หอผึ่งน้ำกับเครื่องทำน้ำเย็น

ระบบระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นในปัจจุบันยังไม่มีการควบคุมการทำงานของหอผึ่งน้ำเนื่องจากความเข้าใจคลาดเคลื่อนว่าถ้าระบายความร้อนได้ดีแล้วจะทำให้ระบบทำน้ำเย็นประหยัดพลังงาน แต่ความจริงแล้วจะทำให้เครื่องทำน้ำเย็นเกิดปัญหาการทำงานเมื่อภาระความร้อนต่ำ และไม่ประหยัดพลังงานเท่าที่ควร

หอผึ่งน้ำเป็นอุปกรณ์ที่ระบายความร้อนจากเครื่องทำน้ำเย็นน้ำให้อากาศในรูปความร้อนแฝง เนื่องจากอุณหภูมิและความชื้นของอากาศเปลี่ยนแปลงตามเวลาและฤดูกาล การเลือกขนาดหอผึ่งน้ำจึงเลือกให้สามารถระบายความร้อนสูงสุดในสภาวะอากาศที่ระบายความร้อนได้ยากที่สุด เมื่อภาระความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นน้อยลงจึงสามารถประหยัดพลังงานได้ ด้วยการควบคุมการทำงานของหอผึ่งน้ำ

ประเภทของหอผึ่งน้ำ

หอผึ่งน้ำแบ่งออกตามการไหลของน้ำและอากาศ ตำแหน่งของพัดลม และวัสดุ รูปที่ 1.และรูปที่ 2.เป็นหอผึ่งน้ำที่นิยมใช้ในงานปรับอากาศ หอผึ่งน้ำทรงเหลี่ยมสามารถต่อกันหลายชุด(Multi-cell)ทำให้ประหยัดพื้นที่

รูปที่ 1.หอผึ่งน้ำทรงกลม Induced draft, Counter flow ตัวถังไฟเบอร์กลาส Fillerพีวีซี พัดลมอลูมิเนียมตั้งมุมใบพัดได้

รูปที่ 2.หอผึ่งน้ำทรงเหลี่ยมMulti-cell แบบInduced draft, Crossflowตัวถังไฟเบอร์กลาส Fillerพีวีซี พัดลมอลูมิเนียมตั้งมุมใบพัดได้

สำหรับงานห้องเย็นขนาดใหญ่จะใช้หอผึ่งน้ำแบบ Forced draft evaporative cooling tower อัดอากาศเข้าหอผึ่งน้ำ และปล่อยน้ำมาสัมผัสท่อสารทำความเย็นโดยตรง น้ำส่วนหนึ่งระเหยพาความร้อนจากท่อ และส่วนที่เหลือพาความร้อนมาระบายด้วยการการระเหบให้อากาศตามปกติ หอผึ่งน้ำขนาดใหญ่สำหรับโรงไฟฟ้าจะสร้างด้วยคอนกรีต โปรยน้ำโดยไม่ใช้ Filler เพื่อลดต้นทุน

หลักการทำงานของหอผึ่งน้ำ

การทำงานของหอผึ่งน้ำใช้การระเหยของน้ำให้อากาศทำให้อัตราการไหลของน้ำลดลงและมวลของอากาศชื้นสูงขึ้น การลดความร้อนของน้ำเท่ากับความร้อนในอากาศที่เพิ่มขึ้นตามสมการด่อไปซึ่งใช้สำหรับการสร้างแผนภูมิสำหรับการเลือกและคำนวณการทำงานของหอผึ่งน้ำ

L/G = C (h1 – h 2) / (T1 - T2)………………………………………………………………………………………… (1.)

เมื่อ L/G = อัตราส่วนโดยมวลของ น้ำ/อากาศ(น้ำหนักน้ำที่ระเหยน้อยเมื่อเที่ยบกับอัตราการไหล)

