ออกแบบเตาอบฮีตปั๊มแบบเปิด

เตาอบฮีตปั๊มแบบปิดหมุนเวียนอากาศภายในเตาโดยไม่นำอากาศภายนอกเข้ามาในเตาตลอดระยะเวลาการอบจึงไม่มีสิ่งแปลกปลอมจากภายนอกมาปนเปื้อน มีผลกระทบจากสภาวะอากาศภายนอกน้อยที่สุด และสภาวะอากาศในเตามีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำสุดเพราะใช้คอบล์เย็นดึงน้ำออกจากเตาตลอดเวลา แต่ถ้าที่สภาวะอากาศร้อนสำหรับการอบแห้งวัสดุที่ความชื้นสมดุลมีความชื้นสัมพัทธ์สูง สามารถใช้เตาอบฮีตปั๊มแบบเปิดซึ่งให้ความเย็นและน้ำสะอาดสำหรับใช้ในโรงงานได้ด้วย

การทำงาน

รูปที่ 1 ก. อากาศภายนอกเตาอบผ่านคอยล์เย็น(Evaporator)เพื่อดึงความร้อนจากอากาศมารวมกับพลังงานของคอมเพรสเซอร์(Compressor)ไปให้อากาศหมุนเวียนที่คอยล์ร้อน(Condenser) อากาศร้อนจากคอยล์ร้อนถูกส่งเข้าเตาอบเพื่อให้ความร้อนกับเตาอบ วัสดุ และรับน้ำออกจากวัสดุระบายทิ้งไปส่วนหนึ่ง อากาศร้อนในเตาอีกส่วนหนึ่งหมุนเวียนมาผสมกับอากาศภายนอกเพื่อทดแทนอากาศร้อนที่ระบายออกจากเตา ที่คอยล์เย็นจะได้น้ำสะอาดไว้ใช้

รูปที่ 1 ข. เมื่อต้องการความเย็นและน้ำสะอาดมากขึ้นหรือต้องการลดความชื้นของอากาศในโรงงาน เนื่องจากอุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงจึงสามารถใช้คอยล์ร้อนเสริมระบายความร้อนเพิ่มทำให้มีอุณหภูมิsub-cool มากขึ้นจึงมีความเย็นมากขึ้นทำน้ำสะอาดและให้ความเย็นได้มากขึ้น และเพื่อให้ความชื้นในอากาศลดลงจะผสมอากาศหมุนเวียนกับอากาศจากคอยล์เย็นที่มีความชื้นลดลงแล้วและใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อดึงความร้อนกลับมาจากอากาศร้อนที่ทิ้งออกจากเตา

รูปที่ 1. ลักษณะของเตาอบฮีตปั๊มแบบเปิดและวงจรสารทำความเย็น

รูปที่ 2. แสดงวงจรการทำงานของสารทำความเย็น โดยเพิ่มคอยล์ร้อนเสริม(Auxialiary condenser)ซึ่งใช้อากาศนอกตู้เพื่อระบายความร้อนเพิ่มขึ้นจากคอยล์ร้อน อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงกว่า70c อุณหภูมิอากาศนอกตู้สามารถระบายความร้อนจากคอยล์ร้อนเสริมทำให้คอยล์เย็นสามารถทำความเย็นเพิ่มขึ้นตามรูปด้านขวาโดยที่ความร้อนจากคอยล์ร้อนในตู้เท่าเดิม อากาศที่ใช้ระบายความร้อนให้คอยล์ร้อนเสริมต้องระบายทิ้งไป

รูปที่ 2. วงจรการทำงานของสารทำความเย็นเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดตามรูปที่1

ตัวอย่างการออกแบบ

ให้วัสดุดิบมีน้ำหนัก 100กก. ความชื้นเริ่มต้น 60%wb ต้องการความชื้นหลังการอบ 12%db.จากการทดลองความชื้นสมดุล 8%db ที่อุณหภูมิ 55ซ ความชื้นสัมพัทธ์ 14% ใช้เวลาอบ 6ชม อุณหภูมิอากาศในโรงงาน 32ซ 60%RH

นน.น้ำทั้งหมด = 100*60/100 = 60 กก.

นน.แห้ง = 100 – 60 = 40 กก.

นน.น้ำเมื่อ MC db, 12% = MC db * นน.แห้ง = 12 /100 * 40 = 4.8 กก.

ต้องดึงน้ำออกทั้งหมด = 60 – 4.8 = 55.2 กก.

ให้ความชื้นวิกฤติของวัสดุ 0.8

นน.น้ำที่ความชื้นวิกฤติ = 0.85 * 40 = 34 กก.

