Pressure Dew Point (PDP)

PDP คือจุดน้ำค้างของอากาศอัดที่ความดันใช้งาน หรืออุณหภูมิที่จะบอกการเกิดน้ำกลั่นตัวในระบบอากาศอัด ซึ่งการเกิดน้ำจะทำให้เกิดความเสียหายกับท่อ ผลิตภัณฑ์หรืออุปกรณ์ที่นำอากาศอัดไปใช้ การคำนวณค่า PDP การทำงานของระบบอัดอากาศ สภาวะอากาศอัด ใช้สมการเดียวกันกับสมการที่ใช้คำนวณไซโครเมตริกในงานปรับอากาศจาก ASHRAE FUNDAMENTAL

การคำนวณ PDP ช่วยให้เข้าใจเรื่องคุณภาพอากาศอัดในเรื่องความชื้น และใช้อธิบายข้อคิดในการออกแบบระบบอากาศอัด เพื่อควบคุมคุณภาพอากาศอัดให้เหมาะสมกับการใช้งาน

สมการสำหรับการคำนวณ

อากาศอัดประกอบด้วยอากาศและไอน้ำซึ่งถือว่าเป็นก๊าซอุดมคติ ทำให้สามารถใช้กฎของก๊าซในการคำนวณได้สมการที่ใช้คำนวณไซโครเมตริกมีดังต่อไปนี้

V/F=RdaT/(P – Pw)…………………………………………………………….……………………....(1.)

เมื่อ V คืออัตราการไหลโดยปริมาตรของอากาศ(cms): F คืออัตราการไหลของอากาศแห้ง kg/s: Rda = 287.055 J/(kgda·K): T คืออุณหภูมิอากาศ (K)

ln pws = C1/T + C2 + C3T + C4T^2+ C5T^3 + C6T^4+ C7 ln T………………………………..(2.)

เมื่อ Pws คือความดันไอน้ำอิ่มตัว(Pa)ที่อุณหภูมิ t และ T = t + 273.15 สมการนี้ใช้สำหรับอุณหภูมิอากาศ -100 to 0 C

ln Pws = C8/T + C9 + C10T + C11T^2 + C12T^3 + C13 ln T……………………………………(3.)

เมื่อ Pws คือความดันไอน้ำอิ่มตัว(Pa)ที่อุณหภูมิ t และ T = t + 273.15 สมการนี้ใช้สำหรับอุณหภูมิอากาศ 0-200 C

Ws = 0.62198 Pws / (P – Pws)………………………………………………………………….…….(4.)

W = 0.62198 Pw / (P – Pw)………………………………………………………………….……….(5.)

เมื่อ Ws คือความชื้นอิ่มตัวของอากาศ(kgw / kg da)ที่อุณหภูมิ t และ P คือความดันอากาศขณะนั้น (Pa)

f = W / Ws = Pw/Pws.………………………………………………………………...…….…………(6.)

เมื่อ f คือความชื้นสัมพัทธ์

v = 0.2871(t + 273.15)(1 + 1.6078W) / P……………………………………………………………(7.)

เมื่อ v คือปริมาตรจำเพาะของอากาศอัด (m^3/kg da) และ P = ความดันอากาศอัด kPa

td = 6.09 + 12.608 ln Pw + 0.4959 (ln Pw)^2 …….………………………………………………..(8.)

เมื่อ td คือจุดน้ำค้างของอากาศที่มีอุณหภูมิ <0 และ pw คือความดันไอน้ำในอากาศขณะนั้น(kPa) และ

td = C7+ C8 (ln Pw) + C9 (ln Pw)^2 + C10(ln Pw)^3 + C11( Pw)^0.1984……………….…….(9.)

เมื่อ td คือจุดน้ำค้างของอากาศที่มีอุณหภูมิ 0 – 93 C

h = 1.006t + W(2501 + 1.86t)………………………………………………………..……………….(10.)

เมื่อ h คือเอ็นทาลปีของอากาศอัด kJ/kg da

สำหรับเครื่องอัดอากาศใช้สมการเทอร์โมไดนามิกส์ต่อไปนี้

To = Ti.rp^(0.4/1.4).………………………………………………………………..……..……..……(11.)

เมื่อการทำงานเป็นแบบไอเซนโทรปิก Ti/To คืออุณหภูมิอากาศอัดที่เข้า/ออกจากเครื่องอัดอากาศ

Rp = Po / Pi………………………………………………………………………………………..…...(12.)

เมื่อ rp คืออัตราการอัดของเครื่องอัดอากาศ Po/Pi คือความดันอากาศที่ออก/เข้าเครื่องอัดอากาศ

Wis = F (ho – hi)………………………………………………………………………..…...…..…….(13.)

เมื่อ Wis คือพลังงานของเครื่องอัดอากาศที่ทำงานแบบไอเซนโทรปิก(kJ /kg.da) และ F คืออัตราการไหลของอากาศอัด (kg.da/s) และ h คือเอ็นทาลปีของอากาศอัด kJ/kg.da ของอากาศอัดที่เข้าและออกจากเครื่องอัดอากาศ

Wa = Wis / η…………………………………………………………………………..………..….,…(14.)

