การอบแห้งกับฮีทปั๊ม

การอบแห้งเป็นกระบวนการสำคัญทั้งในอุตสาหกรรมทางการเกษตรและอุตสาหกรรมอาหาร สามารถสรุปข้อดีของการอบแห้งได้ดังต่อไปนี้

- ถนอมอาหาร อาหารแห้งจะมีสภาพผิวที่ไม่เอื้อให้เชื้อราเจริญเติบโต

- ช่วยให้สามารถเก็บอาหารได้นานขึ้น

- ช่วยยืดอายุระหว่างการขนส่งและการกระจายสินค้า

- ควบคุมความชื้นในวัตถุดิบเพื่อกระบวนการผลิตในขั้นตอนต่อไป

- ใช้ในการปรับปรุงคุณภาพของสินค้าเช่นการอบไม้ การอบเม็ดพลาสติก

การอบแห้งเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก เป็นต้นทุนสำคัญของการผลิตสินค้า และทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจกที่มีผลต่อสภาพแวดล้อม ปัจจุบันการอบแห้งใช้เตาอบลมร้อน(Hot Air Dryer)ที่ใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติ การใช้ฮีทปั๊มเป็นแหล่งความร้อนจะลดทั้งต้นทุนการอบแห้ง ทั้งปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม เตาอบฮีทปั๊มเป็นเตาอบแห้งอุณหภูมิต่ำ แบ่งออกเป็น เตาแบบเปิดหรือเตาอบแห้งลมร้อนที่ใช้ฮีทปั๊มช่วยHPD(Heat Pump Assist Dryer) และเตาปิดควบคุมบรรยากาศ ซึ่งแต่ละแบบก็มีข้อดีข้อเสียต่างกัน

การทำงานของเตาอบลมร้อน

เตาอบลมร้อน(Hot air dryer) มีการทำงานตามรูปที่ 1.ใช้เชื้อเพลิงเผาอากาศทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นและความชื้นสัมพัทธ์ลดลง ปล่อยเข้าเตาอบ อากาศร้อนจะคายความร้อนให้เตาและวัตถุดิบทำให้อุณหภูมิอากาศลดลง และรับความชื้นจากวัสดุทำให้ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศเพิ่มขึ้น จากนั้นปล่อยอากาศที่รับความชื้นจากวัตถุดิบแล้วทิ้งไปทำให้สูญเสียความร้อน ประสิทธิภาพต่ำ

รูปที่ 1. การทำงานของเตาอบลมร้อน

เมื่อวัตถุดิบรับความร้อนจากอากาศร้อน น้ำในวัตถุดิบมีระดับพลังงานสูงขึ้นผลักตัวผ่านเนื้อวัตถุดิบออกมาที่ผิว เปลี่ยนสถานะเป็นไอปนไปกับอากาศ ถ้าอากาศอุณหภูมิสูงเกินไปไม่สมดุลกับอัตราการถ่ายเทน้ำมาที่ผิว น้ำจะกลายเป็นไอในเนื้อวัตถุดิบขยายตัวทำให้โครงสร้างวัตถุดิบเสียหาย ถ้าอากาศมีความชื้นสัมพัทธ์สูงจะรับไอน้ำได้น้อย จึงใช้อากาศภายนอกซึ่งความร้อนจะทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นและความชื้นสัมพัทธ์ต่ำลง สามารถใช้ให้ความร้อนและรับความชื้นได้ดี แต่การทิ้งอากาศที่รับความชื้นจากวัตถุดิบแล้วจะสูญเสียความร้อนส่วนที่เหลือไป

