สมดุลน้ำของหอผึ่งเย็น: การระเหย ละอองน้ำที่หลุด การเบลาดาวน์ และรอบความเข้มข้น

หอผึ่งเย็น (Cooling Tower) ใช้น้ำไปสามทางที่พฤติกรรมต่างกันโดยสิ้นเชิง การแยกสามทางออกจากกันคือสิ่งที่ทำให้การบริหารน้ำจัดการได้ คือทางหนึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้และแปรตามภาระความร้อน ทางหนึ่งเป็นคุณสมบัติการออกแบบของแผงดักละอองน้ำ (Drift Eliminator) และอีกทางเป็นการกระทำโดยตั้งใจที่แลกน้ำกับเคมีน้ำ

สมดุล

ในสภาวะคงตัว สิ่งที่เข้าเท่ากับสิ่งที่ออก

น้ำเติม = การระเหย + ละอองน้ำที่หลุด + การเบลาดาวน์

ตัวเลขเรื่องน้ำทุกตัวของโรงงาน ทั้งลิตรต่อชั่วโมง ต้นทุนต่อปี รอบความเข้มข้น และอัตราการป้อนสารเคมี มาจากสมการนี้บวกกับความเข้มข้นของของแข็งที่ละลายในแต่ละกระแส บทความนี้จะไล่ทีละพจน์

การระเหย: พจน์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

ความร้อนเกือบทั้งหมดที่หอผึ่งเย็นระบายออกไป ไปกับความร้อนแฝงที่พาไปโดยน้ำที่ระเหยในแผงกระจายน้ำ (Fill) ส่วนที่เหลือเป็นความร้อนสัมผัสที่ถ่ายให้อากาศ นี่คือเหตุผลที่การระเหยเป็นไปตามภาระความร้อนโดยตรง

mE ≈ Q / hfg โดย Q = mcp,w (Th − Tc)

ความร้อนแฝง hfg ประมาณ 2400 kJ/kg ในช่วงการทำงานปกติของหอผึ่งเย็น การคำนวณจึงง่าย ตัวอย่างหอที่หมุนเวียนน้ำ 200 kg/s ที่ Range 10 K

Q = 200 × 4.18 × 10 ≈ 8360 kW

mE ≈ 8360 ÷ 2400 ≈ 3.48 kg/s

คิดเป็นสัดส่วนของน้ำหมุนเวียนประมาณ 1.74% ซึ่งตรงกับกฎพื้นฐานที่คุ้นเคยว่าหอระเหยน้ำประมาณ 1% ของอัตราการไหลหมุนเวียนต่อ Range 5.5 K สังเกตว่าการขึ้นกับ Range หมายความว่าสัดส่วนการระเหยไม่ใช่คุณสมบัติของหอ แต่เป็นคุณสมบัติของภาระงานที่หอรับ หากเดินที่ Range กว้างขึ้นก็ระเหยน้ำมากขึ้นตามสัดส่วน

ตัวอย่างประกอบ — ตัวเลขข้างต้นเป็นตัวอย่างประกอบ ไม่ใช่ผลการวัดจริง

ละอองน้ำที่หลุด: น้อยในแง่น้ำ แต่สำคัญในแง่การสะสม

ละอองน้ำที่หลุด (Drift) คือน้ำในสถานะของเหลวที่ถูกพาออกจากหอในรูปของหยดน้ำ และอ้างเป็นส่วนในล้านส่วน (ppm) ของน้ำหมุนเวียน ค่าประมาณการออกแบบที่คู่มืออุตสาหกรรมใช้คือประมาณ 0.02% ของน้ำหมุนเวียน และมวลที่สูญเสียคำนวณได้ตรงไปตรงมา

mD = สัดส่วนที่หลุด × mcirculation

ที่ 200 kg/s และ 0.02% จะได้ mD = 0.04 kg/s คิดเป็นประมาณ 1% ของการระเหย จึงเป็นเหตุผลที่ละอองน้ำที่หลุดแทบไม่เคยเป็นสาเหตุที่ค่าน้ำของหอสูง — และเป็นเหตุผลที่มันเป็นคำตอบที่ถูกต้องของอีกคำถามหนึ่งเสมอ ละอองน้ำพาของแข็งที่ละลายออกไปด้วย จึงเป็นกลไกที่ทำให้เกิดการสะสมเกลือบนสิ่งก่อสร้างข้างเคียง ทำให้เกิดควันขาวที่มองเห็น และทำให้เกิดการกัดกร่อนบนผิวที่อยู่ใต้ลมของหอ แผงดักละอองน้ำถูกเลือกเพราะตำแหน่งที่หยดน้ำจะตกลง ไม่ใช่เพราะปริมาณน้ำที่มันพาไป

