MEE325 Steam Pipe Design

1

Steam Piping design

By

Dr. Piyatida TRINURUK

MEE 325 Power Plant Engineering – 1/2558

Steam Piping Design

• Steam pipe sizing

• Thermal expansion at high temperature

• Condensate

• Pipe installation and support

• Insulation

2

Typical Steam Circuit

3

การใช้ไอน ้า

ใช้ท างานหรือใช้เชิงกล

4


ใช้ให้ความร้อน

5


การใช้ไอน ้าในการขับเคลื่อนเครื่องจักร ในสภาพที่สมบูรณ์ที่สุด คือ การผลิตให้ได้ความดันสูงและอุณหภูมิสูงที่สุด แล้วใช้ไอน ้านั นไปขับกังหันไอน ้าฉุดเครื่องก้าเนิดไฟฟ้า เพื่อผลิตไฟฟ้ามาใช้ ส่วนไอเสียที่ออกจากเครื่องกังหันจะเป็นไอน ้าความดันต่้า ก็น้ามาถ่ายเทความร้อน

น ้าร้อนที่ได้จากการกลั่นตัวน้ากลับไปใช้เป็นน ้าป้อนหม้อไอน ้าได้อีก ซึ่งถ้าท้าอย่าง

นี ได้ก็จะช่วยประหยัดเชื อเพลิง แต่ในทางปฏิบัติจริงๆ ไม่สามารถกระท้าได้เนื่องจาก ก. อุตสาหกรรมมีขนาดเล็ก ข. หม้อไอน ้าที่ผลิตไอน ้าความดันสูงและกังหันไอน ้าพร้อมชุดก้าเนิดไฟฟ้า มีราคาแพง ค. ระบบไอน ้าซับซ้อนและลงทุนสูง

6


การใช้ไอน ้าในอุตสาหกรรมของประเทศไทย ส่วนใหญ่เป็นการใช้ไอน ้าเป็นตัวถ่ายเทความร้อนเพื่ออบ นึ่ง ต้ม หรือรีดให้แห้ง โดยจะใช้ไอน ้าอิ่มตัวหรือใกล้อิ่มตัวที่สุด เป็นตัวถ่ายเทความร้อน เพราะไอน ้าอิ่มตัวจะกลั่นตัวความความร้อนออกมาทันที โดยอุณหภูมิและความดันไม่เปลี่ยนแปลง (ไม่นิยมใช้ไอดง เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนไม่ดี)

การใช้ไอน ้าที่มีละอองน ้าปะปนไปด้วยมีผลเสียดังนี

ก. ท้าให้การถ่ายเทความร้อนไม่ดี เนื่องจากมีชั นบางๆของน ้าเป็นตัวต้านการถ่ายเทความร้อน ข. น ้าจะวิ่งตามไปกับไอน ้าซึ่งมีความเร็วสูง โดยน ้าจะไปกระแทกอัดตามชิ นส่วนต่างๆ ท้าให้เกิดการแตกร้าวได้ เนื่องจากน ้าไม่สามารถอัดตัวได้ 7

Specific Volume & Pressure of Saturated Steam

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Pressure (barg)

Sp

eci

fic

Vo

lum

e (

m3/

kg

)

Enthalpy in kJ/kg

Gauge pressure Temp. Water Evaporation Steam Volume Dry

Sat.

bar kPa ºC hf hfg hg m3/kg

0 0 100 419 2257 2676 1.673

1 100 120 506 2201 2707 0.881

2 200 134 562 2163 2725 0.603

3 300 144 605 2133 2738 0.461

4 400 152 671 2108 2749 0.374

5 500 159 641 2086 2757 0.315

6 600 165 697 2066 2763 0.272

7 700 170 721 2048 2769 0.24

8 800 175 743 2031 2774 0.215

9 900 180 763 2015 2778 0.194

10 1000 184 782 2000 2782 0.177

11 1100 188 799 1986 2785 0.163

12 1200 192 815 1973 2788 0.151

13 1300 195 830 1960 2790 0.141

14 1400 198 845 1947 2792 0.132

Steam Tables

Piping codes and standards from standardization organizations

• ANSI (American National Standard Institute)

• ASME ( American Society of Mechanical Engineers)

• ISO (International Organization for Standardization)

• DIN (Deutsches Institut fur Normung , the German Institute for Standardization)

9

ASME Committee B31, Code for Pressure Piping

10

B31.1 Power Piping: piping typically found in electric power generating stations, in industrial and institutional plants, geothermal heating systems, and central and district heating and cooling systems;

B31.3 Process Piping: piping typically found in petroleum refineries, chemical, pharmaceutical, textile, paper, semiconductor, and cryogenic plants, and related processing plants and terminals;

B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids: piping transporting products which are predominately liquid between plants and terminals and within terminals, pumping, regulating, and metering stations;

B31.5 Refrigeration Piping: piping for refrigerants and secondary coolants;

B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping Systems: piping transporting products which are predominately gas between sources and terminals, including compressor, regulating, and metering stations; and gas gathering pipelines;

B31.9 Building Services Piping: piping typically found in industrial, institutional, commercial, and public buildings, and in multi-unit residences, which does not require the range of sizes, pressures, and temperatures covered in B31.1;

B31.11 Slurry Transportation Piping Systems: piping transporting aqueous slurries between plants and terminals and

การเดินท่อส่งไอน ้า มีระยะทางสั น เส้นผ่าศูนย์กลางขนาดเล็ก และไม่โค้งงอโดยไม่จ้าเป็น มีความร้อนสูญเสียจากการแผ่รังสีและความดันสูญเสียน้อยที่สุด