การออกแบบเตาอบแห้ง

ข้อมูลเริ่มต้นได้แก่ ความชื้นเริ่มต้น ความชื้นที่ต้องการ ปริมาณที่ต้องการอบ และระยะเวลาที่ใช้อบ ความชื้นเริ่มต้นของวัตถุดิบอาจได้จากผู้ใช้ หรือทำการทดสอบโดยให้ความร้อนวัตถุดิบจนมีอุณหภูมิ>100OC >7 ชม. น้ำหนักที่หายไปคือความชื้นในวัตถุดิบ สภาวะอากาศในเตาอบที่มีผลต่อการอบแห้ง ได้แก่อุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ ความเร็วลม และปริมาณความร้อนคำนวนจาก ความชื้นสมดุล(EMC, Equilibrium Moisture Content) และอัตราส่วนความชื้น (MR, Moisture Ratio)ซี่งหาได้จากเอกสารอ้างอิงของวัตถุดิบหรือด้วยการทดลองกับการอบ

ความชื้นสมดุลคือปริมาณความชื้นของวัตถุดิบที่สมดุลกับสิ่งแวดล้อมภายนอก วัตถุดิบจะไม่ดูดและคายความชื้นสู่อากาศ ภาวะสมดุลขึ้นอยู่กับธรรมชาติของวัตถุดิบ อุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ จากความชื้นสมดุลของวัตถุดิบจะทราบการเตรียมวัตถุดิบและการเก็บวัตถุดิบ วัตถุดิบถึงแม้จะคายความชื้นในสภาวะอากาศปกติได้ แต่ส่วนใหญ่จะใช้เวลานานมากจนเน่าเสียก่อนที่จะแห้งตามที่ต้องการได้ จึงมีความจำเป็นที่จะต้องมีเตาอบแห้ง

อัตราส่วนความชื้น คืออัตราส่วนของความชื้นที่ต้องดึงออกจากวัตถุดิบต่อความชื้นที่ดึงออกได้สูงสุดที่สภาวะอากาศที่กำหนด ตามสมการที่ 1.

MR = (M-EMC) / (Mo-EMC) (1.)

เมื่อ M คือความชื้นของวัตถุดิบที่อบตามระยะเวลาที่ต้องการ

Mo คือความชื้นของวัตถุดิบเมื่อเริ่มอบ

EMC คือความชื้นสมดุลของวัตถุดิบที่อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศร้อนที่ใช้อบแห้ง

การวิจัยการอบแห้งจะให้ความสัมพันธ์ของความชื้นสมดุล อุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ ความเร็วลม ระยะเวลาการอบ ดังนั้นจากเวลาการอบที่ต้องการ สามารถคำนวณค่าอัตราส่วนความชื้น จากสภาวะอากาศภายในเตา

คำนวณอัตราการไหลของอากาศจากความเร็วลม และการใช้พลังงานของเตาอบ ในกรณีที่วัตถุดิบที่จะใช้อบแห้งไม่มีข้อมูล ก็จะต้องทำการทดลองอบโดยตรงเพื่อหาข้อมูลที่จะนำมาใช้ในการออกแบบในภายหลัง

การทดลองวัดความชื้นสมดุล

รูปที่ 2. เป็นชุดเครื่องมือทดสอบค่าความชื้นสมดุลของวัตถุดิบ ประกอบด้วยภาชนะใส่วัตถุทดสอบตามรูปที่ 3. วางในอ่างน้ำอุณหภูมิคงที่ วัตถุดิบจะวางในถ้วยสำหรับชั่งน้ำหนักและใส่ไว้ในภาชนะปิดมิดชิดไม่ให้อากาศภายนอกเข้า ภายในภาชนะบรรจุสารละลายอิ่มตัวของเกลือที่ใช้ควบคุมความความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศในภาชนะตามตารางที่ 1. ภาชนะนี้จะแช่ในอ่างน้ำที่ควบคุมอุณหภูมิไว้ให้คงที่ อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศในภาชนะจึงถูกควบคุมให้คงที่ตามอุณหภูมิของอ่างน้ำและสารละลายเกลือที่ใส่ในภาชนะ วัตถุดิบจะอยู่ในเครื่องมือนี้ประมาณ 14 วัน ความชื้นทิ่ออกจากวัตถุดิบจะถูกสารละลายดูดซับไว้ วัตถุดิบหลังการทดลองจะถูกนำไปหาความชื้นที่เหลือซึ่งเป็นความชื้นสมดุลของวัตถุดิบที่อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศภายในภาชนะ

รูปที่ 2. ชุดเครื่องมือสำหรับทดสอบความชื้นสมดุลของวัตถุดิบ

รูปที่ 3. ภาชนะสำหรับใส่วัตถุดิบที่จะทำการทดสอบ

ตารางที่ 1. สารละลายเกลือที่ใช้ควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศในขวดทดลอง

ผลจากการทดลองจะถูกนำมาคำนวณหาสมการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความชื้นสมดุลของวัตถุดิบตามรูปแบบของสมการในตารางที่ 2. สมการที่เหมาะสมที่สุดให้ค่าความผิดพลาด residual sum of squares (RSS), standard error of estimate (SEE) และ coefficient of determination (R2) น้อย/มากที่สุด แต่ละวัตถุดิบก็จะมีสมการที่ไม่เหมือนกัน

ตารางที่ 2. รูปแบบของสมการที่ใช้คำนวณของความชื้นสมดุล M; aw, hr คือ water activity ซึ่งเท่ากับ RH(ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ); T อุณหภูมิอากาศ(C); TK อุณหภูมิอากาศ(K); a, b, c, n และ r เป็นค่าคงที่ (เอกสารอ้างอิง 1.)

อัตราส่วนความชื้น

อัตราส่วนความชื้นทดสอบด้วยเครื่องมือตามรูปที่ 4. พัดลมสามารถปรับความเร็วลมได้ อากาศภายนอกจะผ่านฮีทเตอร์ไฟฟ้าเพื่อปรับอุณหภูมิ และรักษาอุณหภูมิให้คงที่ อากาศที่ผ่านวัตถุดิบมีความชื้นสมบูรณ์มากขึ้นจึงสามารถนำมาผสมกับอากาศภายนอกเพื่อปรับความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ ทำให้สามารถควบคุมทั้งอุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ และความเร็วอากาศก่อนอบแห้ง แต่ละช่วงเวลาดึงวัตถุดิบออกมาตรวจสอบความชื้น

รูปที่ 4. เครื่องมือทดลองสำหรับการอบแห้งวัตถุดิบเรียงชั้นเดียว

ผลจากการทดลองจะถูกนำมาคำนวณหาสมการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอัตราส่วนความชื้นของวัตถุดิบแต่ละประเภทโดยรูปแบบของสมการตามตารางที่ 3. สมการที่เหมาะสมที่สุดคือใช้ค่าความผิดพลาด residual sum of squares (RSS), standard error of estimate (SEE) และ coefficient of determination (R2) น้อย/มากที่สุด แต่ละวัตถุดิบก็จะมีสมการที่ไม่เหมือนกัน จากสมการต่างๆจะเห็นความสัมพันธ์กับเวลาการอบ เนื่องจากการทดลองในแต่ละครั้งจะควบคุมให้อุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ และความเร็วลมคงที่ ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ และความเร็วลมจึงมาปรากฏในค่าคงที่ซึ่งเป็นวิจารณญาณของผู้ทำการวิจัย

ตารางที่ 3. รูปแบบของสมการที่ใช้สำหรับคำนวณเป็นสมการของอัตราส่วนความชื้น MR; t คือระยะเวลาที่ใช้อบ; a, b, c, k, n และ p เป็นค่าคงที่ (จากเอกสารอ้างอิง 1.)

ตัวอย่างที่ 1. ออกแบบเตาอบลมร้อนสำหรับอบลำไยสีทองจากเนื้อลำไยครั้งละ44 กก.ความชื้นเริ่มต้น450 %db ความชื้นmuj9hvการ14 %db ถาดขนาด40x60ซม.ทั้งหมด 12 ชั้น แต่ละถาดห่างกัน 6 ซม.

รูปที่ 5. ถาดวางเนื้อลำไย

จากเอกสารอ้างอิง 5. Meq = A . ( RHdi / (1-RHdi ) )^B (2.)

