คุณสมบัติของไอน้ำ (Properties of Steam)

ในเทอร์โมไดนามิกส์นั้น งานที่ได้ส่วนใหญ่ได้มาจากการขยายตัวของแก๊สเป็นส่วนมาก มนุษย์ได้นิยามแก๊สในอุดมคติที่ (Ideal gas) มาเพื่อแสดงสมการเกี่ยวกับก๊าซออกมาซึ่งเป็นสมการของสภาวะ (Equation of state) ได้แต่ในความเป็นจริงแล้วแก๊สต่าง ๆ นั้นไม่สามารถแสดงสภาวะเหมือนสมการง่าย ๆ ดังเช่นแก๊สในอุดมคติ ซึ่งจะเรียกแก๊สเหล่านั้นว่า “แก๊สจริง (Real gas)”

สำหรับวัฏจักรผลิตกำลังโดยทั่วไปจะกล่าวถึงไอน้ำ (Steam) เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งความสัมพันธ์ทางสภาวะของไอน้ำค่อนข้างที่จะยุ่งยากซับซ้อน เนื่องจากไม่สามารถแสดงออกมาในรูปสมการสภาวะอย่างง่ายได้ ดังนั้นส่วนมากจึงนิยมแสดงโดยใช้แผนภาพ หรือตาราง

กราฟ T-V ของน้ำเเละกระบวนการให้ความร้อนแก่น้ำเมื่อความดันคงที่

จากแผนภาพ T-V ณ ที่ความดันคงที่ สถานะของน้ำในช่วงต่าง ๆ มีดังนี้

– น้ำ (ของเหลว)  เมื่อได้รับความร้อน ปริมาตรจะไม่ค่อยเปลี่ยนแปลง แต่อุณหภูมิของน้ำจะเพิ่มขึ้น (สภาวะที่ 1 ไปยังสภาวะที่ 2 ) โดยน้ำที่สภาวะนี้จะเรียกว่า ของเหลวอัด (Compressed liquid)

– เมื่อเพิ่มความร้อนแก่น้ำจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ที่เรียกว่าอุณหภูมิจุดเดือด (Boiling point) (สภาวะที่ 2 ) จะเรียกน้ำที่มีอุณหภูมิเท่าอุณหภูมิจุดเดือดว่า ของเหลวอิ่มตัว (Saturated liquid)

– เมื่อให้ความร้อนแก่ของเหลวอิ่มตัว อุณหภูมิของของน้ำ (ของเหลว) จะไม่เพิ่มขึ้น ที่สภาวะนี้ถ้ายังคงเพิ่มความร้อนเข้าไปอีกอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงแต่ปริมาณ ไอน้ำจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ดังสภาวะที่ 3 จะเรียกสถานะนี้ว่า ของผสมอิ่มตัว (Saturated mixture) เปอร์เซ็นต์ของไอน้ำที่ผสมอยู่ในของผสมอิ่มตัวถูกกำหนดด้วยค่า คุณภาพของไอ (Quality)

– เมื่อให้ความร้อนไปเรื่อย ๆ จนน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอหมดโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ดังสภาวะที่ 4  จะเรียกไอสภาวะนี้ว่า ไออิ่มตัว (Saturated vapor)

– เมื่อของน้ำระเหยกลายเป็นไอหมดแล้วเพิ่มความร้อนเข้าไปอีกปริมาตรและ อุณหภูมิก็จะเพิ่มมากขึ้นอีกด้วยแต่สถานะยังคงเป็นไอเหมือนเดิม (สภาวะที่ 5)  ดังนั้นไอน้ำในสภาวะนี้จะเรียกว่า ไอน้ำร้อนยิ่งยวด หรือ ไอดง (Superheated steam)” ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิไอน้ำยิ่งยวดกับอุณหภูมิไอน้ำอิ่มตัวจะเรียกว่า “องศาของความร้อนยิ่งยวด (Degree of superheat)”

กราฟ T-V ของน้ำเเละการเปลี่ยนสถานะของน้ำ ณ ความดันใด ๆ

จากแผนภาพ T-V ซึ่งแสดงกรณีอุณหภูมิ และความดันใด ๆ มีรายละเอียดดังนี้

– เส้นทางซ้ายของโดมจะเรียกว่า “เส้นของเหลวอิ่มตัว (Saturated liquid line)” และเส้นทางขวาจะถูกเรียกว่า “เส้นไออิ่มตัว (Saturated vapor line)”