Distribute at High Pressure • Smaller bore steam mains needed and therefore less heat (energy) loss due to

the smaller surface area. • Lower capital cost of steam mains, both materials such as pipes, flanges and

support work and labour. • Lower capital cost of insulation (lagging). • Dryer steam at the point of usage because of the drying effect of pressure

reduction taking place. • The boiler can be operated at the higher pressure corresponding to its

optimum operating condition, thereby operating more efficiently. • The thermal storage capacity of the boiler is increased, helping it to cope more

efficiently with fluctuating loads, and a reduced risk of priming and carryover

ขนาดของท่อไอน ้ามีผลอย่างไร

• แพงกว่า • มีพื นท่ีผิวในการสูญเสียความร้อนผ่านผนังท่อมากกว่า • เกิดคอนเดนเสทในท่อมากกว่า

• อาจท้าให้แรงดันที่น้าไปใช้ต่้ากว่าที่ต้องการใช้งานจริง • ปริมาณไอน ้าไม่เพียงพอต่อการใช้งาน • Water Hammer และการกัดกร่อนในระบบท่อ

How is Pipe Sized? • On the basis of: • Pipe Thickness • Fluid Velocity • Pressure Drop

วัสดุท ำท่อ Steam pipe material • Pipes for steam systems are commonly manufactured from carbon

steel to Wrought Steel • The same material may be used for condensate lines, although

copper tubing is preferred in some industries. • For high temperature superheated steam mains, additional alloying

elements, such as chromium and molybdenum, are included to improve tensile strength and creep resistance at high temperatures.

• Typically, pipes are supplied in 6 meter lengths.

Cast iron : เป็นท่อทีใ่ชก้บัน ำ้และไอน ำ้ ทีม่คีวำมดนัต ่ำกวำ่ 1.7 MPa และอณุหภมูติ ่ำ

กวำ่ 232oC

Wrought iron : ทนกำรกดักรอ่นไดด้กีวำ่ Carbon steel แตน่อ้ยกวำ่ Cast iron

Carbon steel : มกีำรสรำ้งทัง้แบบมตีะเข็บและไม่มตีะเข็บ

LIMITATIONS ON MATERIALS

• Pressure limitation • Temperature limitations : Upper limits/ Lower limits.

15

Pipe size is specified by two designations:

• Nominal pipe size (NPS) for diameter based on inches

• The European (ISO) designation equivalent to NPS is DN (diamètre nominal/nominal diameter/Durchmesser nach Norm), in which sizes are measured in millimeters.

The term NB (nominal bore) is also frequently used interchangeably with NPS

Schedule (Sched. or Sch.) for wall thickness.

Pipe size

NPS tables for selected sizes

17

Pipe schedule • Pipe at present is made in • standard • extra strong • double extra strong

18

S

P 1000number Scheduel

P = internal design pressure in bar, S = design stress in N/mm2, (MN/m2)

• These schedule numbers bear a relation to the pressure rating of the piping.

• There are eleven Schedules ranging from the lowest at 5 through 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 to schedule No. 160.

• For nominal size piping 150 mm and smaller, Schedule 40 (sometimes called 'standard weight')

Pipe Thickness and Standard Sizes

Where: t = internal pressure design thickness (mm) P = internal design pressure in bar, D = outside diameter of pipe in mm S = design stress in N/mm2, (MN/m2) y = Coefficient

Py 2SPDt

Table 104.1.2(A) Values of y

ความเรว็ทีแ่นะน าส าหรบัของไหลชนิดตา่งๆ

ประเภทของของไหล วัตถุประสงค์การใช้งาน ความเร็วแนะน้า[m/s]

น ้า

น ้าประปา 0.6 - 1.5

ทั่วไป 1.5 - 3.0

น ้าเลี ยงหม้อไอน ้า 3.0 - 4.0

ไอน ้าอ่ิมตัว

ความดันต่้า 0.2 - 0.5 MPa 15 - 20

ความดันปานกลาง 0.5 - 4 MPa 20 - 50

ความดันสูง ไม่น้อยกว่า 4 MPa 50 - 120

ไอดง ก้าเนิดไฟฟา้ 50-70

อากาศ เครื่องจักรที่ท้างานด้วยอากาศ 8-15 20

Steam Pipe Sizing Chart (kg/h) Pressure Velocity Pipe Size Nominal / Actual Inside Diameter

bar g m/s 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150

15.8 20.93 26.64 35.04 40.9 52.5 62.7 77.92 102.26 128.2 154.05

15 9 15 25 43 58 95 136 210 362 569 822

0.4 25 14 25 41 71 97 159 227 350 603 948 1369

40 23 40 66 113 154 254 363 561 965 1517 2191

15 10 18 29 51 69 114 163 251 433 681 983

0.7 25 17 30 49 85 115 190 271 419 722 1135 1638

40 28 48 78 136 185 304 434 671 1155 1815 2621

15 12 21 34 59 81 133 189 292 503 791 1142

1 25 20 35 57 99 134 221 315 487 839 1319 1904

40 32 56 91 158 215 354 505 779 1342 2110 3046

15 18 31 50 86 118 194 277 427 735 1156 1669

2 25 29 51 83 144 196 323 461 712 1226 1927 2782

40 47 82 133 230 314 517 737 1139 1961 3083 4451

15 23 40 65 113 154 254 362 559 962 1512 2183

3 25 38 67 109 188 256 423 603 931 1603 2520 3639

40 61 107 174 301 410 676 964 1490 2565 4032 5822

15 28 50 80 139 190 313 446 689 1186 1864 2691

4 25 47 83 134 232 316 521 743 1148 1976 3106 4485

40 75 132 215 371 506 833 1189 1836 3162 4970 7176

15 34 59 96 165 225 371 529 817 1408 2213 3195

5 25 56 98 159 276 375 619 882 1362 2347 3688 5325

40 90 157 255 441 601 990 1411 2180 3755 5901 8521

15 39 68 111 191 261 430 613 947 1631 2563 3700

6 25 65 114 184 319 435 716 1022 1578 2718 4271 6167

40 104 182 295 511 696 1146 1635 2525 4348 6834 9867

15 44 77 125 217 296 487 695 1073 1848 2904 4194

7 25 74 129 209 362 493 812 1158 1788 3080 4841 6989

40 118 206 334 579 788 1299 1853 2861 4928 7745 11183

Pipeline Capacity and Pressure Drop

L

Fluid Flow

P1 P2

Facto r) D rop (P ressure F L

P - P 21

Where: F = Pressure factor P1 = Factor at inlet pressure P2 = Factor at a distance of L meters L = Equivalent length of pipe (m)

Pipe Sizing Example

Although the unit heater only requires 270 kg/h, the boiler has to supply more than this due to heat losses from the pipe.