เมื่อ A = 2.3015 - 0.00615 . (T+273)

B = - 1.3453 + 0.00507 . (T+273)

จากเอกสารอ้างอิง 4. MR = exp (-k.t^n ) (3.)

เมื่อ k = -0.213788 + 0.010164 T – 0.001372 RH

n = 1.108816 – 0.000521 T – 0.000061 RH

ใช้สมการที่ 2. คำนวณค่าความชื้นสมดุลของสภาพอากาศภายนอกต่างๆจากข้อมูลกรมอุตุนิยมวิทยาและ ASHRAE STANDARD, Fundamental 2005 ตามตารางที่ 4. จะเห็นได้ว่าความชื้นสมดุลจะต่ำกว่าความชื้นเริ่มต้นของลำไย แม้เมื่ออากาศภายนอกมีความชื้นสูงสุดในเดือนพฤษภาคม ซึ่งลำไยจะเก็บผลได้ในเดือนกรกฎาคมถึงกันยายน การเตรียมลำไย ปอกเปลือก คว้านเมล็ด จึงไม่มีผลให้เกิดความชื้นเพิ่ม และเมื่ออบแห้งเหลือความชื้น 14 % แล้ว การเก็บรักษาไม่จำเป็นต้องมีภาชนะที่ป้องกันความชื้นเป็นพิเศษเนื่องจากผลผลิตจะไม่ดูดน้ำ ซึ่งความชื้นของผลผลิตจะไม่เกินความชื้นสมดุล ซึ่งถ้าเกิน 60 % จึงจะทำให้เกิดเชื้อรา

ตารางที่ 4. ความชื้นสมดุลของเนื้อลำไยคำนวณจากสมการที่ 2. ที่สภาพอากาศของกรุงเทพฯจากข้อมูลสภาพอากาศของกรมอุตุนิยมวิทยา และ ASHRAE STANDARD

จากเอกสารอ้างอิง 4. เพื่อไม่ให้ลำไยสีทองมีสีคล้ำอุณหภูมิสำหรับการอบแห้งจะต้องไม่เกิน 65 C และจากที่ลำไยจะเก็บผลได้ในช่วงเดือน ก.ค. – ก.ย. จึงใช้แผนภูมิไซโครเมตริกช่วยคำนวณความชื้นสัมพัทธ์จากการให้ความร้อนแก่อากาศจนได้อุณหภูมิ 55, 60 และ 65 C จากนั้นจึงใช้สมการที่ 2. และสมการที่ 3. คำนวณระยะเวลาการอบแห้ง ตามตารางที่ 5.ในการคำนวณต่อไปจะใช้เฉพาะ สภาพอากาศที่เมื่ออบแห้งแล้วใช้เวลามากที่สุดคือ 8.509 ชม. (ความชื้นสูงสุด) และที่ใช้เวลาน้อยที่สุด 6.747 ชม. (อุณหภูมิต่ำสุด) เท่านั้น

ตารางที่ 5. การทำงานของเตาอบลมร้อน คำนวณจากสภาพอากาศของกรุงเทพฯที่สภาพอากาศสุดๆ

จากสภาพอากาศที่ทำให้การอบแห้งใช้เวลามากที่สุด และน้อยที่สุด

อัตราการดึงน้ำน้อยที่สุด = 44 /(1+4.5).(1+0.14) / 8.509118 = 1.072 กก./ชม.

อัตราการดึงน้ำมากที่สุด = 44 /(1+4.5).(1+0.14) / 6.746766 = 1.352 กก./ชม.

จากเอกสารอ้างอิง 5. ใช้ความเร็วลมคงที่ในการทดลองให้มีอากาศผ่าน 28 kg. da / hr / kg dry longan จากเอกสารอ้างอิง 4. ใช้ความเร็วลม 0.2 ม./วินาที สมการที่ 2. และสมการที่ 3. จึงไม่มีความสัมพันธ์ของความเร็วมาเกี่ยวข้อง การออกแบบโดยใช้อัตราการไหลของอากาศที่มากกว่าของเอกสารอ้างอิงทั้ง 2

อัตราการไหลของอากาศจึงเท่ากับ (44 /(1+4.5)(1+0.14)) x 28 = 255.36 กก./ชม.

