[Article]การคำนวณ Condensate load เพื่อใช้ในการเลือก Steam trap

2011-01-21

 

การคำนวณ Condensate Load เพื่อใช้ในการเลือก Steam trap ให้เหมาะสม

          จุดประสงค์ในการนำเสนอการคำนวณ Condensate Load นี้ เพื่อที่จะใช้ในการประมาณค่าของ Condensate Load ที่เกิดขึ้น โดยอาศัยการคำนวณจาก สูตรการคำนวณที่เป็นที่ยอมรับ จากนั้นก็จะนำ Condensate Load ที่คำนวณได้มาทำการเลือก Steam trap โดยจะมีการนำเอา Safety Factor เข้ามาคำนวณด้วย เพื่อให้ Steam trap สามารถระบาย Condensate ที่เกิดขึ้นได้อย่างเหมาะสม โดยปราศจากการเลือก Steam trap ที่มีขนาดเล็กเกินไป หรือใหญ่เกินไป ซึ่งการเลือก Steam trap ที่มีขนาดที่เหมาะสม จะช่วยให้การทำงานของ Steam trap เป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีความเชื่อถือได้

 

            โดยทั่วไปแล้วผู้ผลิต Steam trap จะผลิตและทำการทดสอบการระบายของ Steam trap เพื่อให้สอดคล้องและตรงตามมาตรฐาน โดยที่การระบาย Condensate ร้อนของ Steam trap จะเป็นไปตามมาตรฐาน ANSI/ASME PTC39. โดยที่ผู้ผลิต Steam trap ทุกรายจะแสดงการระบายของ Steam trap ที่ตัวเองผลิตมาในรูปแบบของกราฟ หรือตาราง เพื่อที่จะให้ทางลูกค้าใช้ กราฟ หรือตาราง เหล่านั้นในการเลือก Steam trap ให้สอดคล้องกับปริมาณของ Condensate Load ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการของลูกค้า

 

            สิ่งที่สำคัญที่เราจะสามารถเลือก Steam trap ให้มีการระบายที่แม่นยำและถูกต้อง คือการที่เราจะต้องคำนวณปริมาณของ Condensate Load ที่เกิดขึ้นอย่างถูกต้องเพื่อให้ Steam trap ที่เราเลือกมาสามารถรองรับปริมาณ Condensate ที่เกิดขึ้นได้ ซึ่งถ้าเราเลือก Steam trap ที่มีขนาดเล็กเกินไป จะทำให้เกิดความเสียหายขึ้นกับระบบได้ รวมทั้งอาจทำให้ประสิทธิภาพในการผลิตลดลง อีกทั้งยังก่อให้เกิดปัญหาของ Water Hammer ในระบบอีกด้วย การเลือก Steam trap ที่มีขนาดใหญ่เกินไปทำให้ใช้งาน Steam trap ได้ต่ำกว่าประสิทธิภาพ โดยส่วนใหญ่การเลือก Steam trap เรามีแนวโน้มที่จะเลือก Steam trap ที่มีขนาดใหญ่กว่าปริมาณ Condensate ที่คำนวณได้ซึ่งมันสามารถจะตอบสนองต่อการระบาย Condensate ที่เกิดขึ้นได้ดี แต่การเลือกแบบที่มีขนาดใหญ่เกินไปก็ทำให้อายุการใช้งานของ Steam trap เหล่านั้นลดลง และทำให้เพิ่มโอกาสเกิดสภาวะโลกร้อน (Carbon Footprint)

 

            โดยทั่วไปถ้าเราทราบปริมาณของ Heat output ที่ต้องการระบายออกจากอุปกรณ์ที่ใช้ไอน้ำ การคำนวณหาปริมาณ Condensate load สามารถทำได้ไม่ยาก ซึ่งโดยปกติแล้วผู้ผลิตอุปกรณ์เหล่านั้นจะระบุปริมาณความร้อนที่ต้องการระบายออกมาเป็น BTU/Hr โดยในกรณีแบบนี้เราสามารถคำนวณปริมาณ Condensate loadได้โดยนำเอาปริมาณของ Heat Output ที่ต้องการระบายออกมาหารด้วยความร้อนแฝง (Latent heat) ของไอน้ำที่ความดันใช้งาน ( ดูค่าความร้อนแฝงได้จาก Steam table 1-1 ) ก็จะได้เป็นอัตราการเกิด Condensate ที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์ไอน้ำเหล่านั้น

 