C = ตัวประกอบเพื่อปรับหน่วย

h1 = เอ็นทาลปีของอากาศและความชื้นก่อนสัมผัสน้ำ

h2 = เอ็นทาลปีของอากาศและความชื้นหลังสัมผัสน้ำ

T1 = อุณหภูมิน้ำเข้า

T2 = อุณหภูมิน้ำออก

จากสมการจะเห็นได้ว่าเอ็นทาลปีเป็นค่าที่สำคัญในการคำนวณด้านอากาศซึ่งจากไซโครเมตริกเอ็นทาลปีใกล้เคียงกับอุณหภูมิกระเปาะเปียกมาก จึงใช้ค่ากระเปาะเปียกในการสร้างแผนภูมิแทน รูปที่ 3.อากาศได้รับความชื้นเพิ่มขึ้นเป็นเส้นโค้งไปสัมผัสเส้นความชื้นสัมพัทธ์100% ซึ่งสามารถระบุสภาวะอากาศที่ออกจากหอผึ่งน้ำได้ประกอบกับมีประสิทธิภาพและตัวประกอบอี่นๆที่เกี่ยวข้อง การประเมินการทำงานจึงใช้เส้นตรงแทน แต่ใช้แผนภูมิของผู้ผลิตจะดีที่สุด

รูปที่ 3.การทำงานของหอผึ่งน้ำบนไซโตรเมตริก

แผนภูมิการทำงานของหอผึ่งน้ำได้นำค่าจากสมการข้างต้นมาใช้ได้แก่ Range(อุณหภูมิแตกต่างของน้ำเข้าและออก อุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศเข้าหอผึ่งน้ำ อุณหภูมิน้ำเข้าหอผึ่งน้ำ อัตราการไหลของน้ำ อัตราการไหลของอากาศแทนด้วยรุ่นของหอผึ่งน้ำ(แต่ละรุ่นมีอัตราการไหลของอากาศคงที่) ตามรูปที่ 4.

รูปที่ 4. แผนภูมิการทำงานของหอผึ่งน้ำทรงเหลี่ยม Induced draft, Cross-flow รุ่น TCC ของ Thai cooling

ตัวอย่าง เลือกหอผึ่งน้ำสำหรับเครื่องทำน้ำเย็นซึ่งต้องลดอุณหภูมิน้ำระบายความร้อน 3000 lpm. อุณหภูมิน้ำเข้า/ออก 37.8/32.2 C อุณหภูมิอากาศ 35 Cdb, 26.5 Cwb

จากรูปที่ 2.ลากเส้นแนวดิ่งจากอุณหภูมิน้ำเข้า 37.8 C ไปที่เส้นอุณหภูมิกระเปาะเปียก 26.5 Cwb จากนั้นลากเส้นในแนวราบมาที่ Range = 37.8-32.2 = 5.6 C จากนั้นลากเส้นแนวดิ่งไปตัดกับเส้นแนวราบที่ลากจากอัตราการไหลของน้ำ 30000 lpm จากรูปเลือกขนาดหอผึ่งน้ำรุ่น TCC 225

จากรูปที่ 4.ถ้าอุณหภูมิกระเปาะเปียกลดลง ที่หอผึ่งน้ำและอัตราการไหลของน้ำเท่าเดิม อุณหภูมิน้ำจะลดลงมากขึ้นทำให้น้ำระบายความร้อนจากหอผึ่งน้ำมีอุณหภูมิลดลง

สภาวะอากาศสำหรับเลือกหอผึ่งน้ำ

หอผึ่งน้ำจะต้องสามารถระบายความร้อนสูงสุดจากเครื่องทำน้ำเย็นแม้ในสภาวะอากาศที่เลวร้ายที่สุดสำหรับการระบายความร้อนนั่นคือเมื่ออากาศภายนอกมีเอ็นทาลปีสูงสุดหรือมีอุณหภูมิกระเปาะเปียกสูงสุดนั่นเอง ตารางที่ 1.แสดงข้อมูลสภาวะอากาศจาก ASHRAE Fundamental 2005 ใช้ข้อมูลจากสถานีตรวจอากาศมาเรียงค่าเอ็นทาลปีและจำนวนของข้อมูลแต่ละค่า ค่าในตารางช่อง 0.4%หมายถึงค่าเอ็นทาลปีมีจำนวนข้อมูลที่มากกว่านี้เพียง 0.4%จากข้อมูลทั้งหมด ซึ่งเป็นค่าที่ปลอดภัยสำหรับใช้เลือกขนาดหอผึ่งน้ำเมื่อต้องการระบายความร้อนสูงสุด จากค่าเอ็นทาลปีและอุณหภูมิอากาศในเวลาที่มีอุณหภูมิกระเปาะเปียกสูงสุด(MCDB)สามารถคำนวณอุณหภูมิกระเปาะเปียกโดยปรับความดันอากาศเนื่องจากความสูงแล้ว ส่วนค่าที่ 1% และ 2% เป็นค่าที่สามารถเลือกใช้ได้ตามความเหมาะสมเมื่อระบบมีการสำรอง มีความวิกฤติน้อยและเพื่อลดต้นทุน

