ออกแบบเตาอบฮีตปั๊มแบบปิด

Updated: May 28, 2020

ข้อดีของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดคือการหมุนเวียนอากาศภายในเตาโดยไม่นำอากาศภายนอกเตาเข้ามาในเตาตลอดระยะเวลาการอบจึงไม่มีสิ่งแปลกปลอมจากภายนอกมาปนเปื้อน มีผลกระทบจากสภาวะอากาศภายนอกน้อยที่สุด และใช้พลังงานในการอบน้อย เตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเป็นการอบที่ใช้อุณหภูมิต่ำทำให้ผลผลิตมีคุณภาพดี โครงสร้างผลผลิตเปลี่ยนแปลงน้อย โครงสร้างผิว สี กลิ่น รสชาติ และสามารถคืนสภาพได้ดีกว่า

การทำงาน

รูปที่ 1. อากาศที่รับความชื้นมาจากเตาอบจะถูกแบ่งมาที่คอยล์เย็น(Evaporator)เพื่อดึงน้ำออกจากเตา และดึงความร้อนจากคอยล์เย็นมารวมกับพลังงานของคอมเพรสเซอร์(Compressor)ไปให้อากาศหมุนเวียนที่คอยล์ร้อน(Condenser) อากาศร้อนจากคอยล์ร้อนถูกส่งเข้าเตาเพื่อให้ความร้อนกับตู้ วัสดุ และรับน้ำออกจากวัสดุ การที่แบ่งอากาศมาเข้าคอยล์เย็นส่วนเดียวเพราะความเย็นจากฮีตปั๊มมีขนาดน้อยกว่าความร้อนที่ได้มาก

รูปที่ 1. ลักษณะของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดและวงจรสารทำความเย็น

รูปที่ 2. แสดงวงจรการทำงานของสารทำความเย็น โดยเพิ่มคอยล์ร้อนเสริม(Auxialiary condenser)ซึ่งใช้อากาศนอกตู้เพื่อระบายความร้อนเพิ่มขึ้นจากคอยล์ร้อน อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงกว่า70c อุณหภูมิอากาศนอกเตาสามารถระบายความร้อนจากคอยล์ร้อนเสริมทำให้คอยล์เย็นสามารถทำความเย็นเพิ่มขึ้นตามรูปด้านขวาโดยที่ความร้อนจากคอยล์ร้อนในเตาเท่าเดิม แต่ก็ยังไม่สามารถดึงน้ำได้มากพอ

รูปที่ 2. วงจรการทำงานของสารทำความเย็นเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดตามรูปที่1

รูปที่ 3. เพิ่มอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในวงจรอากาศที่ออกจากเตาอบเพื่อดึงความร้อน(precool)อากาศก่อนเข้าคอยล์เย็นทำให้คอยล์เย็นดึงน้ำได้มากขึ้นแล้วจึงให้ความร้อนคืน(reheat) แล้วจึงผสมกับกับอากาศส่วนที่เหลือจากการแบ่งก่อนจะส่งไปที่คอยล์ร้อน ซึ่งวิธีนี้สามารถเพิ่มการดึงน้ำจากคอยล์เย็นให้เท่ากับหรือมากกว่าความชื้นที่วัสดุคายออกมาทำให้ความชื้นในเตาลดลง และสามารถควบคุมอุณหภูมิแความชื้นสัมพัทธ์ในเตาอบแห้งเข้าสูสภาวะสำหรับการอบแห้งได้เร็ว วัสคุมีความชื้นได้ตามต้องการ

เมื่อเริ่มอบแห้งอัตราการคายน้ำของวัสดุสูง ต้องดึงน้ำที่ว้สดุคายออกมาทั้งหมดออกจากเตา คอยล์ร้อนเสริมทำหน้าที่เพิ่มอุณหภูมิsub-coolร่วมกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เมื่ออุณหภูมิของอากาศร้อนเท่ากับอุณหภูมิที่ต้องการแล้วคอยล์ร้อนเสริมจะทำหน้าที่ระบายความร้อนส่วนเกินเพื่อรักษาอุณหภูมิเตาอบ