ตัวอย่างการคำนวณ  ต้องการระบายความร้อน 2,500,000 BTU/hr. โดยใช้งาน Steam ที่ 30 Psig โดยข้อมูลจาก Steam table ตาราง 1-1, ความร้อนแฝงของไอน้ำที่ Pressure 30 Psi คือ 929 BTU/Ib ของSteam ที่ 30 Psig

            ดังนั้นปริมาณ Condensate Load ที่เกิดขึ้นคือ = 2,500,000 / 929 (BTU/hr / BTU/lb)

                                                                                 = 2,691 lb / hr ของ Condensate ที่เกิดขึ้น

 

            แต่ถ้าเราไม่สามารถหาอัตราการระบายความร้อน ( Heat Output rate ) จากอุปกรณ์หรือผู้ผลิตอุปกรณ์เหล่านั้นได้ เราจะสามารถคำนวณหาอัตราการเกิด Condensate load ได้จากสูตรการคำนวณดังต่อไปนี้

 

 

สูตรทั่วไปในการพิจารณาเพื่อคำนวณหาปริมาณ Condensate Loads

 

ความหมายของสัญลักษณ์ต่างๆในสูตรคำนวณ

 

GPM = อัตราการไหล หน่วย แกลลอน ต่อ นาที

ΔT = ความแตกต่างของอุณหภูมิ หน่วย องศา ฟาเรนไฮท์

G = ปริมาตร หน่วย แกลลอน

Cp = ค่าความจุความร้อนจำเพาะของสารที่เราต้องการให้ความร้อน หน่วย BTU/lb (ดูได้จากตาราง 1-3)

L = ค่าความร้อนแฝงของไอน้ำ (ดูได้จากตารางที่ 1-1)

s.g. = ค่าความถ่วงจำเพาะของสาร (ดูได้จากตารางที่ 1-3)

t = เวลาในหน่วย ชั่วโมง

U = ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน หน่วยเป็น BTU/hr/ft2/oF

CFM = อัตราการไหลเชิงปริมาตร หน่วย ลูกบาศก์ ฟุต ต่อ นาที

d = ความหนาแน่นของอากาศ (ดูได้จากตาราง 1-2)

EDR = ประสิทธิภาพในการแผ่ความร้อน (effective direct radiation)

A = พื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนความร้อน หน่วย ตารางฟุต

W = น้ำหนักของของแข็ง หน่วย lb

D = เส้นผ่านศูนย์กลางของ Dryer หน่วย ft

Wh = ความกว้างของ Dryer หน่วย ft

R = อัตราการเกิด Condensate หน่วย lb ต่อ ตาราง ฟุต ชั่วโมง

N = จำนวนของท่อ

Lot = ความยาวของท่อ

P = ความยาวเชิงเส้นของท่อ หน่วย ตาราง ฟุต ต่อ พื้นที่ผิว

S = ความร้อนจำเพาะ หน่วย BTU /lb

 

*** สามารถหาค่าความร้อนแฝงของไอน้ำได้จากตารางที่ 1-1 เพื่อนำไปใช้ในสูตรคำนวณ ***

 

สูตรการคำนวณสามารถแยกออกตาม Application ได้ดังนี้

 

ท่อส่งไอน้ำหลัก (Steam main)

 

            Start up Load = (ความยาวของท่อ (ฟุต) x น้ำหนักของท่อต่อความยาว x Cp x ΔT ) / ( L x t )

                                      + Running load ที่ความดันเฉลี่ยจาก 0 ถึงความดันสุดท้าย

 

Heating water with steam (Heat exchanger ) โดยทราบข้อมูลพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่แน่นอน

 

            Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (GPM x 500.4 x ΔT) / L 

 

Heating Fuel oil  with steam (Heat exchanger ) โดยทราบข้อมูลพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนแน่นอน

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (GPM x 500.4 x s.g. x Cp x ΔT) / L 

ดูตารางที่ 1-3 เพื่อดูค่า Cp และ s.g. ของ Fuel oil

 

Heating Other liquid with steam (Heat exchanger ) โดยทราบข้อมูลพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่แน่นอน

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (GPM x 500.4 x s.g. x Cp x ΔT) / L 

            ดูตารางที่ 1-3 เพื่อดูค่า Cp และ s.g. ของ Other Liquid 

 

Heating Air with steam coils (Single state coil ) โดยทราบข้อมูลพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่แน่นอน

               

Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (CFM x 0.24 x d x 60 min/hr x ΔT) / L 