24

The allowance for pipe fittings

The length of travel from the boiler to the unit heater is known, but an

allowance must be included for the additional frictional resistance of the

fittings. This is generally expressed in terms of 'equivalent pipe length'.

If the size of the pipe is known, the resistance of the fittings can be calculated.

As the pipe size is not yet known in this example, an addition to the equivalent

length can be used based on experience.

•If the pipe is less than 50 m long, add an allowance for fittings of 10% to 20%.

•If the pipe is over 100 m long and is a fairly straight run with few fittings, an

allowance for fittings of 5% to 10% would be made.

•A similar pipe length, but with more fittings, would increase the allowance

towards 20%.

In this instance, revised length = 150 m + 10% = 165 m

25

•

26

From factor 0.030, by following the row of figures to the right it will be seen that: • A 40 mm pipe will carry 229.9 kg/h. • A 50 mm pipe will carry 501.1 kg/h.

Since the application requires 286 kg/h, the 50 mm pipe would be selected. Having sized the pipe using the pressure drop method, the velocity can be checked if required.

Determine the pipe size using the nomogram

27

• Inlet pressure = 7 bar g

• Steam flowrate = 286 kg/h

• Minimum allowable P2 = 6.6 bar g

nomogram

28

Nomogram

Pressure drop in pipe

29

The D'Arcy equation

Pressure Reducing Station

Steam separator

Flow

Separator

Pressure reducing valve

32

Strainer Safety relief valve

Steam

PressureSteam Main Size (mm)

(bar g) 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600

9 9.5 15.1 19.7 28.1 38.1 49.4 71 105 139 164 216 272 320 436

9.3 11.3 14.1 16.5 20.6 24.5 31.5 39 46.5 51.5 60 64 72 88

10 9.9 15.7 20.4 29.2 39.6 51.3 77 109 144 171 224 282 332 463

9.8 11.9 14.6 16.9 21.3 25 33 41 49 54 62 67 75 90

11 10.4 16.5 21.6 30.7 41.7 54.1 81.1 115 152 180 236 298 350 488

10.9 13 15.7 17.7 22.5 26 36 45 53 59 67 73 81 97

Warm Up Loads/Running Loads (kg per 50 m of Steam Main)

• Figures in italics represent running loads

• Ambient temperature 200oC, insulation efficiency 80%

For Temp. Range -30 0 - 100 0 - 200 0 - 315 0 - 400 0 - 485 0 - 600 0 - 700

Mild Steel 0.1 - 0.2 % C 13 14 15 15.6 16.2 17.8 17.5 -

Alloy Steel 1% Cr ½% Mo 14 14.4 15.1 15.8 16.6 17.3 17.6 -

Stainless Steel 18% Cr 8% Ni 9.4 20 20.9 21.2 21.8 22.3 22.7 23

Temperature expansion of pipes

Example:

100 m of Mild Steel Pipe is used to transport steam 4 barg. If the pipe is installed at 30 oC, determine the expansion

Linear expansion coeff. =15 x 10-6 m/m oC , Saturated temp. at 4 barg = 152 oC

The expansion can be expressed as

Dl= (15 x 10-6 m/m oC) x (100 m ) x ( 152 – 30 oC ) = 0.183 m = 183 mm.

Dl = a L Dt

Dl= Expansion of pipe , in m a =Linear Expansion Coefficient a x 10-6 (m/m oC) L= Length of pipe ,in m Dt= Temperature difference , in oC

Expansion Chart for Mild Steel Pipe

Temperature of Saturated Steam

Expansion of pipe (mm)

Len

gth

of

pip

e (

mm

)

Temperature difference oC/metre

bar g 1 2 3 4 5 7.5 10 15 20 25 30

oC 120 133 143 152 158 162 183 200 214 225 235

Pipe Expansion

Omega Loop or lyre loop Full Loop

Expansion fittings

• Expansion loops

Steel Expansion Loops N

om

inal

Pip

e S

ize

(m

m)

Expansion from Neutral Position (mm)

W.Metres

W

Welding ends radius

=1.5 dia.

2W

Maximum pressure 17 bar Temperature 260

oC

Use of Bellows

Steam Flow Misalignment

Axial Movement

Expansion Bellows

Expansion Joint / Expansion bellow

Expansion Joint

40

Flash Steam Live Steam 42

Flash Steam Flash Steam หรือ ไอน ้าทุติยภูมิ เกิดจากการที่น ้าร้อน (Condensate) ถูกลดความดันท้าให้ตัวมันเกิดการเปลี่ยนสถานะกลับมาเป็นไอน ้าอีกครั ง

SteamFlash %100 x H

SLSH

สูตรการค านวณ

SH คอื ความรอ้นสมัผสัทีค่วามดนัสงู SL คอื ความรอ้นสมัผสัทีค่วามดนัต ่า H คอื ความรอ้นแฝงทีค่วามดนัต ่า

43

Flash Steam Curve P

ressure

on t

raps b

ar

kg flash steam/kg condensate

Flash steam pressure bar g

Atmospheric

Pressure

44

Approximate Amount of Flash Steam in Condensate

45

Flash Steam (15%)

Water (85%)

Approximate Amount of Energy in Flash Steam

Flash Steam (50%)

Water (50%)

เครื่องดักไอน ้าหรือแทรป (Steam Trap)

เครื่องดักไอน ้า เป็นวาล์วอัตโนมัติที่ท้าหน้าที่ปล่อยน ้าที่เกิดจากการควบแน่นของไอน ้า หรือปล่อยก๊าซที่ไม่ควบแน่น เช่น อากาศ ออกไปโดยไม่ยอมให้ไอน ้าออกไปได้