– เมื่อความดันสูงขึ้นระยะห่างของทั้งสองเส้นจะเข้าใกล้กันมากขึ้น และจุดที่เส้นสองเส้นนี้รวมตัวกันจะเรียกว่า “จุดวิกฤต (Critical point)”  ความดันที่จุดวิกฤตนี้จะเรียกว่า “ความดันวิกฤต (Critical pressure)” ถ้าความดันเกิน ณ จุดนี้การระเหยจะไม่สามารถสังเกตเห็นได้ ของเหลวจะเปลี่ยนเป็นไอโดยตรง

– ความดันที่อยู่เหนือความดันวิกฤตขึ้นไปจะถูกเรียกว่า “ความดันเหนือย่านวิกฤติ (Supercritical pressure)” และความดันที่อยู่ต่ำกว่าความดันวิกฤตจะถูกเรียกว่า “ความดันต่ำกว่าวิกฤติ (Sub critical pressure) ”

คุณสมบัติของของผสมอิ่มตัว (Properties of Saturated mixture)

ค่าคุณสมบัติของของผสมอิ่มตัวขึ้นอยู่กับ ค่าคุณสมบัติ ของของเหลวอิ่มตัวกับค่าคุณสมบัติของไอน้ำอิ่มตัว ดังนั้นในการหาค่าคุณสมบัติของของผสมอิ่มตัวเราจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้อง ทราบอัตราส่วนผสม สมมุติว่าในของผสมอิ่มตัว 1 kg มีไอน้ำอิ่มตัวผสมอยู่เป็นปริมาณ x  kg และมีของเหลวอิ่มตัวผสมอยู่เป็นปริมาณ 1-x kg โดย x จะถูกเรียกว่า “ค่าคุณภาพของไอ” (Steam Quality) สภาวะของของผสมอิ่มตัวจะถูกกำหนดมาโดยใช้ค่าคุณภาพนี้

รูป ของแหลว (น้ำ) ที่อยู่ในสภาวะ ของผสมอิ่มตัว (Saturated Mixture )

ในการหาคุณสมบัติต่าง ๆ ของของผสมอิ่มตัว นั้นสามารถหาได้จากสมการดังนี้

โดยที่

b mixture คือ ค่าของคุณสมบัติใด ๆ ของของผสมอิ่มตัวนั้น ณ ความดันหรืออุณหภูมิใด ๆ

b f คือ ค่าของคุณสมบัติใด ๆ ของของเหลวอิ่มตัว ณ ความดันหรืออุณหภูมิใด ๆ

x คือ คุณภาพไอ (สัดส่วนไอน้ำอิ่มตัวที่เกิดขึ้นต่อมวลของสาร (น้ำ) ทั้งหมด)

b fg คือ ผลต่างของค่าคุณสมบัติใด ๆ ระหว่าง คุณสมบัติ ณ ของเหลวอิ่มตัว (b f) กับ ไออิ่มตัว (b g)  ที่ความดันหรืออุณหภูมิใด ๆ

การเปลี่ยนแปลงสภาวะของไอน้ำ (Steam state Change)

กระบวนการความดันคงที่ (Constant pressure process)

ที่หม้อไอน้ำ (Boiler) ไอน้ำร้อนยิ่งยวด เมื่อทำการควบแน่นในภาชนะควบแน่นแล้ว ถ้ากำหนดให้ความดันมีค่าคงที่แล้ว การเข้า-ออก ของปริมาณความร้อนจะสามารถหาได้ดังสมการต่อไปนี้

Q = m (h2 -h1)

โดย Q คือปริมาณความร้อนที่ใช้ในหม้อไอน้ำ (kJ/hr), m คือ อัตราการไหลของน้ำที่เข้าหม้อไอน้ำ (kg/hr), h1 คือ ค่าเอนทาลปีของน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิก่อนเข้าหม้อไอน้ำ (kJ/kg) และ h2 คือ ค่าเอนทาลปีของไอน้ำที่ออกจากหม้อไอน้ำ ณ อุหภูมิและความดันที่ต้องการ

กระบวนการปริมาตรคงที่  (Constant volume process)

ภายในภาชนะที่ปิดสนิท ไอน้ำเมื่อได้รับความร้อนหรือถูกทำให้เย็นลง ปริมาณความร้อนที่เข้า-ออก จากภาชนะสามารถหาได้จากสมการ

Q = m (u2 -u1)

โดย Q คือปริมาณความร้อนที่ให้ไอน้ำ (kJ), m คือ ปริมาณของเหลว (น้ำ) ที่อยู่ในภาชนะ (kg), u1 คือ ค่าพลังงานภายในจำเพาะของน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิก่อนให้ความร้อน (kJ/kg) และ u2 คือ ค่าพลังงานภายในจำเพาะของไอน้ำหลักจากให้ความร้อน (kJ/kg)