            ดูตารางที่ 1-2 เพื่อดูค่า ความหนาแน่นของอากาศ

 

Steam Radiation

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (EDR2)/ 4

 

Heating liquid in Steam jacket kettlea and Steam heated tanks with covers and static internal

Conditions (โดยทราบข้อมูลพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่แน่นอน)

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (G x s.g. x Cp x ΔT x 8.34) / (L x t)  

 

Heating Air with steam : pipe coils and radiation

 

            Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (A x U x ΔT) / L

 

Heating Solids in Sterilizers , Autoclaves and retorts

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (W x Cp x ΔT) / (L x t)

 

Steam rotating dryer with product out side dryer steam inside dryer cylinder

 

            Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (3.14 x D x R x Wh)

 

Steam rotating dryer with material inside with  Tube heating material

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (N x Lot x R) / P

 

Low pressure single steam absorption chiller (12 psig operation is normal )

 

            Condensate Load (หน่วย lb/hr) = Chiller tonnage x 20

 

High pressure two steam absorption chiller (100 psig + operation )

 

            Condensate Load (หน่วย lb/hr) = Chiller tonnage x 10

 

Flash tank trap load    ดูตารางที่ 1-1 เพื่อดูค่าความร้อน

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (Incoming Condensate flow (lb/hr)) - (Condensate flow (lb/hr) x ((sensible heat of high pressure - sensible heat of low pressure) / Latent heat of low pressure)

 

Steam separator drainage

 

                Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (Mass flow though separator x 10)

 

 

ตารางที่ 1-1 ค่าความร้อนแฝง และความร้อนของจำเพาะของไอน้ำที่ความดันต่างๆ

 

 

 

 

ในการพิจารณาเพื่อเลือก Steam trap ให้สอดคล้องกับอัตราการเกิดของ Condensate จะต้องมีการพิจารณาข้อมูลด้านอื่นๆ ด้วยเพื่อเป็นส่วนหนึ่งในการตัดสินใจเลือก Steam trapให้เหมาะสมกับปริมาณ Condensateที่เราคำนวณได้ โดยข้อมูลที่จะนำมาใช้ในการพิจารณาเลือก Steam trapให้เหมาะสม มีดังนี้

1. ความดันของไอน้ำด้านทางเข้าของ Steam trap (โดยความดันไอน้ำที่ผ่านจาก Control valve และ Pressure drop ที่ผ่านอุปกรณ์ไอน้ำจะต้องมีการเก็บข้อมูลเพื่อนำมาพิจารณาด้วย)

2. ในการพิจารณา Back Pressure ในระบบจะพบว่าการยกท่อ Condensateหลังตัว Steam trapขึ้นสูงทุก 28 นิ้ว (2.33 ฟุต) จะก่อให้เกิด Back Pressureขึ้นที่ Trap ประมาณ 1 Psig

3. ต้องคิด Back Pressure จากแหล่งอื่นๆ ด้วยเพื่อนำมาพิจารณาในการเลือก Steam trap เช่น ความดันที่เกิดขึ้นในระบบนำกลับของ Condensate เป็นต้น

4. Load Factor (Safety Factor)

5. ระยะของท่อในแนวตั้งก่อนเข้า Steam trap (จะถูกนำมาพิจารณาในระบบที่ใช้ Control Valve ในการควบคุมอุณหภูมิ)

 

 

 

โดยในการเลือก Steam trap ในกรณีที่เป็น Steady State Applications ซึ่งเป็นระบบที่มกระบวนการทำงานที่คงที่ มีอัตราการเกิด Condensate ที่คงที่มีการเปลี่ยนแปลงน้อย ซึ่ง Safety Factor จากตารางที่ 2-1จะสามารถประยุกต์ใช้กับกระบวนการเหล่านั้น (Steady State Applications) ได้ดี

 

            ซึ่งเราจะพบว่าในกระบวนการที่เป็นการควบคุมแบบเร่งหรี่ เราจะต้องให้ความสนใจและใส่ใจมากยิ่งขึ้น ในการเลือก Steam trap การใช้งาน Steam trap สำหรับกระบวนการควบคุมอุณหภูมิของระบบโดยการใช้ Control valve นั้นตัว Steam trap ที่เหมาะสมกับกระบวนการในลักษณะนี้ต้องสามารถระบายปริมาณของ Condensate ที่เกิดขึ้นได้ดีทั้งในสภาวะที่ความดันในระบบต่ำสุดและในกรณีที่ความดันในระบบสูงสุด โดยเราพบว่าเมื่ออุณภูมิของระบบลดลงต่ำกว่า 100oC (212oF) Control valve จะเกิดการหรี่ลงอย่างเต็มที่ ซึ่งจะทำให้ความดันไอน้ำในระบบลดลงเป็น 0 Psig (ต้องมีการติดตั้ง Vacuum Breaker ในระบบเพื่อป้องกันการเกิด สูญญากาศ)