ขั้นตอนการคำนวณออกแบบเตาอบแห้งฮีตปั๊มแบบปิดจะแสดงในตัวอย่างต่อไป ในทางปฎิบัติจะออกแบบเตาอบแห้งมาตรฐานโดยใช้ช้อมูลของว้สดุอย่างหนึ่ง ที่สภาวะอากาศสำหรับการอบหนึ่งเท่านั้น ไม่สามารถออกแบบเตาอบให้เหมาะสมกับทุกได้ ลูกค้าจึงต้องรู้ข้อมูลของวัสดุที่จะอบแห้งเพื่อใช้เปรียบเทียบและเลือกเตาอบ

รูปที่ 3. ลักษณะของเตาอบฮีคปั๊มแยยปิดที่ติดตั้งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

ตัวอย่างการออกแบบ

ให้วัสดุดิบมีน้ำหนัก 100กก. ความชื้นเริ่มต้น 80%wb ต้องการความชื้นหลังการอบ 12%db.จากการทดลองความชื้นสมดุล 8%db ที่อุณหภูมิ 55ซ ความชื้นสัมพัทธ์ 8% ใช้เวลาอบ 8ชม อุณหภูมิอากาศในโรงงาน 32ซ 60%RH

นน.น้ำทั้งหมด = 100*80/100 = 80 กก.

นน.แห้ง = 100 – 80 = 20 กก.

นน.น้ำเมื่อ MC db, 12% = MC db * นน.แห้ง = 12 /100 * 20 = 2.4 กก.

ต้องดึงน้ำออกทั้งหมด = 80 – 2.4 = 77.6 กก.

ให้ความชื้นวิกฤติของอาหาร 0.85

นน.น้ำที่ความชื้นวิกฤติ = 0.85 * 20 = 17 กก.

ให้อัตราการคายน้ำunbound moisture = X , อัตราการคายเฉสี่ยbound moisture = 0.5 X

ระยะเวลาอบแห้ง = 17 / 0.5 X + (77.6 – 17) / X = 8 -à X = (34+ 60.6) / 8 = 11.83 กก./ชม.

ระยะเวลาที่ใช้อบถึงความชื้นวิกฤติ = (77.6 – 17) / 11.83 = 5.12 ชม.

พื้นที่หน้าตัดตู้ที่ลมพัด กว้าง * สูง = 0.8 * 1.5 = 1.2 m2

อัตราการส่งลม(ความเร็วลม 0.7 mps) = 1.2 * 0.8 * 60 = 57.6 cmm.

– เมื่อสิ้นสุดการอบแห้ง ฮีตปั๊มจะต้องสามารถทำงานที่สภาวะอากาศที่ต้องการอบแห้งตามความต้องการคือ 55ซ 8%RH มีความชื้นสมดุลของวัสดุ 8%db น้อยกว่าความชื้นที่ต้องการซึ่งจะอบแห้งได้เร็วขึ้น รูปที่ 4.แบ่งอากาศ 1/3 มาเข้าอุปกรณ์precool ซึ่งมีประสิทธิภาพ 30%ของอุณหภูมิแตกต่าง คอยล์เย็นดึงอุณหภูมิจากprecool มาเข้าreheat จากreheat ผสมกับอากาศอีก2/3 จากจุดผสมรับความร้อนจากคอยล์ร้อนมาที่55ซ (10.3 kW) ความร้อนส่วนที่เหลือมาระบายที่คอยล์ร้อนเสริม คอมเพรสเซอร์ต้องทำความเย็นได้ไม่ต่ำกว่า9.7kWที่อุณหภูมิคอยล์เย็น10ซ ยุณหภูมิคอยล์ร้อน70ซ สามารถเลือกคอมเพรสเซอร์ได้