ให้อัตราการคายน้ำunbound moisture = X , อัตราการคายเฉสี่ยbound moisture = 0.5 X

ระยะเวลาอบแห้ง = 34 / 0.5 X + (55.2 – 34) / X = 6 -à X = (68+ 21.2) / 6 = 14.87 กก./ชม.

ระยะเวลาที่ใช้อบถึงความชื้นวิกฤติ = (60 – 34) / 14.87 = 1.74 ชม.

พื้นที่หน้าตัดตู้ที่ลมพัด กว้าง * สูง = 0.8 * 1.5 = 1.2 m2

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

– การออกแบบควรให้สภาวะอากาศร้อนสำหรับการอบแห้งต่ำกว่าค่าของความชื้นสมดุล สำหรับตัวอย่างใช้ 55C, 12%RH

– เมื่อสิ้นสุดการอบแห้งตามรูปที่ 3. ฮีตปั๊มจะต้องสามารถทำงานที่สภาวะอากาศร้อนสำหรับการอบแห้ง มีจุดน้ำค้าง 16.6C คอยล์เย็นดึงความร้อนจากอากาศนอกเตาอบและจ่ายอากาศเย็นที่จุดน้ำค้าง 16.6C แล้วจึงpreheat โดยแลกความร้อนกับอากาศร้อนที่ทิ้งจากเตาอบในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพ 30%ของอุณหภูมิแตกต่าง แล้วจึงผสมกับอากาศร้อนจากเตาอบด้วยอัตราส่วน 30/70 จากจุดผสมรับความร้อนจากคอยล์ร้อน 8.5 kW มาที่55ซ ความร้อนส่วนที่เหลือมาระบายที่คอยล์ร้อนเสริม เมื่อเขียนการคายน้ำunbound moistureที่สภาวะอากาศการอบแห้งที่ทดลองตัวประกอบการคายน้ำ= 0.652

– ซึ่งคอยล์ร้อนในเตาอบทำอุณหภูมิsub-cool ได้ประมาณ 8C เนื่องจากอุณหภูมิอากาศหมุนเวียน(จุดผสม) 47.2C อุณหภูมิคอยล์ร้อน 70C ถ้าเลือกสูงจะทำให้คอยล์ร้อนหนาและมีความดันตกมาก

– เมื่อเริ่มต้นการอบแห้งอธิบายตามรูปที่ 4. เตาอบและวัสดุมีอุณหภูมิ32ซ 60%RH ตามอุณหภูมิอากาศในโรงงาน ความร้อนจากคอยล์ร้อนจะทำให้เตาอบและวัสดุมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความชื้นสัมพัทธ์ลดลงตามความสามารถของคอยล์ร้อน วัสดุเริ่มคายน้ำunbound moistureให้อากาศ อากาศเย็นจะแบ่งจากคอยล์เย็นมาreheatแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศร้อนที่ออกจากเตาอบที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในปริมาณเท่ากัน จากนั้นจึงผสมกับอากาศร้อนที่ออกจากเตาอบส่วนที่เหลือ อัตราส่วนของอากาศจะต้องอยู่บนเส้นจุดน้ำค้างตามรูปซึ่งแสดงว่าความชื้นที่วัสดุคายออกมาได้ถูกกำจัดหมดแล้ว อัตราส่วนอากาศเย็น =33.3%

– เมื่ออบแห้งไประยะเวลาหนึ่งอุณหภูมิอากาศร้อนเข้าเตาอบ 55C อากาศเย็นแบ่งจากคอยล์เย็นมาreheatแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศร้อนที่ออกจากเตาอบที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในปริมาณเท่ากัน จากนั้นจึงผสมกับอากาศร้อนที่ออกจากเตาอบส่วนที่เหลือ อัตราส่วนของอากาศ36.5% ได้จุดผสมอยู่บนเส้นจุดน้ำค้างตามรูปที่ 5. ความร้อนที่คอยล์ร้อน 17.7kW สามารถเลือกคอมเพรสเซอร์โดยมีอุณหภูมิคอยล์ร้อน 70C อุณหภูมิคอยล์เย็น 12.5C อุณหภูมิsub-cool 5C และสามารถเลือกคอยล์ร้อน ในขณะที่คอยล์เย็นให้ความเย็น 12.35kW อุณหภูมิอากาศภายนอกเตาอบ 32C สามารถทำอุณหภูมิsub-cool ได้ 23C ซึ่งจากการทำงานของคอมเพรสเชอร์สามารถทำความเย็นได้ 20.8kW สามารถเลือกขนาดคอยล์เย็นได้