การเบลาดาวน์และรอบความเข้มข้น

น้ำออกจากหอด้วยการระเหยในรูปไอระเหยบริสุทธิ์ แต่ของแข็งที่ละลายอยู่ยังคงอยู่ หากไม่ระบายน้ำทิ้งอย่างตั้งใจ ความเข้มข้นของมันในน้ำหมุนเวียนจะเพิ่มขึ้นจนเกิดตะกรันและการกัดกร่อนตามมา น้ำที่ระบายทิ้งอย่างตั้งใจนี้คือ การเบลาดาวน์ (Blowdown) และเป็นตัวกำหนด รอบความเข้มข้น (Cycles of Concentration) ซึ่งคือความเข้มข้นในน้ำหมุนเวียนหารด้วยความเข้มข้นในน้ำเติม

สมดุลของของแข็งที่ละลายให้ความสัมพันธ์ที่กระชับ ทั้งการเบลาดาวน์และละอองน้ำที่หลุดออกจากหอที่ความเข้มข้นของน้ำหมุนเวียน ขณะที่ของแข็งทั้งหมดเข้ามาทางน้ำเติม ดังนั้น

น้ำเติม = CoC × (การเบลาดาวน์ + ละอองน้ำที่หลุด)

เมื่อรวมกับสมดุลมวลข้างต้น และคิดละอองน้ำที่หลุดเป็นส่วนหนึ่งของการสูญเสีย การเบลาดาวน์หาได้โดยตรง

การเบลาดาวน์ = การระเหย ÷ (CoC − 1) − ละอองน้ำที่หลุด

ตัวอย่างประกอบ

ตัวเลขต่อไปนี้เป็นตัวอย่างประกอบ ไม่ใช่ผลการวัดจริง

ใช้หอจากหัวข้อก่อนหน้า คือระเหย 3.48 kg/s ละอองน้ำที่หลุด 0.04 kg/s เดินเครื่องที่ 5 รอบความเข้มข้น

การเบลาดาวน์ = 3.48 ÷ (5 − 1) − 0.04 = 0.87 − 0.04 = 0.83 kg/s

น้ำเติม = 3.48 + 0.83 + 0.04 = 4.35 kg/s

ตรวจสมดุลความเข้มข้น น้ำเติม ÷ CoC = 4.35 ÷ 5 = 0.87 kg/s และ การเบลาดาวน์ + ละอองน้ำที่หลุด = 0.83 + 0.04 = 0.87 kg/s ทั้งสองค่าตรงกัน คือสมดุลเป็นจริง

สังเกตว่าอัตราส่วนน้ำเติมต่อการเบลาดาวน์ออกมาเป็น 4.35 ÷ 0.83 = 5.24 ไม่ใช่ 5 เพราะละอองน้ำที่หลุดก็พาน้ำเข้มข้นออกจากหอเช่นกัน อัตราส่วนน้ำเติมต่อการเบลาดาวน์จึงสูงกว่ารอบความเข้มข้นเล็กน้อย เป็นการตรวจสอบที่มีประโยชน์ และเป็นตัวเลขที่ผิดได้ง่ายหากละเลยละอองน้ำที่หลุด

การแลกเปลี่ยน: รอบสูงขึ้น น้ำน้อยลง ความเสี่ยงสูงขึ้น

การเพิ่มรอบความเข้มข้นคือคันโยกมาตรฐานในการลดน้ำเติมและลดการใช้สารเคมี ที่ 5 รอบ ตัวอย่างนี้ใช้น้ำเติม 4.35 kg/s ส่วนที่ 3 รอบ จะต้องเบลาดาวน์ 3.48 ÷ 2 − 0.04 ≈ 1.70 kg/s และใช้น้ำเติมประมาณ 5.22 kg/s หรือมากกว่าราว 20% สำหรับภาระความร้อนเดียวกัน