หรือตามขนาดหน้าตัดของเตาอบ 0.6 x 0.06 x12 x 0.2 = 0.0864 ลบ.ม./วินาที

ใช้ไซโครเมตริกแก้ปัญหาพบว่าอัตราการไหลของอากาศที่ความเร็ว 0.2 ม./วินาที มากกว่า จึงใช้อัตราการไหลของอากาศ 0.0864 ลบ.ม./วินาทีในการออกแบบ เมื่อใส่การทำงานของเตาอบลมร้อนลงในแผนภูมิไซโครเมตริกตามแผนภูมิที่ 1. และ แผนภูมิที่ 2. ความร้อนที่ต้องใช้สำหรับการอบอยู่ระหว่าง 2.44 – 3.97 kW, SMER ของเตาอบ 1.072/2.44 = 0.44 และ 1.352/3.965 = 0.34 kg/kW.hr ตามลำดับซึ่งทำให้การอบแห้งสิ้นเปลืองพลังงานมาก

สรุปการทำงานของเตาอบลมร้อนคือ เมื่อต้องการให้แห้งเร็วจะต้องใช้อุณหภูมิสูงและความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ ค่า SMER ที่อุณหภูมิสูงต่ำกว่าค่า SMER ที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อใช้ความร้อนเท่ากันจะดึงน้ำได้น้อยกว่า ใช้พลังงานมากกว่า จำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพื่อลดการใช้พลังงาน แหล่งความร้อนจะต้องมีขนาดใหญ่พอเพื่อให้สามารถควบคุมอุณหภูมิอากาศร้อนได้แม้ในสภาวะอากาศอุณหภูมิต่ำสุด

แผนภูมิที่ 1. ไซโครเมตริกเตาอบลมร้อนที่สภาวะอากาศชื้นสูงสุด 30.0oC92%RH อุณหภูมิอากาศร้อน55OC 24.8 %RH

แผนภูมิที่ 2. ไซโครเมตริกเตาอบลมร้อนที่สภาวะอากาศชื้นสูงสุด23.9oC, 96%RH อากาศร้อน65OC 11.4 % RH

การปรับปรุงประสิทธิภาพเตาอบลมร้อน

เนื่องจากอากาศที่ทิ้งจากเตาอบลมร้อนมีอุณหภูมิสูง การวนอากาศนี้บางส่วนกลับมาผสมกับอากาศใหม่จะทำให้ทิ้งความร้อนน้อยลง การดึงความชื้นจากวัตถุดิบออกจากเตาจึงทำด้วยการนำความชื้นจากภายนอกที่น้อยกว่าเข้ามาผสมเพื่อเจือจางและการทิ้งความชื้นไปกับอากาศ ทำให้อากาศที่เข้าเตาอบซึ่งเท่ากับอากาศที่ทิ้งน้อยลง รูปที่ 6.เป็นเตาอบที่ผสมอากาศร้อนกับอากาศร้อนที่วนกลับมาและ รูปที่ 7. เป็นเตาอบที่ผสมอากาศร้อนที่วนกลับกับอากาศภายนอกก่อนที่จะให้ความร้อน การผสมนี้ทำให้สามารถควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศร้อนที่ใช้อบแห้งได้ระดับหนึ่ง การออกแบบและข้อดีข้อเสียของการปรับปรุงเตาอบลมร้อนแต่ละแบบจะอธิบายไว้ในตัวอย่างที่ 2. และตัวอย่างที่ 3.

รูปที่ 6.การปรับปรุงเตาอบลมร้อนโดยให้อากาศหมุนวนผสมกับอากาศร้อน เพื่อลดความร้อนสูญเสีย

รูปที่ 7. การปรับปรุงเตาอบลมร้อนโดยจัดให้อากาศหมุนวนมาผสมอากาศเข้าก่อนให้ความร้อนเพื่อลดการทิ้งอากาศและให้มีความร้อนสูญเสียลดลง

ตัวอย่างที่ 2. ปรับปรุงเตาอบลมร้อนจากตัวอย่างที่ 1. ให้เป็นแบบผสมอากาศร้อนวนกลับกับอากาศร้อนตามรูปที่ 6.

