เนื้อหา

ห้องอบแห้งระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ (DRYING ROOM BY VAPOR COMPRESSION HEAT PUMP SYSTEM)

                ห้องอบแห้งระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ คือ เทคโนโลยีการเพิ่มอุณหภูมิอากาศภายในห้องอบแห้งให้อยู่ระหว่าง 50-80 °C เพื่อใช้ในการอบแห้ง มาจากการใช้น้ำพุร้อนอุณหภูมิ 30-50 °C เป็นแหล่งพลังงานให้แก่ระบบปั๊มความร้อน ซึ่งจะทำให้พลังงานไหลจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ (น้ำพุร้อน) ไปยังแหล่งอุณหภูมิสูง (อากาศร้อน) ได้ โดยใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอกเข้ามาเป็นตัวขับ ดังรูปที่ 1

 

 

                1. หลักการปั๊มความร้อนแบบอัดไอ

            กระบวนการต่าง ๆ ของวัฏจักรปั๊มความร้อนแบบอัดไอทางอุดมคติ ประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก 4 อุปกรณ์ คือ เครื่องอัดไอ (Compressor) เครื่องควบแน่น (Condenser) เครื่องระเหย (Evaporator) และวาล์วลดความดัน (Expansion valve) ดังแสดงในรูปที่ 2

 

รูปที่ 2 ระบบทำความเย็นและระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ [Nattaporn and Tanongkiat, 2009]

 

                จากรูปที่ 2 วัฏจักรปั๊มความร้อนแบบอัดไอทางอุดมคติ ประกอบด้วยกระบวนการต่าง ๆ ดังนี้

              กระบวนการ 1-2 คือ กระบวนการที่ไอสารทำงานถูกอัดแบบไอเซนทรอปิก (Isentropic process) ด้วยเครื่องอัดไอให้ไอสารทำงานมีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้น

                กระบวนการ 2-3 คือ กระบวนการที่ไอสารทำงานกลั่นตัวกลายเป็นของเหลวและคายความร้อนออกมาที่เครื่องควบแน่น เป็นกระบวนการที่มีความดันคงที่

               กระบวนการ 3-4 คือ กระบวนการที่สารทำงานมีสถานะเป็นของเหลวลดความดันด้วยวาล์วลดความดัน เป็นกระบวนการขยายตัวที่มีเอนทัลปีคงที่ (Throttling process)

        กระบวนการ 4-1 คือ กระบวนการที่สารทำงานสถานะของเหลวเดือดกลายเป็นไอ เนื่องจากรับความร้อนเข้าไปที่เครื่องระเหย เป็นกระบวนการความดันคงที่

         ในวัฏจักรปั๊มความร้อนแบบอัดไอทางอุดมคติ สามารถอธิบายการทำงานของวัฏจักรด้วยการทำงานของสารทำงานในวัฏจักร ซึ่งนิยมใช้แผนภาพในการบรรยายคุณสมบัติ โดยทางทฤษฎีเทอร์โมไดนามิกส์มักใช้แผนภาพอุณหภูมิและเอนทัลปี (T-s diagram) ดังแสดงในรูปที่ 3 ทั้งนี้เอนทัลปีเป็นคุณสมบัติที่สำคัญและถูกใช้งานมากในระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ ซึ่งรวมถึงแผนภาพความดันและเอนทัลปี (P-h diagram) อีกด้วย ดังแสดงในรูปที่ 4

 

รูปที่ 3 แผนภาพอุณหภูมิและเอนโทรปีของวัฏจักรปั๊มความร้อนแบบอัดไอทางอุดมคติ พลังงาน [นัฐพร, 2561]

 

รูปที่ 4 แผนภาพความดันและเอนทัลปีของวัฏจักรปั๊มความร้อนแบบอัดไอทางอุดมคติ พลังงาน [นัฐพร, 2561]

 

             วัฏจักรจริงของปั๊มความร้อนแบบอัดไอ เมื่อเปรียบเทียบกับวัฏจักรปั๊มความร้อนทางอุดมคติจะมีบางอย่างที่แตกต่างไป ดังแสดงในรูปที่ 5

 

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบพฤติกรรมของวัฏจักรจริงกับวัฏจักรทางอุดมคติของปั๊มความร้อนแบบอัดไอ พลังงาน [นัฐพร, 2561]

 

                     จากรูปที่ 5 จะเห็นข้อแตกต่างที่สำคัญของลักษณะการทำงานในวัฏจักรจริงกับวัฏจักรอุดมคติ 2 ประการดังนี้ คือ

             ผลที่เกิดขึ้นโดยไม่อาจหลีกเลี่ยง คือ ความดันที่ตกลงในเครื่องควบแน่นและเครื่องระเหยที่เกิดขึ้นในวัฏจักรจริง ซึ่งเป็นผลอันเนื่องมาจากแรงเสียดทานระหว่างสารทำงานกับผนังท่อ และในวัฏจักรจริงการอัดตัวในเครื่องอัดไอไม่ได้เป็นแบบไอเซนทรอปิก ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องอัดไอจริงด้อยกว่าเครื่องอัดไอทางอุดมคติ สาเหตุเนื่องจากในตัวเครื่องอัดไอมีแรงเสียดทานและการสูญเสียอื่น ๆ

