ห้องอบแห้งระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ
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