46

เครื่องดักไอน ้าหรือแทรป (Steam Trap)

การกลั่นตัวของไอน ้าเป็นน ้ามีสาเหตุมาจาก 1. กลั่นตัวในท่อจ่ายไอน ้า น ้าที่กลั่นตัวในท่อถ้าไม่ก้าจัดออกไปภายนอก อาจท้าให้เกิด water hammer (การกระแทกของน ้าหรือค้อนน ้า) ท้าความเสียหายให้เครื่องจักรหรือ ระบบท่อไอน ้าได้ 2. กลั่นตัวจากเครื่องแยกไอน ้า ละอองน ้าที่ถูกแยกออกจากไอน ้าควรระบายออก 3. กลั่นตัวภายในเครื่องใช้ไอน ้า ควรระบายน ้าที่กลั่นตัวออกภายนอก ไม่เช่นนั นแล้วจะท้าให้การถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์แย่ลง

47

ชนิดของ สตีมแทรป แบ่งเป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ

• เครื่องดักไอน ้าเชิงกล

• เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมสแตติก หรือแบบอุณหภูมิ

• เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมไดนามิก

48

เครื่องดักไอน ้าแบบเชิงกล เครื่องดักไอน ้าเชิงกล (Mechanical Trap) เป็นเครื่องดักไอน ้าที่ท้างานโดยอาศัยความแตกต่างของความหนาแน่น (ความถ่วงจ้าเพาะ) ระหว่างไอน ้ากับน ้าระเหย โดยมีลูกลอย เป็นตัวเปิด-ปิด วาล์วไอน ้า เครื่องดักไอน ้าเชิงกลนี สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดคือ 1. เครื่องดักไอน ้าชนิดลูกลอย ซึ่งมีทั งชนิดลูกลอยอิสระและลูกลอยติดคาน

49

เครื่องดักไอน ้าแบบเชิงกล เครื่องดักไอน ้าเชิงกล (Mechanical Trap)

1.เครื่องดักไอน ้าชนิดลูกลอย

2. เครื่องดักไอน ้าชนิดบักเค็ท (Bucket) ซึ่งมีทั งบักเค็ทคว่า้และบักเค็ทหงาย

50

Inverted bucket steam trap

Open top bucket steam trap

เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมสแตติก เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมสแตติก (Thermostatic Trap) ท้างานโดยอาศัยความแตกต่างของอุณหภูมิของไอน ้าและน ้าคอนเดนเสท การขยายตัวและหดตัวจะเป็นไปตามอุณหภูมิ เครื่องดักไอน ้าแบบนี แบ่งเปน็ 2 ชนิดคือ 1.เครื่องดักไอน ้าชนิดเบลโล่ล์ (Bellows) 2. เครื่องดักไอน ้าชนิดไบเมทัล (Bimetal)

51 Bellow steam trap Bimetals steam trap

เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมไดนามิก

เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมไดนามิก (Thermodynamic Trap) มีหลักการท้างาน คือ น ้าระบายหรือคอนเดนเสทจะเป็นไอน ้าแฟลช (Flash steam) เมื่อปล่อยไปในบรรยากาศที่มีความดันต่้ากว่า ความแตกต่างกันของความดันและความเร็วของไอน ้ากับน ้าคอนเดนเสท จะท้าให้วาล์วปิด-เปิด ท้างาน เครื่องดักไอแบบนี แบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ 1.เครื่องดักไอน ้าชนิดออริฟิส 2. เครื่องดักไอน ้าชนิดจาน

52


การท้างานของเครื่องดักไอน ้าชนิดจาน

คอนเดนเสทเย็นและอากาศเข้า

คอนเดนเสทร้อนเข้ามา

ไอน ้าแฟลชเกิดขึ นท้าให้มีแรงดันไปกดจานด้านบน มากกว่าด้านล่าง ลิ นปิด

ไอน ้าแฟลชกลั่นตัวท้าให้มีแรงดันน ้าคอนเดนเสทมากกว่า ลิ นเปิด

53

Principle of steam traps

54

55

การแยกประเภทเครื่องดักไอน ้าและหลักการท้างาน

แยกประเภทตามหลักการท้างาน หลักการท้างาน แยกตามประเภทโครงสร้าง

เครื่องดักไอน ้าแบบเชิงกล ผลต่างของความถ่วงจ้าเพาะของไอน ้าและน ้าคอนเดนเสท

แบบลูกลอย - ลูกลอยอิสระ

- ลูกลอยติดคาน

แบบบักเค็ท – แบบบักเค็ทหงาย

- แบบบักเค็ทคว้่า

เครื่องดักไอน ้าแบบเทอร์โมสแตติก

ผลต่างของอุณหภูมิของไอน ้าและน ้าคอนเดนเสท

แบบเบลโล่ล์

แบบไบเมทัล


ผลต่างด้านคุณสมบัติเทอร์โมไดนามิกของไอน ้าและน ้าคอนเดนเสท

แบบจาน

56

ความสามารถของเครื่องดักไอน ้า

การเลือกใช้เครื่องดักไอน ้าจ้าเป็นจะต้องทราบถึงขีดความสามารถว่ามีข้อจ้ากัดอย่างไร

ขีดความสามารถของเครื่องดักไอน ้ามีดังนี

1.ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเครื่องดักไอน ้า ขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางต้องเพียงพอที่จะระบายน ้าที่กลั่นตัวจ้านวนมาก (เกิดขึ นขณะเริ่มใช้งาน) และต้องไม่ท้าให้เกิดความดันย้อนกลับ (back pressure) ขณะที่น ้าระบายออกไปจะเกิดเป็นไอน ้าอีกครั ง

