เนื้อหา

ห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ (CENTRALIZED DRYING ROOM)

       การอบแห้ง คือ กระบวนการดึงความชื้นออกจากวัสดุที่ทำการอบแห้ง โดยจ่ายลมร้อนให้แก่ห้องอบแห้ง ซึ่งระบบอบแห้งแบบรวมศูนย์เป็นระบบที่ได้รับความนิยมกันแพร่หลาย โดยการใช้น้ำร้อนหรือไอน้ำเป็นแหล่งพลังงานความร้อนในการอบแห้ง สำหรับการอบแห้งโดยใช้แหล่งพลังงานจากน้ำพุร้อนสำหรับประเทศไทยนั้น นัฐพร และชัชวาลย์ (2552) ได้สรุปแนวทางเป็น 2 รูปแบบ คือ การนำน้ำพุร้อนอุณหภูมิสูงมาจ่ายให้แก่ห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์โดยตรง และการนำน้ำพุร้อนอุณหภูมิต่ำมาเพิ่มคุณภาพความร้อนโดยระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ จากนั้นนำน้ำร้อนอุณหภูมิสูงที่ได้จ่ายให้แก่ห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ต่อไป

    ห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ที่ใช้น้ำพุร้อนเป็นแหล่งพลังงานความร้อนในการอบแห้ง ไม่มีขนาดห้องอบแห้งและขนาดอุปกรณ์ที่แน่นอนขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัยหลัก คือ ชนิดของผลิตผลทางการเกษตรที่ต้องการอบแห้ง และคุณสมบัติทางกายภาพของน้ำพุร้อน ซึ่งทั้งสองปัจจัยเป็นตัวกำหนดขนาดของห้องอบแห้ง ระยะเวลาในการอบ รวมถึงความเร็วลมที่ต้องจ่ายให้แก่ห้องอบแห้งอีกด้วย

        1. หลักการอบแห้ง

    การอบแห้งเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนโดยใช้อากาศเป็นตัวกลางในการอบแห้ง การถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่เป็นการพาความร้อนระหว่างอากาศและความชื้นที่ผิวของวัตถุดิบอบแห้ง ความร้อนถูกใช้ในการระเหยน้ำออกจากผิว ซึ่งเมื่อวัดค่าปริมาณความชื้น (Moisture content, Mc) และอุณหภูมิของวัสดุที่อบแห้งกับเวลา จะได้กราฟการอบแห้ง (Drying curve) ที่สามารถแบ่งได้ 3 ช่วงดังแสดงในรูปที่ 1

 

รูปที่ 1 การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความชื้นและเวลาในการอบแห้ง (Drying curve) [นัฐพร, 2561]

 

    จากรูปที่ 1 การอบแห้งในช่วงที่แรก คือ ช่วงการให้ความร้อนเบื้องต้น (Preheat period) เป็นช่วงเริ่มให้ความร้อนแก่วัสดุเปียก เพื่อให้อุณหภูมิวัสดุและน้ำในวัสดุเพิ่มอุณหภูมิขึ้นจนถึงอุณหภูมิกระเปาะเปียก (Wet bulb temperature) ของลมร้อนที่ใช้ในการอบแห้ง

    ช่วงที่สอง คือ ช่วงอัตราการอบแห้งคงที่ (Constant drying rate period) เป็นช่วงที่ต้องการให้อุณหภูมิภายในวัสดุและผิวของวัสดุคงที่ เท่ากับอุณหภูมิกระเปาะเปียกของลมร้อนตลอดช่วงการอบแห้ง การถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศกับวัสดุจะเกิดขึ้นที่บริเวณผิววัสดุเท่านั้น และปริมาณความชื้นจะลดลงด้วยอัตราคงที่เมื่อเทียบกับเวลา ส่งผลให้อัตราการอบแห้งคงที่ตามไปด้วย จนกระทั่งถึงจุดหนึ่งที่อัตราการอบแห้งเปลี่ยนแปลงจากคงที่เป็นลดลง ซึ่ง ณ จุดนี้เรียกว่า ค่าปริมาณความชื้นวิกฤติ (Critical moisture content) ซึ่งค่านี้จะขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพของวัสดุ เช่น ขนาด รูปร่าง และสิ่งแวดล้อมในการอบแห้ง เป็นต้น