 

Steam trap ที่ใช้สำหรับระบบที่มีการควบคุมแบบเร่งหรี่นี้จะต้องมีระยะความสูงของจุดที่ระบายออกจากอุปกรณ์ไอน้ำไปยังตัว Steam trap เพื่อช่วยให้สามารถระบายได้ดีขึ้น โดย Steam trap ที่ดีต้องสามารถทำงานได้ดีถึงแม้ในความดันที่เกิดขึ้นจากความสูงของ Liquid head มีค่าน้อย (ดูตารางที่ 2-2 ดูค่าความดันที่เกิดขึ้นจาก Liquid head)

 

          อุปกรณ์ไอน้ำที่มีการควบคุมอุณหภูมิโดย Control Valve ที่โอกาศที่จะเกิดสูญญากาศในระบบ จะไม่สามารถต่อท่อนำกลับ Condensate ได้ถ้าเกิดปัญหา Back Pressure ขึ้นในระบบนำกลับ เพราะอาจมีโอกาสที่จะเกิดการสะสมของ Condensate ขึ้นในระบบได้ ซึ่งส่วนมากระบบแบบนี้มักจะมีการระบาย Condensate ออกสู่บรรยากาศ โดยถ้าต้องการนำ Condensate กลับและต้องมีการยก Condensate ขึ้นสูงเพื่อนำกลับ จะต้องมีการใช้ Condensate Pump เพื่อให้มั่นใจได้ว่าสามารถยก Condensate ขึ้นไปได้ ซึ่งระบบแบบนี้จะสามารถทำได้โดยการใช้ Flash tank และ Vented Condensate Pump หรือใช้ระบบ Pumping Trap แบบ Closed Loop

 

จากตาราง 2-2 เมื่อระบบมีระยะสูงจากอุปกรณ์ไอน้ำมายัง Steam trap ให้นำระยะสูงนั้นหารด้วย 28 จะได้ความดันขาเข้าSteam Trap ที่เกิดจาก Liquid Head

 

            Steam Trap ที่ใช้กับระบบที่มีการควบคุมแบบเร่งหรี่จะต้องมีการระบาย Condensate ที่เพียงพอได้ที่ความดันที่เกิดขึ้นจากระยะสูงจากอุปกรณ์ไอน้ำถึงทางเข้า Steam trap เมื่อ Control Valve อยู่ในตำแหน่งที่มีการเร่งหรี่  และ Steam trap ที่ใช้ต้องสามารถระบาย Condensate ได้จากความดันที่เกิดขึ้นโดยระยะสูงของ Liquid head โดยต้องระบายได้เพียงพอและเหมาะสมตามอัตราการเกิด Condensate สูงสุดของอุปกรณ์ที่ใช้ไอน้ำนั้นๆ

           

ตัวอย่างการคำนวณ

 

Heat exchanger ใช้เพื่ออุ่นน้ำจาก อุณหภูมิ 50 Deg F ไปเป็น 100 Deg F โดยมี Flow rate อยู่ที่ 50 GPM  โดยมีระยะต่ำจาก Heat exchanger ไปยัง Steam trap ที่ 28 นิ้ว , โดย Steam ที่ใช้ในระบบนี้คือ 20 Psig

จาก

        Condensate Load (หน่วย lb/hr) = (GPM x 500.4 x ΔT) / L 

                                                         = (50 x 500.4 x (100-50)) / 939

                                                         = 2,665 lb/hr.

จากตาราง 2-2 เราได้ความดันที่เกิดขึ้นจากระยะสูงของ Liquid head ที่ 28 นิ้ว = 1 Psig

ดังนั้นเราต้องเลือก Steam trap ให้สามารถระบายอัตราการเกิด Condensate ที่ 2,655 lb/hr ที่ ΔP ที่ 1 Psig 

 

 

จากบทความนี้ก็หวังว่าจะเป็นบทความที่มีประโยชน์ให้กับผู้ที่สนใจในการเลือก steam trap เพื่อใช้ในโรงงานนะครับ