2. ผลต่างความดันท้างานของเครื่องดักไอน ้า ขีดความสามารถของการระบายน ้าจะขึ นอยู่กับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและผลต่างความดันท้างาน (ความดันทางเข้า – ความดันทางออก) ในกรณีที่มีการเก็บน ้าระบายไปใช้งานอีก จะท้าให้ความดันย้อนกลับ (ความดันทางออก) ในระบบท่อด้านทางออกของเครื่องดักไอน ้าสูงขึ น ด้วยเหตุนี ขีดความสามารถของเครื่องดักไอน ้าจะลดลง

3. อุณหภูมิของน ้าระบายที่ออกจากเครื่องดักไอน ้า ถ้าน ้าที่ระบายออกมีอุณหภูมิสูงกว่า 100 oC น ้าที่ระบายจะกลายเป็นไอน ้าอีกครั ง เนื่องจากอุณหภูมิสูงขึ นท้าให้ปริมาณไอน ้าแฟลชมากตาม ดังนั นปริมาณการระบายออกจึงลดลง

57

วิธีการเลือกใช้เครื่องดักไอน ้า

ควรพิจารณาความเหมาะสมของเงื่อนไขต่างๆ ต่อไปนี 1. ความดันไอน ้าสูงสุดและต่้าสุดที่ใช้งาน 2. อุณหภูมิใช้งานสูงสุด 3. ปริมาณน ้าคอนเดนเสทที่ปล่อยออก 4. ความเปลี่ยนแปลงของความดันภายในระบบ 5. ขนาด 6. เงื่อนไขการติดตั ง 7. โลหะที่ใช้ท้าตัวเครื่องดักไอน ้า 8. ชนิดของเครื่องดักไอน ้า 9. ความเหมาะสมกับเครื่องจักร

58

ข้อพิจารณาในการเลือกใช้เครื่องดักไอน ้าให้เหมาะสมกับงาน

งานที่ใช้ ลักษณะของงาน แบบของเครื่องดักไอน ้าที่เหมาะสม

ท่อจ่ายไอน ้า

เครื่องใช้ไอน ้าต่างๆ

1. คอนเดนเสทระบายสู่บรรยากาศและปริมาณน้อย

2. มีการเปลี่ยนแปลงความดันไอน ้าสูง

1.มีปริมาณคอนเดนเสทมาก

2.ไม่ต้องการให้มีการเปลี่ยนแปลงของความดันและอุณหภูมิ

3.ต้องการควบคุมประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของเครื่อง

1. เครื่องดักไอน ้าแบบจาน

2. เครื่องดักไอน ้าแบบลูกลอย

1. เครื่องดักไอน ้าแบบลูกลอย

59

ข้อพิจารณาในการเลือกใช้เครื่องดักไอน ้าให้เหมาะสมกับงาน

งานที่ใช้ ลักษณะของงาน แบบของเครื่องดักไอน ้าที่เหมาะสม

ระบบท่อคอนเดนเสทกลับไปใช้

เครื่องมือวัดต่างๆ ที่มีปริมาณคอนเดนเสทน้อย

1. มีความดันกลับในระบบด้วย

2. ต้องการแบบที่ซ่อมบ้ารุงน้อย

1. ต้องการควบคุมไม่ให้มีการเสียหายเนื่องจากอุณหภูมิสูงเกินไป

เครื่องดักไอน ้าแบบลูกลอยชนิดที่เหมาะสมกับความแตกต่างของความดันมีค่าต่้า

เครื่องดักไอน ้าแบบอาศัยการขยายตัวหดตัวของโลหะ

60

Steam trap installation

61


62


63

ถังรับน ้า Condensate

จุดระบายท่ีผดิ จุดระบายท่ีถูก

64

การติดตั งและต้าแหน่งติดตั งเครื่องดักไอน ้าที่ถูกต้อง ต้าแหน่งที่ต้องติดตั งเครื่องดักไอน ้า ควรเป็นบริเวณที่น ้าความแน่นสะสมได้ง่าย ซึ่งในระบบ

หม้อน ้ามีหลายจุดด้วยกัน ดังนี 1. บริเวณเฮดเดอร์ เนื่องจากไอน ้าที่หม้อน ้าผลิตได้จะเป็นไอน ้าชื น เมื่อเข้ามาในเฮดเดอร์ก็จะ

เกิดน ้าแยกออกจากไอน ้าบางส่วน 2. บริเวณทางเข้าของลิ นลดความดันและลิ นอัตโนมัติ ไอน ้าที่จะเข้าลิ นลดความดันและลิ น

อัตโนมัติ ไม่ควรมีน ้าปนเปื้อน เพราะจะท้าให้ช้ารุดได้ง่าย 3. บริเวณทางเข้าของข้อต่อยืดหดตัวหรือบริเวณตอนกลางของท่องอรูปตัว U เพราะถ้ามีน ้า

สะสมในข้อต่อจะท้าให้ผุกร่อนได้ง่าย ส้าหรับข้อต่อรูปตัว U ต้องขจัดน ้าออกทางตอนกลางหรือบริเวณต่้าสุด

4. บริเวณโค้งงอของท่อ เนื่องจากบริเวณที่ท่อโค้งงอ จะเกิดน ้าระบายสะสมอยู่ได้ง่าย จึงต้องระบายออกเพื่อป้องกัน water hammer หรือ ฆ้อนน ้า

5. บริเวณต่้าสุดของท่อที่วางตั ง น ้าที่ควบแน่นจะไหลมารวมกันที่จุดต่้าสุดของท่อ 6. บริเวณทางเข้าอุปกรณ์ใช้ไอน ้า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของอุปกรณ์ใช้ไอน ้า

จ้าเป็นต้องส่งไอน ้าที่แห้งที่สุด ดังนั นจึงจ้าเป็นต้องติดตั งเครื่องแยกน ้าระบาย (drain separator) ที่ทางเข้าของอุปกรณ์เพื่อไล่น ้าระบายออก