    ช่วงที่สาม คือ ช่วงอัตราการอบแห้งลดลง (Falling drying rate period) ความชื้นของน้ำที่ผิวของวัสดุจะระเหยหมดไป เพราะการถ่ายเทความชื้นของน้ำจากภายในวัสดุเกิดขึ้นไม่ทันการระเหยของน้ำออกจากผิวของวัสดุ ดังนั้นวัสดุจะอยู่ในสภาพแห้งและอุณหภูมิผิวสูงขึ้น และทำให้อัตราการอบแห้งลดลง เมื่อทำการอบแห้งวัสดุโดยใช้สภาวะอากาศคงที่ อุณหภูมิของวัสดุจะมีค่าสูงกว่าอุณหภูมิกระเปาะเปียกของลมร้อน และเท่ากับอุณหภูมิของลมร้อนที่ใช้ในการอบแห้งในที่สุด ส่วนปริมาณความชื้นของวัสดุจะลดต่ำลง จนกระทั่งความชื้นในวัสดุมีค่าความดันไอเท่ากับความดันไอของอากาศที่อยู่รอบ ๆ และเรียกค่าความชื้นดังกล่าวว่า  ค่าปริมาณความชื้นสมดุล (Equivalent moisture content)

    อนึ่งค่าปริมาณความชื้นข้างต้น สามารถบอกได้โดยค่ามาตรฐานในการอบแห้ง 2 มาตรฐาน คือ ค่าปริมาณความชื้นฐานแห้ง (% dry basis) และค่าปริมาณความชื้นฐานเปียก (% wet basis) เป็นหลักเกณฑ์ในการวัดค่าการอบแห้ง เพื่อให้สามารถกำหนดมาตรฐานการอบแห้งวัสดุทางการเกษตรได้ โดยค่าความชื้นดังกล่าวแสดงดังสมการต่อไปนี้

                                                สมการที่ 1

    เมื่อ     % wet basisS ค่าความชื้นฐานเปียกของวัสดุก่อนเริ่มต้นอบแห้ง (%)

       % wet basisF ค่าความชื้นฐานเปียกของวัสดุที่ต้องการหลังการอบแห้ง (%)

        M               มวลของวัสดุ (kg)

                       MF,0           มวลแห้งความชื้น 0% (kg)

    2. ห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์

    การอบแห้งแบบรวมศูนย์นั้นหลักการสำคัญ คือ การระบายลมเข้าออกภายในห้องอบแห้ง ดังนั้นด้านหลังห้องอบแห้งจึงมีช่องรับลมจากภายนอกเข้าสู่ภายในห้องอบแห้งซึ่งจะอยู่บริเวณใบพัด และช่องระบายอากาศชื้นออกภายนอกห้องอบแห้งซึ่งจะอยู่เหนือแผงแลกเปลี่ยนความร้อน ช่องทั้งสองนี้สามารถเปิดและปิดได้ ในกรณีที่อากาศภายในห้องอบแห้งมีความชื้นมากจะทำการเปิดช่องทั้งสองนี้เอาไว้ เพื่อดูดอากาศภายนอกมาทดแทนอากาศภายในห้องที่มีความชื้นสูง และจะปิดในกรณีที่อากาศภายในห้องมีความชื้นและความร้อนที่พอเหมาะต่อการอบแห้ง จากนั้นพัดลมและมอเตอร์จะทำหน้าที่ส่งลมร้อนให้หมุนเวียนภายในห้องอบแห้ง ผนังแจกลมทำหน้าที่แยกลมร้อนที่ใช้ในการอบแห้งออกจากอากาศชื้น ลมร้อนจะผ่านแผงแลกเปลี่ยนความร้อนและอากาศแห้งก่อนเข้าพื้นที่อบแห้ง โครงเหล็กภายในห้องทำหน้าที่เป็นตัวรองรับน้ำหนักของพืชผลทางการเกษตร และชุดควบคุมไฟฟ้าและอุณหภูมิทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของห้องอบแห้ง ดังแสดงในรูปที่ 2