– ซึ่งจะได้ขนาดคอยล์ร้อนจากการทำงานของคอมเพรสเซอร์ที่อุณหภูมิคอยล์ร้อน70ซ./คอยล์เย็น10ซ.เท่ากับ 17 kW ทำให้สามารถเลือกคอยล์ร้อนได้

– เมื่อเริ่มต้นการอบแห้งอธิบายตามรูปที่ 5. เตาอบและวัสดุมีอุณหภูมิ32ซ 60%RH ความร้อนตามอุณหภูมิอากาศในโรงงาน จากคอยล์ร้อนจะทำให้เตาอบและวัสดุมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความชื้นสัมพัทธ์ลดลงตามความสามารถของคอยล์ร้อน วัสดุเริ่มคายน้ำunbound moistureให้อากาศ แต่คายน้อยกว่าที่ระบุตามการคำนวณเพราะอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ยังไม่ถึงข้อมูลตามการทดลอง ใช้อัตราส่วนเดียวกันกับข้อมูลเมื่อเขียนการคายน้ำunbound moistureที่สภาวะอากาศการอบแห้งที่ทดลอง เมื่ไดจุดที่อากาศออกจากเตาอบสุ่มสากเส้นprecoolโดยแบ่งอากาศตามอัตราการไหล1/3 ตามด้วยคอยล์เย็นอละขยับการทำงานของคอยล์เย็นจนได้ความชื้นเท่ากับความชื้นที่คายจากวัสดุ ตรวจสอบและแก้ไขจนprecoolได้ประสิทธิภาพ30% ตามด้วยเส้นreheat แล้วจึงผสมอากาศ1/3จากreheatกับ2/3อากาศจากเตาอบ จุดผสมอยู่บนเส้นเริ่มอบ นั่นคืออุณหภูมิอากาศเข้าเตาอบจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ คอยล์เย็นทำงาน 10.7 kW

– เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง55ซ คอยล์เย็นต้องทำงานได้ความเย็นมากที่สุดโดยที่คอยล์ร้อนเสริมจะรับทั้งความร้อนส่วนเกินจากคอยล์ร้อนที่ตัดมาและต้องทำsub-coolเพื่อเพิ่มการทำงานของคอยล์เย็นเพื่อให้ดึงน้ำออกให้เท่ากับที่วัสดุคายออกมาตามรูปที่ 6. คอยล์เย็นทำความเย็น 14.16 kW ความร้อนที่คอยล์ร้อน 13.8 kW จากการทำงานของดอมเพรสเซอร์ที่อุณหภูมิคอยล์เย็น10ซ ยุณหภูมิคอยล์ร้อน70ซ ต้องมีอุณหภูมิsub-cool 19ซ มีความร้อนทั้งหมด 19.6 kW สามารถเลือกคอยล์เย็นได้จากสภาพการทำงานและขนาดข้างต้น คอยล์ร้อนเสริมทำงาน=(19.6-13.8)= 5.8 kW

– เตาอบแห้งจะทำงานในสภาวะนี้ต่อไปจนunbound moisture หมด อัตราการคายน้ำชองวัสดุจะลดลงทำให้การทำงานคอยล์เย็นลดลงตามจนสิ้นสุดการอบแห้ง ความร้อนที่ต้องระบายที่คอยล์ร้อนเสริม=17-9.7 = 8 kWสามารถเลือกคอยล์ร้อนเสริมได้จากสภาพการทำงานและขนาดข้างต้น

– ตามรูปที่ 7.อุปกรณ์ควบคุมประกอบด้วยวาวล์อิเลคโทรนิก 2ชุด

– ชุดที่ 1.ทำหน้าที่เป็นby-pass valveควบคุมอุณหภูมิอากาศร้อนเข้าเตาอบแห้ง เมื่อเริ่มการอบแห้งอุณหภูมิอากาศร้อนยังไม่ถึง 55ซ วาวล์จะปิดเพื่อให้สารทำความเย็นทั้งหมดผ่านคอยล์ร้อน เมื่ออุณหภูมิถึง 55ซ วาวล์จะเริ่มทำงานปรับสารทำความเย็นลัดไปเข้าคอยล์ร้อนเสริมเพื่อรักษาอุณหภูมิไว้