การประหยัดนั้นไม่ได้มาฟรี รอบความเข้มข้นที่สูงขึ้นหมายถึงความเข้มข้นของทุกอย่างที่น้ำพามาสูงขึ้น ทั้งความกระด้างของแคลเซียมและแมกนีเซียมที่ทำให้เกิดตะกรันในแผงกระจายน้ำ คลอไรด์ที่กัดกร่อนคอนกรีตและเหล็กกล้า และของแข็งที่ละลายซึ่งเพิ่มโอกาสเกิดคราบสกปรกบนทุกผิวที่เปียกน้ำ ขีดจำกัดในทางปฏิบัติถูกกำหนดโดยสามปัจจัยที่ทำงานร่วมกัน

• เคมีของน้ำเติมเอง และสิ่งที่โปรแกรมการปรับสภาพน้ำสามารถกักไว้ในสารละลายได้
• กรอบคุณภาพน้ำของแผงกระจายน้ำ คือขีดจำกัดของผู้ผลิตต่อภาระและเคมีน้ำที่แผงทนได้โดยไม่สูญเสียสมรรถนะทางความร้อนหรืออายุเชิงกล
• วัสดุที่ใช้สร้างหอ และค่าเผื่อการกัดกร่อนที่ออกแบบไว้ในวัสดุเหล่านั้น

การดันรอบความเข้มข้นเกินขีดจำกัดเหล่านั้น จะเปลี่ยนการประหยัดน้ำให้กลายเป็นค่าเปลี่ยนแผงกระจายน้ำ ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนที่ไม่คุ้ม ด้วยเหตุนี้สมดุลน้ำและโปรแกรมปรับสภาพน้ำจึงต้องอ่านพร้อมกัน ไม่ใช่แยกบริหารโดยคนละฝ่าย

ใช้สมดุลน้ำเป็นเครื่องมือวินิจฉัย

เนื่องจากทั้งสามพจน์คำนวณได้จากภาระความร้อนและค่าออกแบบไม่กี่ค่า สมดุลน้ำจึงใช้เป็นเครื่องมือหาสาเหตุได้ด้วย ให้วัดน้ำเติมจริงในช่วงเวลาหนึ่งจากมิเตอร์ และคำนวณว่าสมดุลบอกว่าควรเป็นเท่าใด แล้วดูช่องว่าง

• น้ำเติมสูงกว่าที่คำนวณ ชี้ไปที่การรั่วในอ่างรับน้ำ (Basin) หรือในท่อ น้ำล้นอ่างจากการค้างของอุปกรณ์ควบคุมระดับ ละอองน้ำที่หลุดเกินพิกัดเพราะแผงเสียหายหรือเคลื่อนตำแหน่ง หรืออัตราการไหลหมุนเวียนสูงกว่าค่าที่ใช้คำนวณ
• น้ำเติมต่ำกว่าที่คำนวณ มักหมายความว่าการระเหยที่สมมติไว้สูงเกินไป คือ Range หรืออัตราการไหลไม่ตรงกับเอกสารออกแบบ หรือการควบคุมค่าการนำไฟฟ้าเดินหอที่รอบความเข้มข้นสูงกว่าที่ตั้งใจ ซึ่งเป็นความเสี่ยงตะกรัน ไม่ใช่การประหยัด

ไม่ว่าทิศทางใดก็น่าตรวจสอบ เพราะทั้งสองแบบหมายความว่าหอไม่ได้ทำงานตามที่เอกสารของมันระบุ

อ่านต่อ

• หน้าให้บริการโอเวอร์ฮอลและซ่อมบำรุง
• น้ำออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ไม่เย็น? เช็ก 7 จุดก่อนซ่อมใหญ่
• อภิธานศัพท์หอผึ่งเย็น

แหล่งอ้างอิง

• Hensley, J.C. (ed.) — Cooling Tower Fundamentals, 2nd edition (SPX Cooling Technologies, 2009) — สมดุลน้ำที่บทความนี้คำนวณ — น้ำเติม (Makeup) เท่ากับการระเหย + ดริฟต์ + บลอวดาวน์ ความสัมพันธ์ของ Cycles of Concentration และค่าประมาณการระเหยและดริฟต์ โดยดริฟต์คิดที่ 0.02% ของอัตราการไหลหมุนเวียน