จากเอกสารอ้างอิง 4. เพื่อไม่ให้ลำไยสีทองมีสีคล้ำอุณหภูมิสำหรับการอบแห้งจะต้องไม่เกิน 65 OC จึงใช้สมการที่ 2. และสมการที่ 3. คำนวณระยะเวลาการอบแห้งโดยใช้อุณหภูมิ 55-65 OC ความชื้นสัมพัทธ์ 15-25 % ได้ผลตามตารางที่ 6. เนื่องจากการผสมอากาศจะยกค่าความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศร้อนขึ้น การเลือกสภาวะอากาศร้อนที่จะใช้จึงต้องให้มีความชื้นสมบูรณ์สูงกว่าจากตัวอย่างที่ 1. โดยเฉพาะที่อากศชื้นที่สุด อุณหภูมิอากาศร้อนจึงไม่ควรต่ำกว่า 60OC และความชื้นสัมพัทธ์ควรมีค่าสูงเพื่อให้อากาศเข้าช่วยเจือจางความชื้นจากวัตถุดิบได้ ในที่นี้เลือก 25 % ซึ่งจะมีระยะเวลาอบแห้งจากตารางที่ 6. = 7.525 ชม. อัตราการดึงน้ำ=44 /(1+4.5).(1+0.14) /7.525 = 0.833 และเขียนลงในแผนภูมิที่ 3.

ตารางที่ 6. ระยะเวลาการอบแห้งคำนวณจากสมการที่ 4.ให้อุณหภูมิสำหรับการอบ55-65OC ความชื้นสัมพัทธ์ 15-25

แผนภูมิที่ 3. ไซโครเมตริกของเตาอบที่ปรับปรุงให้อากาศร้อนผสมกับอากาศร้อนวนกลับเมื่ออากาศภายนอกมีความชื้นสูงสุดอุณหภูมิอากาศร้อน 60OC 25 % RH

การคำนวณในแผนภูมิที่ 3. ใช้อัตราการไหลของอากาศร้อนเท่าเดิม ทำให้ทราบอัตรส่วนการผสมอากาศซึ่งนำไปใช้คำนวณความร้อนได้ 1.115 kW ค่า SMER = 0.833/1.115 = 0.747 kg/kW.hr และในทำนองเดียวกันสามารถคำนวณการทำงานของเตาอบเมื่ออุณหภูมิอากาศภายนอกเย็นที่สุดตามแผนภูมิที่ 4. ความร้อนที่ใช้ 0.95 kW ค่า SMER = 0.833/0.955 = 0.872 kg/kW.hr ซึ่งดีกว่าเตาอบลมร้อนเดิมมาก

แผนภูมิที่ 4.ไซโครเมตริกของเตาอบลมร้อนปรับปรุงที่สภาวะอากาศต่ำที่สุด23.9oC, 96%RHอากาศร้อน 60OC 25%RH

ตัวอย่างที่ 3. ปรับปรุงเตาอบลมร้อนจากตัวอย่างที่ 1. ให้เป็นแบบผสมอากาศร้อนวนกลับกับอากาศก่อนให้ความร้อน

ใช้อากาศร้อนสภาวะเดียวกับตัวอย่างที่ 2. อัตราการไหลของอากาศเท่าเดิม อัตราการดึงน้ำเท่าเดิม การทำงานจึงมีลักษณะตามแผนภูมิที่ 5. ซึ่งค่าความร้อนและ SMER เท่ากับตัวอย่างที่ 2.