– ชุดที่ 2.ทำหน้าที่เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ควบคุมการลดความดันระหว่างคอยล์ร้อนและคอยล์เย็น และควบคุมอุณหภูมิsuperheat

– คอยล์ร้อนเสริมมีการทำงานช่วงเริ่มอบเพื่อสร้างsub-coolสำหรับคอยล์เย็นและทำงานเพิ่มขึ้นจนมากที่สุดเมื่ออุณหภูมิอากาศร้อน 55ซ จากนั้นคอยล์ร้อนทำงาน 2 หน้าที่คือคุมอุณหภูมิsub-cool ลดลงและรับby-passเพิ่มขึ้นจนเมื่อสิ้นสุดการอบจะรับby-passมากที่สุด ในทางปฏิบัติจึงให้คอยล์ร้อนเสริมทำงานคงที่ทำให้ลดความชื้นสัมพัทธ์ได้เร็วขึ้น

รูปที่ 4.การทำงานของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเมื่อการอบแห้งสิ้นสุด เพื่อเลือกคอมเพรสเซอร์

รูปที่ 5. การทำงานของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเมื่อเริ่มการอบแห้ง

รูปที่ 6. การทำงานของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเมื่ออุณหภูมิอากาศเข้าเตาอบแห้งได้ 55ซ

รูปที่ 7. วงจรการทำงานของสารทำความเย็นและระบบควบคุม

บทส่งท้าย

เวลาในการอบแห้งตามตัวอย่างมากกว่าการอบจากการทดสอบเพราะจะต้องใช้เวลาให้อากาศร้อนหมุนเวียนมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นและความชื้นสัมพัทธ์ลดลงได้ตามสภาวะที่ทำการทดสอบ และมีความร้อนสัมผัสที่ต้องใช้เพิ่มอุณหภูมิของเตาอบและวัสดุด้วย ในกรณีที่เป็นเตาอบลมร้อนจะไม่สามารถอบได้ตามต้องการเพราะไม่สามารถดึงความชื้นในอากาศออกได้การอบแห้งของเตาอบลมร้อนจึงต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าเพื่อชดเชยทำให้สูญเสียความร้อนมาก ในขณะที่ฮีตปั๊มใช้พลังงานเพียง 1/3 ของความร้อนที่ใช้เท่านั้น

ถ้าเวลาที่ใช้อบแห้งไม่ใช่เรื่องสำคัญสามารถลดการใช้ความร้อนทำให้ขนาดคอมเพรสเซอร์และอุปกรณ์ลดลงได้อีกด้วยการลดอัตราการแบ่งลมเข้าคอยล์เย็นลงอีกและ/หรือเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อให้มีราคาลดลง

เตาอบแห้งฮีตปั๊มแบบปิดตามตัวอย่างนี้ควบคุมสภาวะอากาศร้อนที่ใช้อบแห้งที่ 55ซ. ความชื้นสัมพัทธ์ 8% ถ้าดูจากไซโครเมตริกจะสามารถลดสภาวะอากาศร้อนที่ใช้อบแห้งต่ำสุดที่ 55ซ. ความชื้นสัมพัทธ์ 4% จุดน้ำค้าง 0.4ซ. ซึ่งไม่เกิดปัญหาในการอบแห้ง

ปัจจุบันเตาอบแห้งฮีตปั๊มส่วนใหญ่ตอนควบคุมอุณหภูมิใช้วิธีดึงอากาศภายนอกเข้าเพื่อลดราคาจึงไม่สามารถทำความชื้นสัมพัทธ์อากาศร้อนที่ใช้อบแห้งให้ต่ำได้