เนื้อหาวันที่ : 2011-09-06 10:24:14 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 4150 views

การควบคุมอุณหภูมิของน้ำร้อนจากไอน้ำที่เหมาะสม

ถ้าคุณมีปัญหาน้ำร้อนทำอุณหภูมิไม่ได้ตามต้องการ ในช่วงที่มีการใช้น้ำร้อนมาก น้ำร้อนมีอุณหภูมิสูงกว่าความต้องการ ในช่วงที่มีการใช้น้ำร้อนน้อย สูญเสียไอน้ำในการรักษาอุณหภูมิของน้ำร้อน บทความนี้มีวิธีแก้ไข

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.

 

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด