Heat pump vacuum evaporator

การระเหยน้ำเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมากในอุตสาหกรรมอาหาร และการเกษตร การระเหยน้ำใช้สำหรับควบคุมความเข้มข้นของของเหลว เช่น การทำน้ำผลไม้เข้มข้น การผลิตน้ำยางข้น และอื่นๆ และเป็นการเตรียมของเหลวเข้มข้นก่อนจะทำเป็นผงด้วยspray dried จึงนำฮีตปั๊มมาใช้เป็นแหล่งความร้อนเพื่อลดต้นทุนของการระเหยน้ำและลดปัญหาโลกร้อน การใช้ฮีตปั๊มและสุญญากาศเพื่อระเหยน้ำไม่ใช่เรื่องยุ่งยากถ้าเข้าใจในหลักการ

หลักการระเหยน้ำ และความดัน

การระเหยน้ำคือการทำให้น้ำแยกออกจากของเหลวด้วยการเปลี่ยนสถานะเป็นไอ ตารางที่ 1.แสดงคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกของน้ำ จะเห็นได้ว่าเมื่อลดความดันลงอุณหภูมิอิ่มตัวของน้ำก็จะลดลง ถ้าลดความดันอากาศน้ำในถังจะระเหยถ้าอุณหภูมิน้ำสูงกว่าอุณหภูมิน้ำอิ่มตัวที่ความดันนั้น เมื่อน้ำระเหยเป็นไอน้ำความดันในถังสูงขึ้นและอุณหภูมิน้ำก็จะลดลงเนื่องจากการคายความร้อนให้น้ำที่ระเหย เมื่อถึงจุดสมดุลของความดันและอุณหภูมิการระเหยก็จะหยุดลง เพื่อให้น้ำระเหยต่อเนื่องจะต้องรักษาสภาพอุณหภูมิและความดันในถังตลอด

ตารางที่ 1. คุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกของน้ำอิ่มตัว (2005 ASHRAE Handbook, Fundamentals, chapter 6)

เมื่อใช้กาต้มน้ำ น้ำเดือดที่อุณหภูมิ 100ซ. ความดันไอน้ำในกาตามตารางที่ 1. เท่ากับ101.419Pa มากกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย(101.325Pa) ไอน้ำจึงไล่อากาศออกจากกาต้มน้ำได้ทำให้สูญเสียความร้อน เมื่อปิดไม่ให้ไอน้ำออกความดันและอุณหภูมิน้ำจะสูงขึ้นจนถึงอุณหภูมิที่สมดุลใหม่เมื่อความร้อนที่ให้กาต้มน้ำเท่ากับความร้อนสูญเสียของกา และความดันในกาก็จะเท่ากับความดันอิ่มตัวของอุณหภูมิน้ำในกาขณะนั้น

เครื่องระเหยน้ำ

โรงงานที่มีหม้อไอน้ำจะใช้ไอน้ำเป็นแหล่งความร้อนให้กับเครื่องระเหยน้ำที่มีการทำงานเหมือนกาต้มน้ำ รูปที่ 1.ไอน้ำจะปรับลดความดันเป็นไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิที่ต้องการเพื่อให้พลังงานแก่น้ำในของเหลวให้ระเหยกลายเป็นไอ ของเหลวจะมีความเข้มข้นมากขึ้น ไอน้ำที่คายความร้อนแล้วจะกลายเป็นน้ำเรียกว่าคอนเดนเซทและระบายทิ้งไป

รูปที่ 1. ถังระเหยน้ำด้วยไอน้ำ (Steam evaporator)

ตัวอย่าง ถ้าต้องการดึงน้ำจากน้ำส้มคั้นความเข้มข้น 12% โดยน้ำหนัก เพื่อให้มีความเข้มข้นเพิ่มขึ้น 5 เท่าเป็นความเข้มข้น 60% ต้องการน้ำส้มเข้มข้น 100 กก./ชม.ให้ความจุความร้อนน้ำส้มคั้น 4.186 kJ/kg.ซ (เท่ากับน้ำ) อุณหภูมิน้ำส้มคั้นเริ่มต้น 30ซ

จะต้องใช้น้ำส้มคั้น = 100 x 60 /12 = 500 กก./ชม.

ต้องดึงน้ำออก = 500 – 100 = 400 กก./ชม.

ใช้ไอน้ำ 3 bar 133.97ซ ให้ความร้อนเพื่อระเหยน้ำที่อุณหภูมิ 118ซ hfg = 2207.58 kJ/kg

จะต้องใช้ความร้อนเพื่อระเหย = 2207.58 x 400 /3600 = 245.29 kWh

ใช้ความร้อนเพิ่มอุณหภูมิน้ำส้มคั้น = 500 x 4.186 x (118 – 30)/3600 = 51.16 kWh

ใช้ไอน้ำทั้งหมด = 245.29 + 51.18 = 296.47 kWh

ถ้าใช้หมัอไอน้ำที่ใช้ก๊าซแอลพีจีเป๊นเชื้อเพลิง ประสิทธิภาพของการผลิตและใช้ไอน้ำ 75% ค่าก๊าซแอลพีจี 22.96 บาท/กก

ค่าความร้อนของก๊าซแอลพีจีเท่ากับ 50,220 kJ/kg

ค่าเชื้อเพลิงแอลพีจี = 296.47 / 50,220 / 0.75 x 22.96 x 3600 = 650.60 บาท

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากก๊าซแอลพีจี Specific CO2 Emission 0.24 kg CO2/kWh (Engineering-toolbox.com)

เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ = 296.47 x 0.24 = 71.15 kg CO2

การทำงานของฮีทปั๊ม

ฮีทปั๊มมีการทำงานเหมือนเครื่องทำความเย็น อุปกรณ์หลักประกอบด้วยประกอบด้วย คอมเพรสเซอร์ คอยล์ร้อน คอยล์เย็น และเอ็กซ์แปนชั่นวาล์ว รูปที่ 2. แสดงวงจรการทำงานของสารทำความเย็น โดยเพิ่มคอยล์ร้อนเสริม(Auxiliary condenser)ซึ่งใช้อากาศภายนอกเพื่อระบายความร้อนเพิ่มขึ้นจากคอยล์ร้อน อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงกว่า75ซ. อุณหภูมิอากาศนอกสามารถระบายความร้อนจากคอยล์ร้อนเสริมทำให้คอยล์เย็นสามารถทำความเย็นเพิ่มขึ้นตามรูปด้านขวาโดยที่ความร้อนจากคอยล์ร้อนเท่าเดิม

สารทำความเย็นที่คอยล์เย็นและคอยล์ร้อนจะดึงและคายความร้อนแฝงเพื่อเปลี่ยนสถานะ ปริมาณความร้อนที่ได้มากกว่าพลังงานที่คอมเพรสเซอร์ใช้ส่งสารทำความเย็นมาก ฮีทปั๊มจึงมี COP(Coefficient of Performance) อัตราส่วนของความร้อนที่ได้ต่อพลังงานไฟฟ้าที่ใช้มากกว่า 3เท่า และเมื่อใช้คอยล์ร้อนเสริมทำให้ได้ความเย็นจากคอยล์เย็นเท่ากับความร้อนจากคอยล์ร้อน

รูปที่ 2. วงจรการทำงานของสารทำความเย็นและอุปกรณ์ของฮีทปั๊ม

จากตารางที่ 1. น้ำที่ 70 ซ มีความดันอิ่มตัว 31.198 kPa, hfg 2332.99 kJ/kg

เครื่องระเหยน้ำฮีตปั๊ม (Heat pump vacuum evaporator)

ฮีตปั๊มให้ความร้อนเพิ่มอุณหภูมิของเหลวในความดันสุญญากาศเพื่อให้น้ำในของเหลวกลายเป็นไอ แล้วจึงใช้ความเย็นจากฮีตปั๊มควบแน่นน้ำเพื่อช่วยรักษาความดัน รูปที่ 3.วงจรเครื่องระเหยน้ำฮีตปั๊ม ประกอบด้วยถังระเหย ส่วนเติมของเหลว ส่วนให้ความร้อน ส่วนควบแน่น ส่วนระบายน้ำและควบคุมความดัน ฮีตปั๊ม มีการทำงานของแต่ละส่วนดังนี้

รูปที่ 3.เครื่องระเหยน้ำฮีตปั๊ม (Heat pump vacuum evaporator)

ถังระเหย รูปที่ 4.ซ้ายเป็นถังสุญญากาศที่มีขดท่อให้ความร้อนอยู่ภายใน และขวาเป็นถังที่ดึงของเหลวออกไปให้ความร้อนนอกถังแล้ววนกลับมาที่ถังระเหย ระดับของเหลวในถังระเหยจะต้องท่วมขดท่อเพื่อให้สามารถให้ความร้อนกับของเหลวได้การทำงานจึงต้องมีผลิตเป็นปริมาณมากและขดท่อทำให้การทำความสะอาดในถังระเหยทำได้ยาก อาจมีเชื้อตกค้างและปนเปื้อนระหว่างผลิตภัณฑ์ที่ผลิตในแต่ละครั้ง จึงไม่เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์อาหารและยา รูปที่ 4.ขวาดึงของเหลวออกไปให้ความร้อนภายนอกมีความยืดหยุ่นในการผลิตมากกว่า

ความดันอิ่มตัวในถัง 31.198 kPa น้ำจะกลายเป็นไอที่อุณหภูมิ70 ซ. น้ำส่วนที่กลายเป็นไอดึงความร้อนแฝงไปใช้ ทำให้น้ำที่เหลือมีอุณหภูมิลดลง อุณหภูมิน้ำสูงสุดของน้ำที่เหลือจากการระหยคือ70 ซ. อุณหภูมิคอนเดนเซอร์ถูกกำหนดโดยการทำงานของคอมเพรสเซอร์เท่ากับ75 ซ. เมื่อใช้คอนเดนเซอร์แบบ SPHE (soldering plate type heat exchanger) อุณหภูมิของเหลวสูงสุดถ่ายเทได้ถึง74 ซ. อุณหภูมิของเหลวแตกต่างเท่ากับ74-70=4 ซ.

