั้ง 3 จะอยู่ร่วมกันบนแกนกลางซึ่งมีช่องกลวงเชื่อมต่อกับแผ่นไดอะแฟรม เมื่อมีความต้องการใช้น้ำร้อน ความดันน้ำทางขาออกจะเปลี่ยนแปลง แผ่นไดอะแฟรมจะขยับทำให้วาล์วขยับ ซึ่งวาล์วทั้ง 3 จะขยับลงพร้อมกัน ตำแหน่งที่วาล์วขยับจะทำให้เกิดการผสมของน้ำ ทำให้ได้น้ำที่มีอุณหภูมิที่ต้องการอย่างทันทีทันใด โดยไม่ต้องรอเวลา

CONCLUSION
          การผลิตน้ำร้อนด้วยระบบ FEED FORWARD มีคุณลักษณะที่ผู้ดูแลระบบผลิตน้ำร้อนต้องการหลายประการ (ดังตารางที่ 1) ไม่ว่าจะเป็นการผลิตน้ำ ให้ได้อุณหภูมิที่แม่นยำเหมือนกับแบบมีถังเก็บน้ำร้อน แต่ไม่ต้องใช้พื้นที่ (ที่มีค่า) มากมาย ในขณะเดียวกันไม่เกิดปัญหาเรื่องอุณหภูมิสูงเกินไปเหมือนที่เกิดกับระบบ FEEDBACK แบบไม่ใช่ถังเก็บ และเป็นระบบการออกแบบที่คำนึงถึงความปลอดภัย จะไม่ยอมให้น้ำร้อนไหลออกจากระบบเมื่อมีความผิดพลาดของระบบเกิดขึ้น (FAIL SAFE)

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบระบบผลิตน้ำร้อนจากไอน้ำแบบต่าง ๆ

          เนื่องจากเป็นแบบไม่มีถังเก็บน้ำร้อน จึงไม่มีการแยกชั้นอุณหภูมิของน้ำ ไม่มีการสะสมและตกตะกรันซึ่งจะทำให้เกิดการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย หรือเชื้อจุลินทรีย์อื่น ๆ ซึ่งนำไปสู่การติดเชื้อทางผิวหนัง  และโรคเกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจแก่ผู้ใช้น้ำ และที่สำคัญที่สุดดือ การประหยัดพลังงาน เนื่องจากจะให้ความร้อนแก่น้ำเมื่อต้องการใช้น้ำเท่านั้น นอกจากนี้แล้วระบบ FEED FORWARD มีส่วนเคลื่อนที่ไม่กี่ส่วน จึงต้องการการบำรุงรักษาต่ำ และโอกาสที่จะเกิดความล้มเหลวต่ำ

แปลและเรียบเรียงจาก
LAWRENCE R. DAUGHERTY ARMSTRONG Inc.