 

 

รูปที่ 2 ห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์และส่วนประกอบ [นัฐพร, 2561]

 

    รูปที่ 3 แสดงการไหลเวียนของลมร้อนภายในห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ โดยน้ำพุร้อนผ่านวาล์วควบคุม (1) เปิดให้น้ำร้อนผ่านเข้าแผงแลกเปลี่ยนความร้อน (2) แล้วไหลกลับออกไป ลมจากพัดลม (3) จะผ่านแผงแลกเปลี่ยนความร้อนทำให้อากาศร้อนขึ้น (4) จากนั้นจะถูกส่งเข้าสู่พื้นที่อบแห้ง (5) ผ่านพืชผลทางการเกษตรที่ต้องการอบ การระบายความชื้นในช่วงนี้มาจากการนำอากาศภายนอกที่มีความชื้นต่ำเข้ามาทางช่องปล่องพัดลม (6) และลมร้อนที่ผ่านแลกเปลี่ยนความร้อน (4) มาแทนที่อากาศภายในห้องที่มีความชื้นสูง ซึ่งจะถูกดันออกทางปล่องระบายอากาศชื้น (7) ด้านบน โดยรายละเอียดของแต่อุปกรณ์มีดังต่อไปนี้

 

รูปที่ 3 แสดงการหมุนเวียนลมภายในห้องอบแห้ง [Nattaporn et al., 2014]

    3. การประยุกต์เทคโนโลยีสู่ชุมชน

    ชัชวาลย์ และนัฐพร (2548) และมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ (2548) ได้ทำการศึกษาการนำน้ำพุร้อนมาใช้ประโยชน์กับห้องเย็นและห้องอบแห้ง โดยห้องอบแห้งใช้ระบบอบแห้งแบบรวมศูนย์สำหรับอบพืชผลทางการเกษตร โดยน้ำพุร้อนที่นำมาใช้งานเกิดจากการขุดเจาะ ความลึกของหลุมเจาะลงไปในผิวดิน 56 m อัตราการไหลของน้ำพุร้อนประมาณ 20 m3/h และมีอุณหภูมิน้ำพุร้อนที่ผิวดินประมาณ 98 °C ณ แหล่งน้ำพุร้อนป่าตึง ตำบลป่าตึง อำเภอแม่จัน จังหวัดเชียงราย ห้องอบแห้งที่ได้ทำการออกแบบและก่อสร้างมีขนาด 3.6 m x 4.3 m x 3.0 m ขนาดความจุของห้อง 3 Ton สามารถทำอุณหภูมิสูงสุดได้ 93 °C ภายใน 5 min (ห้องเปล่า) และความเร็วลมภายในห้องที่ใช้ในการอบแห้งประมาณ 20,000 cfm (ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที) ซึ่งสามารถอบแห้งพืชผลทางการเกษตรได้หลายชนิด รายละเอียดห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์แสดงดังรูปที่ 4 และรูปที่ 5

    โครงการ การผลิตไฟฟ้าร่วมกับการทำความเย็นและความร้อนแบบขั้นบันไดจากพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย [นัฐพร และคณะ, 2560] ทำการออกแบบและสร้างห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ขนาดการทำความร้อนภายในห้องอบประมาณ 20 kW จากหลุมเจาะน้ำพุร้อนของกิจการน้ำพุร้อนสันกำแพง อำเภอแม่ออน ตามพระราชดำริ จังหวัดเชียงใหม่ โดยต้นแบบห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ สามารถเพิ่มอุณหภูมิลมร้อนภายในห้องอบแห้งได้ประมาณ 85 °C

    การออกแบบห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์มีการติดตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ ในห้องอบแห้งที่สร้างจากแผ่นฉนวนกันความร้อนชนิดโพลีสไตรีน มีผิวทั้งสองด้านเป็นแผ่นเหล็กอาบสังกะสีเคลือบขาว มีขนาดโดยประมาณ กว้าง 3.6 m ยาว 6 m และสูง 3 m    