65

ที่ Header

66

Expansion Loop

67

การเดินท่อน ้าคอนเดนเสทที่ Omega loop

ความบกพร่องของเครื่องดักไอน ้า

1. การอุดตัน เกิดจากรูของเครื่องดักไอน ้าไม่สามารถเปิดเพื่อระบายน ้าคอนเดนเสท อากาศ และไอน ้า เครื่องดักไอน ้าที่มีการอุดตัน ปกติจะเย็นจนสามารถสัมผัสได้ด้วยมือเปล่า การอุดตันที่เกิดจากไอน ้าหรือฟองอากาศ มีสาเหตุ 2 ประการ คือ

1.1 การอุดตันเนื่องจากการใช้งานไม่ถูกต้อง เกิดขึ นเมื่อความดันและหรืออุณหภูมิเกิน

ความสามารถของเครื่องดักไอน ้า 1.2 การอุดตันเนื่องจากการช้ารุดภายใน เกิดขึ นเมื่อที่กรองท่อ วาล์ว หรือทางเดิน

ภายในอุดตันเนื่องจากสิ่งสกปรก

68

ความบกพร่องของเครื่องดักไอน ้า

2. เครื่องดักไอน ้ารั่ว ท้าให้สูญเสียไอน ้าเป็นจ้านวนมาก แม้ไม่มีผลต่อการผลิต แต่ท้าให้สิ นเปลือง สาเหตุของการรั่วเกิดจากมีส่ิงสกปรกไปจับที่วาล์วหรือบ่าวาล์ว มีการสึกหรอของวาล์วหรือบ่าวาล์ว ตัวเครื่องดักไอน ้าร่ัว เป็นต้น การรั่วของเครื่องดักไอน ้า มีดังนี คือ

2.1 รั่วในจังหวะปิด โดยปกติวาล์วหรือบ่าวาล์วของเครื่องดักไอน ้าไม่จ้าเป็นต้องปิดสนิทเช่นวาล์วทั่วไป แต่ถ้ามีการสึกหรอแล้วจะเกิดรวดเร็วมาก เนื่องจากส่ิงสกปรกที่ติดมากับไอน ้าส้าหรับเครื่องดักไอน ้าชนิดจาน การรั่วของวาล์วเพียงเล็กน้อยจะท้าให้ความดันอีกด้านหนึ่งของจานตกลงจนท้าให้วาล์วเปิด-ปิด บ่อยเกินไป

2.2 รั่วปนกับคอนเดนเสทขณะที่ถูกขับออก ซึ่งเป็นเรื่องปกติของเครื่องดักไอน ้าทุกชนิดที่ยอมให้มีการสูญเสียเช่นนี ได้บ้างเล็กน้อย

3. ระบายคอนเดนเสทออกได้ไม่หมด การที่เครื่องดักไอน ้าไม่สามารถระบายคอนเดนเสทออกได้หมด สาเหตุมาจากเครื่องดักไอน ้าที่ใช้มีขนาดความสามารถระบายน ้าคอนเดนเสทไม่เพียงพอ นอกจากนี อาจจะมีสาเหตุมาจากความเสียหายของเครื่องดักไอน ้าเอง

69

การตรวจข้อบกพร่องของเครื่องดักไอน ้า

แนวทางตรวจสอบข้างต้นนี บางครั งก็เพียงพอส้าหรับการตรวจแล้ว แต่ถ้ายังไม่พบสาเหตุก็ให้ด้าเนินการต่อไปอีกดังนี

1. สอบถามจากพนักงานผู้คุมเครื่องในประเด็นต่างๆต่อไปนี เช่นข้อบกพร่องเกิดขึ นแบบทันทีทันใด หรือค่อยๆแสดงอาการเป็นระยะ

2. ตอนช่วงเริ่มเดินหม้อไอน ้าเครื่องดักไอน ้าท้างานอย่างไร 3. มีอาการกระแทกของน ้าหรือฟองอากาศหรือไม่

70

การน้าคอนเดนเสทไปใช้

การน้าไปใช้ประโยชน์มีแนวทางพิจารณาดังนี 1. น้าไปใช้ในส่วนอื่นของกระบวนการผลิตที่ต้องการไอน ้าความดันต่้ากว่า โดย

การแฟลชในถังที่มีความดันต่้า ให้กลายเป็นไอน ้าได้อืก 2. น้าไปใช้ในส่วนอื่นของกระบวนการผลิตที่ต้องการใช้น ้าร้อน 3. น้าไปใช้ป้อนเข้าหม้อไอน ้าอีก การน้ากลับไปใช้ประโยชน์ตามแนวทางดังกล่าวจะส่งผลให้ ก. ลดปริมาณเชื อเพลิงที่ใช้ในหม้อไอน ้า ข. ประสิทธิภาพของหม้อไอน ้าจะดีขึ น เมื่อใช้น ้าร้อนป้อน ค. ลดปริมาณน ้าดิบและสารเคมีที่ใช้ส้าหรับน ้าป้อนหม้อไอน ้า

71

วธีิแรกจะใช้ back pressure ของ drain ส่งกลับด้วยท่อ recovery ไปยังถังจ่ำยน ำ้เลีย้งหม้อไอน ำ้ วธีิหลังยังแบ่งเป็นแบบเปิดกับแบบปิด แบบเปิดจะรวบรวม drain ใส่ถังเปิด (recovery tank) ก่อน แล้วใช้ป๊ัมสูบไปยังถังจ่ำยน ำ้เลีย้งหม้อไอน ำ้

1.7.2 วธีิน ำคอนเดนเสทกลับมำใช้

การน้าคอนเดนเสดไปใช้

การน้าคอนเดนเสทไปใช้ แบ่งเป็น 3 แบบ คือ แบบที่ 1 อาศัยเครื่องดักไอน ้าระบายคอนเดนเสทออกมาสู่ถังรวม ซึ่งแบบนี มีข้อจ้ากัดอยู่ว่า ถังรวมต้องอยู่ใกล้ๆ เนื่องจากการไหลของคอนเดนเสทไปสู่ถังเกิดขึ นโดยอาศัยความดันของตัวคอนเดนเสท ซึ่งไม่สูงมากและไม่สามารถป้อนเข้าหม้อไอน ้าได้โดยตรง เนื่องจากก้าลังดันส่งไปเข้าหม้อไอน ้าไม่เพียงพอ ท้าให้การใช้ประโยชน์จ้ากัดอยู่ในบริเวณใกล้เคียงกับถังรวมเท่านั น