กระบวนการแอเดียแบติก (Adiabatic process)

งาน (Work) ที่เกิดได้จากกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) สำหรับในกระบวนการแอเดียแบติกแบบระบบเปิดสามารถคำนวณหาได้จากสมการพลังงานที่ว่า

W = m (h,in – h, out)

โดย W คืองานที่เกิดจากกังหัน (kJ/hr), m คือ ปริมาณของไอน้ำที่เข้ากังหันไอน้ำ (kg/hr), h,in คือ ค่าเอนทาลปีของสภาวะไอน้ำก่อนเข้ากังหัน (kJ/kg) และ h, out คือ ค่าเทนทาลปีของสภาวะไอน้ำหลังออกมากจากกังหัน (kJ/kg)

กระบวนการทรอตทลิง (Throttling process)

วาวล์ปรับความดันสามารถช่วยในการควบคุมปริมาณการไหลของไอน้ำได้ ไอน้ำนั้นเมื่อมีการขยายตัวแบบทรอตทลิง ค่าเอนทัลปีจะมีค่าคงที่ ไอน้ำเปียกหรือไอน้ำอิ่มตัวถ้าให้มีการขยายตัวจากทรอตทลิงจะกลายเป็นไอน้ำ ร้อนยิ่งยวด โดยการใช้คุณสมบัตินี้เองเราสามารถที่จะหาค่าคุณภาพของไอน้ำเปียกได้ อุปกรณ์ที่ใช้วัดระดับของความเปียก (Wet degree) จะเรียกว่า “ทรอตทลิงแคลอรี่มิเตอร์ (Throttling calorimeter)” ไอน้ำเปียกภายหลังขยายตัวแบบทรอตทลิงผ่านวาวล์ ก็จะเข้าไปสู่ส่วนที่ใช้ทำการวัด ซึ่งก็จะทำการวัดอุณหภูมิและความดัน ถ้าไอน้ำเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวดแล้ว ที่อุณหภูมิและความดันนี้ เมื่อใช้ตารางไอน้ำร้อนยิ่งยวดก็จะสามารถหาค่าเอนทัลปีได้

คุณสมบัติต่าง ๆ ในตารางไอน้ำ (Properties in Steam Table)

ตารางไอน้ำ(Steam table)นั้นสามารถแบ่งแยกออกเป็นตาราง ไอน้ำอิ่มตัวกับตารางไอน้ำร้อนยิ่งยวด (ตารางไอดง) ในตารางไอน้ำอิ่มตัวนั้นจะแสดงค่าของ เอนโทรปีจำเพาะ (s), ค่าเอนทัลปีจำเพาะ (h), พลังงานภายในจำเพาะ (u), ค่าปริมาตรจำเพาะ (v) ของไอน้ำอิ่มตัว (g) และของเหลวอิ่มตัว (f)

ส่วนในตารางของไอน้ำร้อนยิ่งยวด (Superheated steam) นั้นจะแสดงค่าปริมาตรจำเพาะ (v), ค่าเอนทาลปีจำเพาะ (h), พลังงานภายในจำเพาะ (u), และค่าเอนโทรปีจำเพาะ (s) ของไอน้ำร้อนยิ่งยวด ในย่านที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว

โดยปกติแล้วแผนภาพไอน้ำที่นิยมใช้จะเป็นแผนภาพ P-v  และแผนภาพ T-s สำหรับแผนภาพที่ถูกนำไปใช้งานจริงแล้วส่วนมากสำหรับไอน้ำจะเป็นแผนภาพ h-s และสำหรับสารทำความเย็น (Refrigerant) ก็จะใช้แผนภาพ P-h

สารทำความเย็นส่วนมากจะถูกใช้ในเครื่องทำความเย็นหรือปั๊มความร้อน ความร้อนที่เข้า-ออก ที่ความดันคงที่เป็นสิ่งจำเป็น ดังนั้นแผนภาพที่ส่วนมากจะนิยมใช้กันจะเป็นแผนภาพ P-h ที่มีแกนตั้งเป็นความดัน และแกนนอนเป็นค่าเอนทัลปีจำเพาะ

รูป ตัวอย่างตารางไอน้ำอิ่มตัว ณ อุณหภูมิใด ๆ

Source: จิตติน แตงเที่ยง (2554)

รูป ตัวอย่างตารางไอน้ำอิ่มตัว ณ ความดันใด ๆ

Source: จิตติน แตงเที่ยง (2554)

รูป ตัวอย่างตารางไอดง ณ ความดันใด ๆ

Source: จิตติน แตงเที่ยง (2554)