แผนภูมิที่ 5.ไซโครเมตริกของเตาอบลมร้อนปรับปรุงผสมอากาศร้อนวนกลับกับอากาศภายนอกก่อนให้ความร้อน ที่สภาวะอากาศต่ำที่สุด 23.9oC, 96%RH อุณหภูมิอากาศร้อน 60OC 25 % RH

สรุปการปรับปรุงเตาอบลมร้อนทำให้สามารถควบคุมทั้งอุณหภูมิและความชื้นของอากาศร้อนที่ใช้อบแห้งได้ ระยะเวลาการอบจึงควบคุมได้ ค่า SMER สำหรับการอบแห้งลำไยสีทองเท่ากับ 0.747 - 0.872 kg/kW.hr หรือมากกว่าตามอุณหภูมิอากาศภายนอกและสภาวะอากาศร้อนที่เลือกใช้ และได้ค่า SMER สูงกว่าเตาอบลมร้อนธรรมดามาก

เตาอบฮีทปั๊มแบบเปิดหรือ HPD

หลักการทำงานของเตาอบ HPD (Heat Pump Assisted Dryer) เหมือนกับเตาอบสมร้อนที่ปรับปรุงให้ผสมอากาศร้อนวนกลับกับอากาศภายนอกก่อนให้ความร้อนตามตัวอย่างที่ 3. แต่ใช้ฮีทปั๊มให้ความร้อนตามรูปที่ 8.. มีอุณหภูมิอากาศน้อยกว่าอุณหภูมิคอนเดนเซอร์สูงสุดเพียง 70OC

รูปที่ 8. เตาอบ HPD โดยจัดให้อากาศร้อนหมุนวนมาผสมอากาศเข้าก่อนให้ความร้อนเพื่อลดการทิ้งอากาศและให้มีความร้อนสูญเสียลดลง

ความร้อนของฮีทปั๊มดึงมาจากอากาศภายนอกด้วยคอยล์เย็น (Evaporator) และส่งให้อากาศร้อนด้วยคอยล์ร้อน (Condenser) ความร้อนที่คอยล์ร้อนประกอบด้วยความร้อนจากคอยล์ร้อนและความร้อนจากพลังงานที่ใช้ที่คอมเพรสเซอร์ของฮีทปั๊ม พลังงานที่คอมเพรสเซอร์ใช้เพียง 1/3 ของความร้อนที่ได้ ดังนั้น SMER ของเตาอบ HPD = 2.24 – 2.62 kg/kW.hr (SMER ของเตาอบลมร้อนที่ปรับปรุงแล้วคูณด้วย 3)

เตาอบฮีทปั๊มแบบปิด

เนื่องจากฮีทปั๊มดึงความร้อนที่คอยล์เย็นมาใช้ร่วมกับพลังงานคอมเพรสเซอร์ไปที่คอยล์ร้อน ขณะที่คอยล์เย็นดึงความร้อนก็สามารถดึงความชื้นจากเดาอบทิ้งด้วย โดยไม่ต้องมีการระบายอากาศตามรูปที่ 9. จึงสามารถควบคุมสภาวะภายในเตาอบได้โดยไม่มีผลกระทบจากสภาพอากาศนอกตู้ และสามารถใช้ก๊าซเฉื่อยหลายชนิดทดแทนอากาศได้ทำให้ผลผลิตมีคุณภาพดี ทั้งสี วิตามิน และรสชาติ

เนื่องจากความร้อนส่วนใหญ่จะวนเวียนอยู่ในตู้ แต่มีพลังงานคอมเพรสเซอร์เพิ่มขึ้นตลอดเวลา เพื่อรักษาอุณหภูมิจึงต้องมี Auxialiary condenser เพื่อระบายความร้อนส่วนเกินออกและช่วยให้มี Sub-cooled ที่คอยล์ร้อนทำให้ฮีทปั๊มทำงานเสถียร

รูปที่ 9. เตาอบฮีทปั๊มแบบปิด

ตัวอย่างที่ 4. ออกแบบเตาอบฮีทปั๊มแบบปิดจากตัวอย่างที่ 1.