เมื่อ Wa คือพลังงานจริงของเครื่องอัดอากาศ(kJ /kg.da) และ η คือประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศ

hoa = Wa +hi……………………………………………………………………………..……..…….(15.)

เมิ่อ hoa คือเอ็นทาลปีจริงของอากาศอัดที่ออกจากเครื่องอัดอากาศ

การทำงานของระบบอัดอากาศ

ระบบอัดอากาศตัวอย่างประกอบด้วย ที่กรองอากาศ เครื่องอัดอากาศ อุปกรณ์ระบายความร้อน(After-cooler) เครื่องดูดความชื้น(Air dryer) ถังอากาศอัด และอื่นๆ ตามรูปที่ 1. อากาศภายนอกจะถูกดูดผ่านที่กรองอากาศเพื่อปรับลดฝุ่นละอองก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศเพื่อเพิ่มความดัน อากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากพลังงานที่ใช้ในเครื่องอัดอากาศ จึงต้องมีอุปกรณ์ระบายความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของอากาศและช่วยลดพลังงานความร้อนก่อนที่อากาศอัดจะเข้าเครื่องดูดความชื้น เครื่องดูดความชื้นทำหน้าที่ลดความชื้นในอากาศอัดเพื่อควบคุมคุณภาพอากาศอัดในด้านความชื้น ถังความดันใช้เพื่อคุณภาพอากาศอัดในด้านความดัน

รูปที่ 1.แผนผังการติดตั้งระบบอัดอากาศ

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของระบบอัดอากาศและค่าจุดน้ำค้างความดัน PDP ที่ตำแหน่งต่างๆในระบบอากาศอัด จะแสดงการคำนวณระบบอากาศอัดตัวอย่างที่ต้องการอากาศอัด 10,000 lpm ความดัน 6 barg อากาศภายนอกมีอุณหภูมิ 32oCและความชื้นสัมพัทธ์ 55% มีความดัน 1 bar ตารางที่ 1.คำนวณคุณสมบัติที่จำเป็นของอากาศที่ผ่านที่กรองอากาศประสิทธิภาพสูงมีความดันตก 250 Pa หลังจากผ่านที่กรองอากาศความดันจึงเหลือ 0.998 bar มีค่าจุดน้ำค้าง 21.74oC

ตารางที่ 1. ตัวอย่างการคำนวณสถานะอากาศเข้าระบบอากาศอัดผ่านที่กรองอากาศ

ให้เครื่องอัดอากาศมีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 0.75 อุปกรณ์ระบายความร้อน(After cooler)มี approach 6 C และมีความดันตก 80 Pa ความดันตกในเครื่องดูดความชื้น 300 Pa ความดันตกในระบบท่อ 0.1 bar ความดันอากาศอัดที่ออกจากเครื่องอัดอากาศ =7+(80+300)/101325+0.1= 7.1038 bar จากการคำนวณตามตารางที่ 2.ได้ค่า PDP 39.65 C ในกรณีที่ไม่ทราบประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของเครื่องอัดอากาศ สามารถใช้ค่ากำลังของเครื่องอัดอากาศแทนลงในสมการที่ 14. จะสามารถคำนวณประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกได้

อุปกรณ์ระบายความร้อนสามารถลดความชื้นในอากาศได้ถ้าสามารถลดอุณหภูมิอากาศอัดให้ต่ำกว่าค่า PDP ของอากาศอัดขณะนั้นได้ จากตารางที่ 2.อุปกรณ์ระบายความร้อนสามารถดึงความชื้นได้ถึง 2.1cc/s (สมการที่ 16.) และอากาศยังมี PDP สูงกว่าอุณหภูมิอากาศภายนอกจึงเกิดน้ำในระบบท่ออากาศอัดจากเครื่องอัดอากาศได้

Moisture extraction (kg/s) = F(Wi-Wo)……………………………………………………..……….(16.)

ตารางที่ 2.ตัวอย่างการคำนวณการทำงานของเครื่องอัดอากาศ

เครื่องดูดความชื้นเป็นแบบเครื่องทำความเย็นทำให้ไอน้ำในอากาศกลั่นตัวโดยลดอุณหภูมิอากาศอัดให้ต่ำกว่าPDPที่ต้องการตามคุณภาพอากาศอัดของอุปกรณ์ที่ใช้ เพื่อให้ไอน้ำในอากาศอัดกลั่นตัวแยกจากอากาศอัด จากการคำนวณในตารางที่ 2. เครื่องดูดความชื้นเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดน้ำในระบบท่อและอุปกรณ์