73


แบบที่ 2 อาศัยปั๊มหอยโข่งเข้ามาช่วยส่งคอนเดนเสทไปใช้ในบริเวณที่ห่างออกไป ซึ่งแบบนี มีข้อจ้ากัดอยู่ว่าถังรวมจะต้องสูงกว่าปั๊มหอยโข่ง 4-5 เมตร เพื่อป้องกันมิให้เกิดฟองอากาศภายในตัวปั๊มอันจะท้าให้ปั๊มไม่สามารถท้างานได้ในกรณีที่คอนเดนเสทมีอุณหภูมิสูงกว่า 80 oC

74


แบบที่ 3 เป็นการแก้ปัญหาข้อจ้ากัดในแบบที่ 1 และ 2 โดยการใช้ปั๊มที่ออกแบบมาส้าหรับดูดส่งคอนเดนเสทจากท่อรวมจากเครื่องดักไอน ้าต่างๆ ไปเข้าหม้อไอน ้าได้โดยตรง

75

Pressure Reducing Station

Pipe Alignment and Drainage

Flow

Separator

Water hammer Sagging Main

Slug of water from condensate Vibration and

noise caused by waterhammer

Condensate

Relaying to Higher Level

Steam Relay to high level

Drain Points

30 - 50m

Fall 1/250

Steam Flow Flow

Ineffective, and Proper Drain Points

• Correct

• Incorrect

Condensate

Pocket Steam Trap Set 25/30m

Cross Section

Cross Section

Steam Trap Set

Steam Flow

Steam Flow

Steam Line Reducers

Condensate

Correct

Incorrect

Steam

Steam

Condensate

Strainers

Strainer

Control Valve

Branch Connections

Correct Incorrect

Steam Steam

Condensate

Drop Leg

Shut Off Valve

Trap Set

Main

Reverse Gradient on Steam Main

Increase in Pipe Diameter So That Steam Velocity Is

Reduced to 15 m/s

Steam Velocity up to 40 m/s

30-50m

30-50m

Air Venting

Steam Main

Thermodynamic Steam Trap Set

Air

Balanced Pressure Air Vent

ฉนวนกันความร้อน

ปริมาณการสูญเสียความร้อนจากผิวท่อเปลือยและท่อที่หุ้มฉนวน 87

คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ท้าฉนวนกันความร้อน

1. มีสภาพการน้าความร้อนต่้า 2. มีความหนาแน่นน้อยและน ้าหนักเบา 3. ทนต่อแรงดึงและแรงดันได้ด ี4. มีช่วงอุณหภูมิใช้งานกว้าง 5. การติดตั งสะดวก 6. ความเป็นฉนวนคงที่แม้ใช้ไปเป็นเวลานานๆ 7. ไม่ดูดความชื นและน ้า 8. ติดไฟได้ยาก 9. ป้องกันการกัดกร่อนได้ด ี10. ราคาถูกและหาซื อได้ง่าย

88

ประเภทของวัสดุที่ใช้ท้าฉนวนกันความร้อน

1. Flake Insulation ฉนวนชนิดนี มีลักษณะเป็นปุยเม็ดเล็กๆ เพื่อแยกอากาศท้าให้ความร้อนผ่านไปได้ยาก เช่น ใช้ไมก้าเป็นวัสดุ

2. Ferrous Insulation ฉนวนชนิดนี มีทั งท้าจากสารอินทรีย์ เช่น ไม้ หรือ ชานอ้อย และท้าจากสารอนินทรีย์ เช่น Rock Wool, Alumina Silicate และ Asbestoses เป็นต้น

3. Granular Insulation ฉนวนชนิดนี ท้าจากวัสดุพวก Calcium Silicate และ Diatomaceous Earth เป็นต้น

4. Cellular Insulation ฉนวนชนิดนี ท้าจากพวกแก้ว ยาง และ พลาสติก 5. Reflective Insulation ฉนวนชนิดนี ท้าจากแผ่น Sheet บางๆ หรือฟอยซ่ึง

ท้าจากอลูมิเนียม หรือ Stainless Steel เพื่อที่จะสะท้อนความร้อนให้ย้อนกลับ

89

ชนิดของฉนวนและคุณสมบัต ิ

ชื่อของวัสดุฉนวน

ประเภท อุณหภูมิใช้งานปลอดภัย

(oC)

สภาพการน้าความร้อน

kCal/m h oC

จุดเด่น

วัสดุฉนวนแอสเบสตอส

ฉนวนทรงกระบอก

ฉนวนแผ่น

ผ้าห่มทนความร้อน

เชือกฉนวน

550

350

400

ไม่เกิน 0.053-0.056

ไม่เกิน 0.048-0.053

ไม่เกิน 0.055-0.065

การติดตั งสะดวกเหมาะสมกับบริเวณที่สั่นสะเทือน

การติดตั งสะดวก สามารถถอดได้

เหมาะสมกับวาล์วหน้าแปลน

วัสดฉนวนใยหิน (Rock Wool)



ฉนวนแถบ

400-600

ไม่เกิน 0.039-0.048

เหมาะสมกับอุณหภูมสิูงใช้เป็นฉนวนของหม้อไอน า้ ถัง ท่อ และทางไฟ เป็นต้น

วัสดุฉนวน Diatomaceous Earth

ใส่เส้นใยพืช

ใส่แอสเบสตอส

250

500

ไม่เกิน 0.082-0.084

ไม่เกิน 0.083-0.097

วัสดุฉนวนแบบป้ัน

90

ชนิดของฉนวนและคุณสมบัต ิ

ชื่อของวัสดุฉนวน

ประเภท อุณหภูมิใช้งาน (oC)