ตารางที่ 1.สภาวะอากาศสำหรับการเลือกการทำงานของหอผึ่งน้ำ

อุณหภูมิกระเปาะเปียกสำหรับการเลือกหอผึ่งน้ำของแต่ละจังหวัดไม่เท่ากัน การใช้อุณหภูมิกระเปาะเปียก 28 C ตามตัวอย่างที่ผู้ผลิตยี่ห้อหนึ่งใช้เลือกในตัวอย่างจึงทำให้หอผึ่งน้ำที่เลือกมีขนาดใหญ่เกินไป ซึ่งจะทำให้ต้นทุนและค่าใช้จ่ายสำหรับการทำงานสสูงกว่าที่ควร และมีหลายจังหวัดที่มีอุณหภูมิกระเปาะเปียกมากกว่า 28 C จึงมีโอกาสที่จะได้หอผึ่งน้ำเล็กไป มีผลกระทบการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็น

การทำงานของเครื่องทำน้ำเย็น

เครื่องทำน้ำเย็นเป็นเครื่องทำความเย็นที่มีคอยล์เย็นสำหรับทำน้ำเย็นและคอยล์ร้อนสำหรับระบายความร้อนที่เกิดขึ้นจากการทำงานให้กับน้ำระบายความร้อนละส่งไปที่หอผึ่งน้ำเพื่อระบายทิ้งในบรรยากาศ ประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นขึ้นกับอุณหภูมิคอยล์ร้อน อุณหภูมิคอยล์เย็น และประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์

· อุณหภูมิคอยล์เย็นกูกกำหนดด้วยอุณหภูมิน้ำเย็นที่ระบบน้ำเย็นต้องการและอุณหภูมิแตกต่างของน้ำที่กำหนด

· อุณหภูมิคอยล์ร้อนกูกกำหนดด้วยอุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศ ขนาดหอผึ่งน้ำ ที่ระบบน้ำเย็นต้องการและอุณหภูมิแตกต่างของน้ำที่กำหนด

· ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ ซึ่งมีหลายประเภท เลือกใช้ตามขนาดของเครื่องทำน้ำเย็น

พระราชบัญญัติควบคุมอาคารกำหนดประสิทธิภาพต่ำสุดของเครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำตามขนาดของเครื่องซึ่งสามารถคำนวณค่าความร้อนที่ต้องระบายจากเครื่องได้และอัตราการไหลของน้ำระบายความร้อนเพื่อให้อุณหภูมิน้ำเพิ่มขึ้น 5.56 C (10 F) ตามตารางที่ 2.

ตารางที่ 2.ประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำตามพระราชบัญญัติควบคุมอาคาร

เมื่อกำหนดขนาดเครื่องทำน้ำเย็น จะตัองกำหนดประสิทธิภาพของเครื่องให้มากกว่าทีกำหนดตามกฎหมาย และกำหนดการทำงานของหอผึ่งน้ำให้สามารถระบายความร้อนที่เกิดจากการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นเมื่อภาระความร้อนสูงสุด ในสภาวะอากาศที่กำหนด รูปที่ 5.แสดงการทำงานของเครื่องทำความเย็น อุณหภูมิsub-cool ช่วยให้เครื่องให้ความเย็นมากขึ้นเมื่อกำหนดอุณหภูมิคอยล์เย็น คอยล์ร้อนและประเภทของคอมเพรสเซอร์แล้ว จึงใช้อุณหภูมิsub-cool ออกแบบการทำงานของเครื่องให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

รูปที่ 5.วงจรการทำงานของเครื่องทำความเย็น

ขณะเครื่องทำน้ำเย็นทำงาน ระบบควบคุมของเครื่องจะปรับการทำงานเพื่อควบคุมอุณหภูมิน้ำเย็นที่ส่งออกให้คงที่ในขณะที่ภาระความร้อนของระบบปรับอากาศเปลี่ยนแปลงตามสภาพการใช้งาน อุณหภูมิsub-coolจะมากขึ้นในช่วงที่น้ำระบายความร้อนมีอุณหภูมิลดลงเนื่องจากการทำงานของหอผึ่งน้ำ

การปรับลดการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นจะใช้วาวล์ปรับความดันคอยล์ร้อนและคอยล์เย็นให้แตกต่างกันมากขึ้นทำให้คอมเพรสเซอร์ส่งสารทำความเย็นลดลง เมิ่ออุณหภูมิดอยล์ร้อนสูงขึ้นหอผึ่งน้ำก็มีโอกาสที่จะมีอุณหภูมิมากขึ้นเช่นเดียวกันเป็นผลให้ความเย็นมากขึ้นซึ่งตรงข้ามกับความต้องการ ทำให้การทำงานของเครื่องเครื่องทำน้ำเย็นเกิดปัญหาไม่สามารถทำงานได้ขณะที่มีภาระความร้อนต่ำตามที่กำหนดไว้ จึงควรควบคุมการทำงานของหอผึ่งน้ำให้เหมาะสมกับความร้อนที่ต้องการระบายออกจากเครื่อง คอมเพรสเซอร์แบบปรับความเร็วรอบแม้จะมีผลกระทบจากการทำงานของหอผึ่งน้ำน้อยกว่าแต่ก็มีความจำเป็นที่ต้องควบคุมการทำงานของหอผึ่งน้ำเช่นเดียวกัน

การควบคุมการทำงานของหอผึ่งน้ำ

การคำนวณอัตราการระบายความร้อนของคอยล์ร้อนหรือคอนเดนเซอร์ใช้สมการที่ 2.

Q = U A (TDi – TDo) / ln(TDi / TDo) = Mc Cpc (Tco – Tci) = Mh h fg + Mh Cph SC..…………………………. (2.)

เมื่อ U A คือ

TD = Th – Tc : i คืออุณหภูมิทางเข้า และ o คืออุณหภูมิทางออก

(TDi – TDo) / ln(TDi / TDo) คือ logarithmic mean overall temperature difference (LMTD)

Mc = อัตราการไหลของน้ำระบายความร้อน

Cpc = ความจุความร้อนของน้ำระบายความร้อน

Mh = อัตราการไหลของสารทำความเย็น

h fg = ความร้อนในการเปลี่ยนสถานะ

Cpc = ความจุความร้อนของสารทำความเย็น

SC = อุณหภูมิsub-cool

จากสมการที่ 2.ความร้อนจะลดลงตามอัตราการไหลของน้ำระบายความร้อน(Mc)เมื่ออุณหภูมิแตกต่างของน้ำระบายความร้อน(Tco – Tci)คงที่ จึงสามารถแบ่งระบบควบคุมเป็น

· ควบคุมอุณหภูมิน้ำระบายความร้อนออกจากหอผึ่งน้ำหรืออุณหภูมิน้ำระบายความร้อนเข้าคอยล์ร้อน(Tci)ให้คงที่ด้วยการปรับความเร็วรอบของพัดลมหอผึ่งน้ำ

· ควบคุมอุณหภูมิน้ำระบายความร้อนที่ออกจากคอยล์ร้อนไปเข้าหอผึ่งน้ำ(Tco)ให้คงที่ด้วยการปรับความเร็วรอบเครื่องสูบน้ำ

การควบคุมอุณหภูมิด้วยการปรับรอบพัดลมและเครื่องสูบน้ำด้วยชุดอินเวอร๋เตอร์ (Inverter) เป็นวิธีการที่ประหยัดพลังงานที่ใช้กับพัดลมและเครื่องสูบน้ำได้คุ้มค่าที่สุด ปัจจุบันราคาอินเวอร์เตอร์ไม่แพงการควบคุมง่ายเนื่องจากมีชุดควบคุมในตัว เพียงต่อสัญญาณจากเซนเซอร์วัดอุณหภูมิน้ำเท่านั้น และสามารถประหยัดค่าไฟฟ้าของเครื่องสูบน้ำระบายความร้อนและประหยัดค่าไฟฟ้าของพัดลมหอผึ่งน้ำ

ควรตรวจสอบระบบควบคุมและระบบป้องกันของเครื่องทำน้ำเย็นก่อนการติดตั้งระบบควบคุมการทำงานของหอผึ่งน้ำข้างต้นเพื่อไม่ให้มีผลกระทบต่อการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็น