ให้อากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นมีค่า approach 3 C อุณหภูมิในเครื่อง 2 C และมีความดันตก 300 Pa จากการคำนวณตามตารางที่ 3.อากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นมีค่า PDP=5.02 จะไม่เกิดน้ำในระบบท่อแต่เนื่องจากอุณหภูมิอากาศอัดมีค่า 5 C ซึ่งต่ำกว่าจุดน้ำค้างของอากาศภายนอกจากตารางที่ 1.td=21.84 C จึงจะเกิดน้ำเกาะภายนอกท่อแทน เพื่อไม่ให้มีน้ำเกาะภายนอกท่อต้องเพิ่มอุณหภูมิอากาศอัดให้สูงกว่าจุดน้ำค้างภายนอกแนะนำให้ใช้ความร้อนจากการทำงานของเครื่องดูดความชื้นซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องดูดความชื้นอีกด้วย

เมื่อเพิ่มอุณหภูมิอากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นเป็น 32 C เท่ากับอากาศภายนอกค่า PDP=4.90 ลดลงอีกเล็กน้อย

ตารางที่ 3. ตัวอย่างการคำนวณการทำงานของเครื่องดูดความชื้น

ให้มีอุปกรณ์ปรับลดความดันเพื่อการใช้งานเหลือ 3 barg เพื่อใช้กับอุปกรณ์ที่ต้องการอากาศอัด 70 l/s(FAD) อากาศอัดที่ออกจากอุปกรณ์มีความดัน0.02 barg ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 0.7 การปรับลดความดันไม่เกิดความร้อนและพลังงาน จากตารางที่ 4.อุณหภูมิอากาศจากการปรับลดความดันเหลือ -13.9 C ซึ่งต่ำกว่า PDP ของอากาศอัด จึงเกิดน้ำกลั่นตัวเป็นหมอกหรือละอองน้ำในอากาศอัด ท่ออากาศอัดหลังวาวล์ปรับความดันจึงต้องติดตั้งท่อดักน้ำและวาวล์ระบายน้ำอัตโนมัติ การปรับความดันอากาศที่อุปกรณ์ทำให้เกิดหมอกและละอองน้ำที่อุปกรณ์ได้เช่นเดียวกัน

ตารางที่ 4. ตัวอย่างการคำนวณเมื่อลดความดันและการใช้งานที่อุปกรณ์

ส่งท้าย

จากตัวอย่างการคำนวณจะเห็นได้ว่าท่อที่มีโอกาสเกิดน้ำในระบบท่ออากาศอัดได้คือท่อจากเครื่องอัดอากาศที่มีอุปกรณ์ระบายความร้อน(After-cooler) เนื่องจากมีค่า PDP สูงกว่าอุณหภูมิอากาศภายนอกทำให้เกิดน้ำกลั่นตัวที่ผนังท่อด้านใน การลดความดันอากาศอัดเนื่องจากอุปกรณ์ปรับลดความดัน(Pressure regulator) และอุปกรณ์(Pneumatic tools)ทำให้อุณหภูมิอากาศอัดลดลงต่ำกว่าค่า PDP ทำให้เกิดน้ำในอากาศอัดมีลักษณะเป็นหมอกหรือละอองน้ำขนาดเล็ก

เครื่องดูดความชื้นเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อไม่ไห้มีน้ำในระบบอากาศอัด เครื่องดูดความชื้นแบบทำความเย็น(Refrigerated air dryer) จะอุ่นอากาศที่ผ่านการดึงความชื้นให้มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิอากาศภายนอกเพื่อไม่ให้เกิดน้ำเกาะที่ผิวนอกของท่อและเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องดูดความชื้น

เครื่องดูดความชื้นแบบทำความเย็นควบคุมค่า PDP ของอากาศอัดได้ตามคุณภาพน้ำ ISO class 4-6 จากตัวอย่างการปรับลดความดันและการใช้ในอุปกรณ์ยังเกิดหมอกหรือละอองน้ำขนาดเล็กซึ่งงานและอุปกรณ์หลายประเภทยอมรับได้ ถ้าต้องการควบคุมน้ำตามคุณภาพน้ำ ISO class 1-3 จะต้องใช้เครื่องดูดความชื้นแบบดูดซึม(Absorption air dryer) หรีอแบบดูดซับ(Adsorption air dryer)

ท่อดักน้ำและวาวล์ระบายน้ำอัตโนมัติเป็นสิ่งจำเป็นแม้จะมีเครื่องดูดความชื้นเพื่อลดปัญหาเรื่องน้ำในระบบอากาศอัด เนื่องจากการเกิดน้ำเมื่อลดความดันจากวาวล์และการใช้อุปกรณ์ และเมื่อเครื่องดูดความชื้นเกิดปัญหาขัดข้อง การเปิดวาวส์ระบายด้วยมือทำเพื่อตรวจสอบการทำงานของระบบควบคุมน้ำในระบบอากาศอัดเป็นครั้งคราว แต่ถ้าทำเป็นประจำจะเป็นการสูญเสียอากาศอัดที่มีต้นทุนสูง