ใช้สภาวะอากาศในเตาเท่ากับตัวอย่างที่ 3. สามารถเขียนการทำงานได้ตามแผนภูมิที่ 6. ประสิทธิภาพของฮีทปั๊มขึ้นอยู่กับอุณหภูมิคอบล์ร้อนสูงกว่าอุณหภูมิอากาศประมาณ 15OC อุณหภูมิคอยล์จึงมีค่าประมาณ 75OC อุณหภูมิคอยล์เย็นสูงสุดประมาณ 14OC ซึ่งคอมเพรสเซอร์จะใช้ไฟฟ้า 1/3 ของความร้อนที่ให้ได้ ดังนั้น SMER = 0.822/0.982 = 2.51 ซึ่งไม่ต่างไปจากเตาอบฮีทปั๊มแบบเปิด แต่ข้อดีคือมีความแน่นอนไม่มีผลกระทบจากสภาวะอากาศภายนอก

แผนภูมิที่ 6. การทำงานของเตาอบ HPD แบบปิด

บทส่งท้าย

เตาอบฮีทปั๊มช่วยให้การอบแห้งมีประสิทธิภาพสูง มีค่าSMERมากกว่าเตาอบลมร้อนมาก การควบคุมทำได้ง่าย และระยะเวลาการอบแห้งใกล้เคียงกับเตาอบลมร้อนที่อุณหภูมิลมร้อนเท่ากัน ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูง ตัวอย่างการออกแบบที่แสดงในบทความนี้ใช้อธิยายหลักการทำงาน การออกแบบ และแนวทางที่อาจจะใช้ปรับปรุงเตาอบฮีทปั๊มต่อไป

สำหรับการอบลำไย สภาวะอากาศที่ใช้ควรเป็นที่จังหวัดในภาคเหนือที่มีผลผลิตลำไย แต่ในตัวอย่างในบทความนี้ใช้สภาวะอากาศของกรุงเทพเพื่อความสะดวก ซึ่งถ้าวัตถุดิบเป็นอย่างอื่น หรือสถานที่อบแห้งต่างออกไป การอบแห้งก็จะมีผลต่างกันออกไป จะต้องหาข้อมูลและตัวประกอบที่เหมาะสม ซึ่งถ้าไม่สามารถหาข้อมูลได้ก็จะต้องใช้เวลาทำการทดสอบเพื่อให้ได้ผลงานที่ดีที่สุด

เตาอบฮีทปั๊มช่วยลดต้นทุนการผลิตและสภาพแวดล้อม แต่การที่จะแนะนำผลิตภัณฑ์ใหม่ต้องใช้ความพยายามอย่างมาก แม้จะมีข้อดีอย่างไรก็ตามต้องมีการผลักดันด้วยนโยบายของรัฐ สมาคมหรือหน่วยงานที่เกี่ยวข้องเท่านั้น

เอกสารอ้างอิง

1. Alp Akın, Necdet Ozbalta, Ali Gungor; EQUILIBRIUM MOISTURE CONTENT AND EQUATIONS FOR FITTING SORPTION ISOTHERMS OF CAPSICUM ANNUUM; GIDA (2009) 34 (4): 205-211; www.gidadernegi.org/TR/Genel/dg.ashx?DIL=1

2. R. DAGHIGH1, M.H. RUSLAN, M.A. ALGHOUL, AZAMI ZAHARIM AND K. SOPIAN; Design of Monogram to Predict Performance of Heat Pump Dryer; Proceedings of the 3rd WSEAS Int. Conf. on RENEWABLE ENERGY SOURCES

3. TIAN MIN; FOOD QUALITY IN MODIFIED ATOMOSPHERE HEAT PUMP DRYING; A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF MASTER OF ENGINEERING, DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING, NATIONAL UNIVERSITY OF SINGAPORE 2005

4. Niroot Lambert; DRYING OF LONGAN: ITS DRYING KINETICS AND PERFORMANCE OF LONGAN DRYERS; A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement of the DOCTOR OF PHILOSOPHY, Department of Physics, Graduate School, SILPAKORN UNIVERSITY 2010

5. Aree Achariyaviriya, Somchart Soponronnarit and Jirawan Tiansuwan; Mathematical Simulation of Longan Fruit Drying; Kasetsart J. (Nat. Sci.) 34 : 300 - 307 (2000)