– เตาอบแห้งจะทำงานในสภาวะนี้ต่อไปจนunbound moisture หมด อัตราการคายน้ำชองวัสดุจะลดลงทำให้การทำงานคอยล์เย็นลดลงตามจนสิ้นสุดการอบแห้ง

– อัตราการผสมลมเย็นจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆไปจนสิ้นสุดการอบแห้ง ความร้อนที่ต้องระบายที่คอยล์ร้อนเสริม=20.8-12.35+(17.7-8.5)ความร้อนที่ลัดจากตอยล์ร้อน= 17.7 kW จึงสามารถเลือกคอยล์ร้อนเสริมได้จากสภาพการทำงานและขนาดข้างต้น

– เตาอบลมร้อนสามารถให้ความเย็นได้ =20.8kW จากรูปที่ 5. ไซโครเมตริกอัตราการไหลอากาศผ่านคอยล์เย็น 0.679kg/s และอัตราการไหลอากาศผ่านเตาอบ 1.074kg/s อัตราการไหลอากาศเย็นที่ผสม 36.5% อากาศเย็นมาจากคอยล์เย็น=1.074 x 36.5/100=0.392kg/s ความเย็นที่ใช้ได้จากเตาอบ=20.8x(.679-.392)/.679=9.06 kW=2.58 TRความเย็น

– รูปที่ 6.อุปกรณ์ควบคุมประกอบด้วยวาวล์อิเลคโทรนิก 2ชุด

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

– ชุดที่ 2.ทำหน้าที่เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ควบคุมการลดความดันระหว่างคอยล์ร้อนและคอยล์เย็น และควบคุมอุณหภูมิsuperheat

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

– การแบ่งลมเย็นจากคอยล์เย็นเปลี่ยนไปไม่มากนัก ในทางปฏิบัติจึงสามารถตั้งคงที่ประมาณ 0.392-0.4kg/s

รูปที่ 3.การทำงานของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเมื่อการอบแห้งสิ้นสุด เพื่อเลือกคอมเพรสเซอร์

รูปที่ 4. การทำงานของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเมื่อเริ่มการอบแห้ง

รูปที่ 5. การทำงานของเตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเมื่ออุณหภูมิอากาศเข้าเตาอบแห้งได้ 55C

รูปที่ 6. วงจรการทำงานของสารทำความเย็นและระบบควบคุม

บทส่งท้าย

เวลาในการอบแห้งตามตัวอย่างใช้เวลามากกว่าการอบจากการทดสอบเพราะจะต้องใช้เวลาให้อากาศร้อนหมุนเวียนมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นและความชื้นสัมพัทธ์ลดลงได้ตามสภาวะที่ทำการทดสอบ และมีความร้อนสัมผัสที่ต้องใช้เพิ่มอุณหภูมิของเตาอบและวัสดุด้วย ในกรณีที่เป็นเตาอบลมร้อนจะไม่สามารถอบได้ตามต้องการเพราะไม่สามารถดึงความชื้นในอากาศออกได้การอบแห้งของเตาอบลมร้อนจึงต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าเพื่อชดเชยทำให้สูญเสียความร้อนมาก ในขณะที่ฮีตปั๊มใช้พลังงานเพียง 1/3 ของความร้อนที่ใช้เท่านั้น

ถ้าเวลาที่ใช้อบแห้งไม่ใช่เรื่องสำคัญสามารถลดการใช้ความร้อนทำให้ขนาดคอมเพรสเซอร์และอุปกรณ์ลดลงได้อีกด้วยการลดอัตราการแบ่งลมเข้าคอยล์เย็นลงอีกและ/หรือเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อให้มีราคาลดลง

เตาอบแห้งฮีตปั๊มแบบเปิดตามตัวอย่างนี้ควบคุมสภาวะอากาศร้อนที่ใช้อบแห้งที่ 55ซ. ความชื้นสัมพัทธ์ 12% ถ้าดูจากไซโครเมตริกจะสามารถลดสภาวะอากาศร้อนที่ใช้อบแห้งต่ำสุดที่ 55ซ. ความชื้นสัมพัทธ์ 8.8% ซึ่งสามารถควบคุมความชื้นอากาศที่ออกจากคอยล์เย็นได้เสถียรจึงไม่เกิดปัญหาในการอบแห้ง

จะเห็นได้ว่าการควบคุมสภาวะอากาศร้อนมีความชื้นสัมพัทธ์สูงกว่าเตาอบแห้งฮีตปั๊มแบบปิด จึงควรตรวจสอบคุณสมบัติของวัสดุที่จะอบแห้งก่อนที่จะเลือกใช้ แต่สามารถให้ความเย็นแก่โรงงาน ได้น้ำสะอาดจากอากาศและน้ำจากวัดุภายในเตาอบ