    โดยการออกแบบขนาดพัดลมของห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ เพื่อทำการเลือกขนาดพัดลมที่เหมาะสมกับขนาดของห้องอบ ใช้โปรแกรมสำเร็จรูปการคำนวณทางพลศาสตร์ของไหล (Computational Fluid Dynamics: CFD) ในการวิเคราะห์ โดยผลการจำลอง พบว่า ขนาดพัดลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 in มีการกระจายลมร้อนอย่างทั่วถึงภายในห้องอบแห้ง และไม่มีจุดบอดลมเกิดขึ้น ทำให้การอบแห้งผลิตภัณฑ์ภายในห้องอบแห้งมีประสิทธิผล ดังแสดงในรูปที่ 6

 

 

    การสร้างห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ เริ่มจากการประกอบแผ่นฉนวนกันความร้อนชนิดโพลีสไตรีน เพื่อสร้างผนังห้องและเพดาน จากนั้นประกอบประตูบานสวิงคู่กับเสาเหล็กหน้าห้องอบแห้ง จากนั้นทำการสร้างโครงเหล็กรองรับน้ำหนักแผงแลกเปลี่ยนความร้อนและพัดลม และเจาะรูด้านหลังห้องอบแห้ง สำหรับการดูดและระบายอากาศชื้นเข้าและออกห้องอบแห้ง โดยมีแผงแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับใช้ในกระบวนการผลิตลมร้อน ทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากน้ำร้อนที่ออกจากระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน สู่อากาศภายในห้องอบแห้ง ซึ่งแสดงลักษณะแผงแลกเปลี่ยนความร้อน คือ เป็นขดท่อทองแดง 2 ชั้น ที่ติดตั้งคลีบระบายความร้อนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ซึ่งน้ำร้อนจะเข้าท่อเหล็กด้านล่างที่เชื่อมต่อกับขดท่อทองแดง และน้ำที่อุณหภูมิลดลงจะถูกส่งออกทางท่อเหล็กด้านบน โดยด้านล่างของแผงแลกเปลี่ยนความร้อนจะติดตั้งพัดลมกระจายลมร้อน และเมื่อทำการติดตั้งแลกเปลี่ยนความร้อนและพัดลมบนโครงเหล็กรองรับน้ำหนักร่วมกับห้องอบแห้ง และปิดแผ่นสังกะสีเพื่อสร้างผนังแจกลม เมื่อห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ทำการสร้างแล้วเสร็จ มีภาพโดยรวมดังแสดงในรูปที่ 7

 

รูปที่ 7 ภาพโดยรวมห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์เมื่อสร้างแล้วเสร็จ [นัฐพร และคณะ, 2560]

 

ชัชวาลย์ ชัยชนะ และนัฐพร ไชยญาติ. การนำน้ำพุร้อนมาประยุกต์ใช้กับห้องเย็นและห้องอบแห้ง, วารสารโลกพลังงาน, ฉบับที่ 31, หน้า 36-40, 2548.

นัฐพร ไชยญาติ. เทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy Technology), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 9 ตุลาคม พ.ศ. 2561, 416 หน้า.

นัฐพร ไชยญาติ และชัชวาลย์ ชัยชนะ. ห้องอบแห้งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Drying Room from Geothermal Energy), บทความวิจัยใน Proceedings สืบเนื่องจากการประชุมวิชาการการถ่ายเทพลังงานความร้อนและมวลในอุปกรณ์ด้านความร้อนครั้งที่ 8, เชียงราย, ประเทศไทย, 12-13 มีนาคม 2552.

นัฐพร ไชยญาติ, ชวโรจน์ ใจสิน, วรรษมล เลิศจตุรานนท์ และอัญชลี สายเขียว. โครงการ การผลิตไฟฟ้าร่วมกับการทำความเย็นและความร้อนแบบขั้นบันไดจากพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย, 2560.

Nattaporn Chaiyat, Chatchawan Chaychana and Fongsaward S Singharajwarapan. Geothermal Energy Potentials and Technologies in Thailand, Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications, Vol.4, Issue.2 (139), 2014.