          ผลที่เกิดขึ้นโดยเจตนา ได้แก่ การทำให้เกิดสภาวะ Superheating และ Subcooling แก่สารทำงานที่ออกจากเครื่องระเหยและเครื่องควบแน่นตามลำดับ สาเหตุเนื่องจากเพื่อให้แน่ใจว่าสารทำงานที่ออกจากเครื่องระเหยมีสถานะเป็นไอทั้งหมด เพราะถ้าของเหลวเข้าสู่เครื่องอัดไอจะทำให้เครื่องอัดไอชำรุด และเพื่อให้แน่ใจว่าสารทำงานที่เข้าวาล์วลดความดันมีสถานะเป็นของเหลวทั้งหมด

                    2. สมการทางคณิตศาสตร์

          การวิเคราะห์วัฏจักรปั๊มความร้อนแบบอัดไออาศัยสมมติฐานต่าง ๆ ดังนี้ คือ วิเคราะห์ระบบตามกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ สภาวะต่าง ๆ ของระบบคงที่และไม่พิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ แสดงความสัมพันธ์ ดังแสดงในสมการที่ 6

 

รูปที่ 6 ความสัมพันธ์สมการทางคณิตศาสตร์ของระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ พลังงาน [นัฐพร, 2561]

 

            3. การประยุกต์เทคโนโลยีสู่ชุมชน

          รูปที่ 7 แสดงระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอชั้นเดียว [นัฐพร และชัชวาลย์, 2552] ที่ใช้สารทำงานในระบบ คือ R-123 โดยระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอรับพลังงานความร้อนจากน้ำพุร้อนอุณหภูมิประมาณ 50 °C ณ แหล่งน้ำพุร้อนห้วยหมากเหลี่ยม อ.เมือง จ.เชียงราย มาผลิตน้ำร้อนอุณหภูมิประมาณ 85 °C และจ่ายให้แก่ห้องอบแห้งระบบอบแห้งแบบรวมศูนย์ขนาด 3.3 m x 4.8 m x 3.2 m ขนาดความจุประมาณ 3 Ton ดังแสดงในรูปที่ 8 โดยผลการทดสอบพบว่า ระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอสามารถจ่ายลมร้อนให้แก่ห้องอบได้อุณหภูมิประมาณ 80 °C มีค่าอัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงานของห้องอบแห้งประมาณ 2.68 kWth/kWe และมีความคุ้มค่าด้านเศรษฐศาสตร์สามารถคืนทุนภายใน 16 month

 

รูปที่ 7 ปั๊มความร้อนแบบอัดไอชั้นเดียว [นัฐพร และชัชวาลย์, 2552]

 

รูปที่ 8 ห้องอบแห้งระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอชั้นเดียว [นัฐพร และชัชวาลย์, 2552]

 

            รูปที่ 9 และรูปที่ 10 แสดงห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ระบบระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอสองชั้น [ฟองสวาท และคณะ, 2552] ณ แหล่งน้ำพุร้อนโป่งลำปาง อ.ศรีสัชนาลัย จ.สุโขทัย โดยใช้น้ำพุร้อนอุณหภูมิประมาณ 45 °C มาเพิ่มคุณภาพน้ำร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 90 °C และจ่ายลมร้อนอุณหภูมิประมาณ 85 °C ให้แก่ห้องอบขนาด 2.4 m x 4.8 m x 2.3 m ความจุ 2 Ton จากผลการทดสอบพบว่า ค่าอัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงานของห้องอบมีค่าประมาณ 2.93 kWth/kWe โดยห้องอบดังกล่าวมีระยะเวลาคืนทุนประมาณ 78 month

 

รูปที่ 9 ปั๊มความร้อนแบบอัดไอสองชั้น [ฟองสวาท และคณะ, 2552]

 

รูปที่ 10 ห้องอบแห้งระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอสองชั้น [ฟองสวาท และคณะ, 2552]

             

เอกสารอ้างอิง

นัฐพร ไชยญาติ. เทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy Technology), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแม่โจ้, 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.

ฟองสวาท สุวคนธ์ สิงหราชวราพันธ์, สราวุธ จันทรประเสริฐ, วีระพันธ์ ศรีจันทร์, ศตวรรษ แสนทน, สัมพันธ์ สิงหราชวราพันธ์, วงษ์เทพ ตั้งศิริกุล, ชัชวาล ชัยชนะ, พิเชษฐ์ แก้วสมวาง, บุญญสิทธิ์ คิ้วดวงตา, อมรินทร์ บุญตัน, นัฐพร ไชยญาติ, ปิยนุช โพธิเกิด, ศุภรัตน์ ศรีล และดรุณี คุณยศยิ่ง. รายงานฉบับสมบูรณ์ โครงการศึกษาเพื่อการอนุรักษ์และพัฒนาแหล่งน้ำพุร้อนเพื่อการใช้ประโยชน์อเนกประสงค์สำนักอนุรักษ์และฟื้นฟูทรัพยากรน้ำบาดาล, มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ เสนอต่อ สำนักอนุรักษ์และฟื้นฟูทรัพยากรน้ำบาดาล กรมทรัพยากรน้ำบาดาล, 2552.