การติดตั้งหอผี่งน้ำและเครื่องทำน้ำเย็น

การติดตั้งระบบท่อระบายความร้อนของหอผึ่งน้ำและเครื่องทำน้ำเย็นทำได้หลายแบบได้แก่

· ติดตั้งหอผึ่งน้ำกับเครื่องทำน้ำเย็นตัวต่อตัวตามรูปที่ 6.ซึ่งเป็นแบบที่ง่ายที่สุด เครื่องสูบน้ำระบายความร้อน หอผึ่งน้ำและเครื่องทำน้ำเย็นจะทำงานพร้อมกันเป็นชุดๆ

· ใช้หอผึ่งน้ำหลายชุดหรือหอผึ่งน้ำแบบMulti-cellติดตั้งกับระบบท่อชุดเดียวกัน แต่ใช้เครื่องสูบน้ำพ่วงกับเครื่องทำน้ำเย็นเพื่อลดวาวล์ควบคุมตามรูปที่ 7ซ้าย.ทำให้สามารถใช้เครื่องทำน้ำเย็ยขนาดไม่เท่ากันได้

· ใช้หอผึ่งน้ำหลายชุดหรือหอผึ่งน้ำแบบMulti-cellติดตั้งกับระบบท่อชุดเดียวกันเพื่อส่งน้ำระบายความร้อนให้กับเครื่องทำน้ำเย็นทั้งหมดตามด้วยเครื่องสูบน้ำที่ติดตั้งเป็นชุดตามรูปที่ 7.ขวา ต้องมีวาวล์ควบคุมเพื่อเลือกเปิดน้ำเข้าเครื่องทำน้ำเย็นที่ทำงาน

รูปที่ 6.แสดงการติดตั้งหอผึ่งน้ำ เครื่องสูบน้ำและเครื่องทำน้ำเย็นเป็นชุดๆ

รูปที่ 7.แสดงการติดตั้งชุดหอผึ่งน้ำใช้กันระบบท่อร่วมกันส่งน้ำให้เครื่องสูบน้ำและเครื่องทำน้ำเย็น

การติดตั้งหอผึ่งน้ำเป็นชุดตามรูปที่ 7.ระบบท่อจะถูกกว่าการแยกชุดตามรูปที่ 6. และการติดตั้งหอผึ่งน้ำและเครื่องสูบน้ำเป็นชุดตามรูปที่ 7.ขวาสามารถใช้เครื่องทดแทนกันได้ทั้งเครื่องสูบน้ำและเครื่องทำน้ำเย็น การควบคุมอัตราการไหลของน้ำต้องใช้วาวล์ควบคุมอัตโนมัติเพื่อปรับอุณหภูมิน้ำที่ออกจากคอยล์ร้อนและเลือกเครื่องทำน้ำเย็นที่ทำงาน และทำให้สามารถติดตั้งเครื่องทำน้ำเย็นขนาดต่างกันได้ การควบคุมการทำงานของเครื่องสูบน้ำด้วยอินเวอร์เตอร์จะใช้สันญาณความดันน้ำแทน ส่วนการติดตั้งอุปกรณ์ของชุดหอผึ่งน้ำแสดงในรูปที่ 8.ซึ่งสามารถใช้หอผึ่งน้ำทดแทนกันได้แต่ขนาดหอผึ่งน้ำต้องมีขนาดเท่ากันทั้งหมด

รูปที่ 8.แสดงการติดตั้งชุดหอผึ่งน้ำหรือMulti-cellพร้อมอุปกรณ์

ส่งท้าย

การทำงานของระบบทำน้ำเย็นส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วงที่ภาระความร้อนของอาคารปานกลาง(part load) การปรับการทำงานของหอผึ่งน้ำเพื่อรักษาอุณหภูมิแตกต่างของน้ำระบายความร้อนเข้าและออกจากคอยล์ร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นจะช่วยให้เครื่องทำน้ำเย็นทำงานในช่วงภาระความร้อนต่ำสุดได้ดีขึ้น ช่วยประหยัดพลังงานของเครื่องสูบน้ำระบายความร้อนและพัดลมของหอผึ่งน้ำได้มาก สามารถใช้กับทั้งการออกแบบระบบทำน้ำเย็นใหม่และการปรับปรุงระบบทำน้ำเย็นที่ใช้อยู่เพื่อให้การทำงานและการประหยัดพลังงานดีขึ้น แต่จะต้องไม่มีผลต่อระบบป้องกันของเครื่องทำน้ำเย็น