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 ที่สภาวะนี้ถ้ายังคงเพิ่มความร้อนเข้าไปอีกอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงแต่ปริมาณไอน้ำจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ดังสภาวะที่ 3 จะเรียกสถานะนี้ว่า ของผสมอิ่มตัว (Saturated mixture) เปอร์เซ็นต์ของไอน้ำที่ผสมอยู่ในของผสมอิ่มตัวถูกกำหนดด้วยค่าคุณภาพของไอ (Quality)

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

- เมื่อของน้ำระเหยกลายเป็นไอหมดแล้วเพิ่มความร้อนเข้าไปอีกปริมาตรและอุณหภูมิก็จะเพิ่มมากขึ้นอีกด้วยแต่สถานะยังคงเป็นไอเหมือนเดิม (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)

ค่าคุณสมบัติของของผสมอิ่มตัวขึ้นอยู่กับค่าคุณสมบัติ ของของเหลวอิ่มตัวกับค่าคุณสมบัติของไอน้ำอิ่มตัว ดังนั้นในการหาค่าคุณสมบัติของของผสมอิ่มตัวเราจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทราบอัตราส่วนผสม 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 ไอน้ำเปียกหรือไอน้ำอิ่มตัวถ้าให้มีการขยายตัวจากทรอตทลิงจะกลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด โดยการใช้คุณสมบัตินี้เองเราสามารถที่จะหาค่าคุณภาพของไอน้ำเปียกได้ อุปกรณ์ที่ใช้วัดระดับของความเปียก (Wet degree) จะเรียกว่า “ทรอตทลิงแคลอรี่มิเตอร์ (Throttling calorimeter)” ไอน้ำเปียกภายหลังขยายตัวแบบทรอตทลิงผ่านวาวล์ ก็จะเข้าไปสู่ส่วนที่ใช้ทำการวัด ซึ่งก็จะทำการวัดอุณหภูมิและความดัน ถ้าไอน้ำเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวดแล้ว ที่อุณหภูมิและความดันนี้ เมื่อใช้ตารางไอน้ำร้อนยิ่งยวดก็จะสามารถหาค่าเอนทัลปีได้

คุณสมบัติต่าง ๆ ในตารางไอน้ำ (Properties in Steam Table)

ตารางไอน้ำ(Steam table)นั้นสามารถแบ่งแยกออกเป็นตารางไอน้ำอิ่มตัวกับตารางไอน้ำร้อนยิ่งยวด (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)

อ้างอิง

Yunus A. Cengel, M. A. (2005). In Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Science/Engineering/Math.

จิตติน แตงเที่ยง. (2011). ตำราประกอบการสอน เธอร์โมไดนามิกส์ 1. ภาควิชาเครื่องกล, คณะวิศวกรรมศาสตร์, จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004). ความร้อนเบื้องต้น. Retrieved from DEDE: http://www2.dede.go.th/bhrd/old/file_handbook.html