สภาพการน้าความร้อน

kCal/m h oC

จุดเด่น

วัสดุฉนวนใยแก้ว (Glass Wool)

หมายเลข 1 8K-24K

หมายเลข 2 10K-96K

หมายเลข 3 96K

ฉนวนทรงกระบอก หมายเลข 1

ฉนวนแถบ

300-350

ไม่เกิน 0.040-0.054

ไม่เกิน 0.036-0.057

ไม่เกิน 0.040



เป็นวัสดุฉนวนที่นิยมใช้กันมากที่สุด สภาพการน้าความร้อนต่้า ความสามารถในการักษาอุณหภูมิด ี

วัสดุฉนวนแคลเซียมซลิิเกต



650 ไม่เกิน 0.053


มีความแข็งแรงมากถ้าท้าเป็นแบบส้าเร็จรูป การติดตั งและความทนทานไม่ดี

วัสดุฉนวน Pearlite

ฉนวนแผ่น หมายเลข 1

ฉนวนทรงกระบอก หมายเลข 2

650 ไม่เกิน 0.053 91

การหามูลค่าความร้อนที่สูญเสียและความหนาฉนวนที่เหมาะสม

มูลค่าการสูญเสียความร้อนที่คิดเป็นเงินจะแปรตาม -ขนาดท่อ - ชนิดฉนวน -อุณหภูมิภายในท่อ - อุณหภูมิภายนอก -ชั่วโมงการใช้งานต่อปี - การน้าความร้อนของฉนวน -ความหนาของฉนวน - อุณหภูมิที่ผิวท่อ -ราคาเชื อเพลิง - ฯลฯ ราคาของฉนวนจะแปรตาม -ราคาฉนวน - อายุการใช้งานของฉนวน -ราคาวัสดุครอบฉนวน - ค่าแรง - ฯลฯ

92

ความหนาฉนวนที่เหมาะสม

ความหนาของฉนวน (น้ิว) 93

การติดตั งฉนวนป้องกันความร้อน เนื่องจากวัสดฉุนวนมทีั งแบบเปน็ผง เป็นแผ่นหรอืทอ่ และเป็นม้วน การติดตั งกม็ีกรรมวิธีตา่งกัน 1.ชนิดเป็นผง ต้องน้ามาผสมเอง เช่น Diatomaceous Earth หรือ แคลเซี่ยมซิลิเกตผง กรรมวิธีการตดิตั งค่อนข้างยาก ต้องอาศัยความช้านาญในการหลอ่ให้ได้ขนาดของงาน สิ่งส้าคัญคือ ต้องรักษาความหนาของฉนวนให้เท่ากันตลอด และเมื่อติดตั งแลว้อาจจะแตกร้าวหรือหดตวั เนื่องจากต้องผสมน า้

2. ชนิดเป็นแผ่นหรือท่อส้าเร็จรปู เช่นใยแก้วที่ท้าเปน็ท่อสา้เร็จรูปแกะออกใช้ได้เลย หรือ แคลเซี่ยมซิลิเกต ก็เป็น 2 ฝา หรือมากว่า น้ามาประกบกันได้เลย สะดวกและงา่ย เป็นที่นิยมใช้กันมาก

3.ชนิดเป็นผืนหรือม้วน ใช้กับงานที่เป็นถังหรือทรงกระบอกใหญ่ เช่นหม้อไอน ้า ถังยืนหรือนอน เป็นชนิดที่ติดตั งง่าย ปูทับกัน อาศัยตัวยึดเป็นช่วงๆ เพื่อรักษารูปให้อยู่ตลอดไป 94

ข้อควรค้านึงในการเลือกใช้ฉนวน

1.ความชื นของบรรยากาศและที่ตั งของงาน

2.การขยายตัวเนื่องจากความร้อนและการหดตัวของฉนวน

3.การวางแนวต่อตามความยาวท่อและถัง

4.การป้องกันน ้าจากภายนอก (น ้าฝน)

5.การหุ้มฉนวนตามวาล์ว หน้าแปลน และข้องอต่างๆ

6.การรักษาความหนาและแนวปอ้งกันความร้อน

7.การสูญเสียความร้อนไปกับอุปกรณ์แขวนหรอืติดตั ง 95

ข้อควรค้านึงในการเลือกใช้ฉนวน

สิ่งที่ต้องค้านึง แคลเซี่ยมซิลิเกต ใยหิน ใยแก้ว ความร้อน ค่าการน้าความร้อน

อุณหภูมิใช้งาน

ต้านทานแรงอัด

0.056-0.057

650 oC

สูงมากเกินแตกเป็นผง

0.045-0.055

650 oC

ต่้า คืนตัวง่าย

0.041-0.043

350 oC

ต่้า คืนตัวง่าย

ความปลอดภัย

ทนไฟ

ทนต่อการกัดกร่อนเหล็ก

สแตนเลส

ไม่คิดไฟ

pH 8-12.5

มี Cl2 ไม่เกิน 120 ppm


pH 7-9

ไม่เกิน


pH 7.5-9

ไม่มี

การติดตั ง สุขภาพ

เสียหายจากการขนย้าย

การเตรียมการ

การติดตั ง

เป็นฝุ่น ถ้าไม่มีแอสเบสตอสไม่เป็นพิษต่อร่างกาย

10-20%

ยุ่งยาก

สูงและเสียเวลา

เป็นฝุ่น จะคันเมื่อถูกผิวหนัง

แตกยุ่ยง่าย

ง่ายแต่ยุ่ยได้

ปานกลาง

ถูกผิวหนังจะคัน

ง่ายไม่ยุ่ย

ต่้าและไม่เสียเวลา 96

การหุ้มฉนวนท่อ

97

การแขวนท่อท่ีมีโลหะรองรับ

98

การแขวนท่อโดยใช้ตัวรองรับท่อ

Documents

MEE325 Steam Pipe Design