การเลือกเครื่องสูบต้องคำนึงถึงความหนืดของเหลวเมื่อมีความเข้มข้นสุดท้ายตามต้องการเครื่องสูบอาจเป็นแบบแรงเหวี่ยง แบบเกียร์ หรืออื่นๆ และต้องตรวจสอบความดันด้านดูด(NPSH, Net positive suction head) เพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายกับเครื่องสูบ

รูปที่ 4.ถังระเหย

ส่วนเติมของเหลว ภายในถังระเหยมีความดันต่ำกว่าบรรยากาศ เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศเข้าระบบควรมีถังเติมและระบบควบคุมตามรูปที่ 5. ของเหลวจากถังเก็บจะต่อเข้าถังเติมผ่านวาวล์ควบคุมระดับของเหลวในถังเติม วาวล์ควบคุมที่จ่ายของเหลวเข้าถังระเหยจะควบคุมจากระดับของเหลวในถังระเหย เมื่อของเหลวในถังเก็บหมดระดับในถังเติมจะลดลงจนถึงระดับต่ำสุดที่ตั้งไว้วาวล์ควบคุมต้องปิดเพื่อไม่ให้อากาศเข้าในถังระเหย จึงมีของเหลวเหลืออยู่ในถังเติม

รูปที่ 5.ส่วนเติมของเหลวเพื่อรักษาระดับของเหลวในถังระเหยและป้องกันอากาศเข้าในระบบ

ส่วนให้ความร้อน รูปที่ 6.ประกอบด้วยอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบSPHE(Soldered plate heat exchanger), Shell & tube และอื่นๆ ใช้ความร้อนจากฮีตปั๊มให้ความร้อนชองเหลว SPHEมีข้อดีในเรื่องประสิทธิภาพ ขนาด และราคา แต่ข้อเสียคือไม่สามารถถอดทำความสะอาดได้ ต้องใช้การฟลัชด้วยสารเคมีและน้ำสะอาดเท่านั้น วาวล์ควบคุมจะปรับอัตราการไหลของเหลวเพื่อให้ของเหลวที่ออกจากSPHE มีอุณหภูมิ 74ซ. ก่อนเข้าถังระเหย ของเหลวที่เข้าSPHE เป็นของเหลวที่ผสมระหว่างของเหลวจากถังเติมทดแทนน้ำที่ระเหยและของเหลวที่หมุนเวียนจากถังระเหย

รูปที่ 6.ส่วนให้ความร้อนประกอบด้วยอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนและอุปกรณ์ควบคุม

ส่วนควบแน่น เมื่อน้ำระเหยที่ถังระเหยจะทำให้ความดันในถังสูงขึ้น ส่วนควบแน่นทำหน้าที่ควบแน่นไอน้ำที่มาจากถังระเหยเพื่อลดความดันในระบบ ส่วนควบแน่นประกอบด้วยอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบ SPHE ซึ่งใช้ความเย็นจากฮีตปั๊มเพื่อควบแน่นไอน้ำจากถังระเหยและทำให้น้ำคอนเดนเสทมีอุณหภูมิลดลง ความเย็นที่ใช้ควบแน่นเท่ากับความร้อนที่ให้กับของเหลวในส่วนให้ความร้อน และต้องมีความดันตกน้อยกว่า 10kPa

ส่วนระบายน้ำและควบคุมความดัน เนื่องจากไอน้ำจะต้องไหลจากถังระเหยผ่านส่วนควบแน่นมายังส่วนระบายน้ำ รูปที่ 7.แสดงอุปกรณ์ต่างๆประกอบด้วยซ้ายมือใช้เครื่องสูบน้ำหมุนเวียนน้ำจากถังน้ำทิ้งผ่าน vacuum ejector เพื่อ ลดความดันดึงน้ำและไอน้ำให้เคลื่อนจากถังระเหยมากลั่นตัวที่ส่วนควบแน่นทิ้งไปที่ถังน้ำทิ้ง เหมาะสำหรับเครื่องระเหยน้ำขนาดเล็ก และขวามือใช้ถังความดันเป็นถังน้ำทิ้ง คอนเดนเสทจะใช้เครื่องสูบน้ำดูดทิ้งโดยรักษาระดับน้ำในถังไว้เพื่อป้องกันเครื่องสูบน้ำและป้องกันไม่ให้อากาศเข้าระบบ ใช้ปั๊มสุญญากาศซึ่งควบคุมจากความดันในถังระเหย31.12kPa เหมาะสำหรับระบบใหญ่มีอัตราการระเหยน้ำสูง ควรตรวจสอบค่าNPSH ของเครื่องสูบน้ำเพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายแก่เครื่องสูบน้ำ

รูปที่ 7.ส่วนระบายน้ำและควบคุมความดัน

ฮีตปั๊ม จะต้องสร้างความร้อนให้ส่วนให้ความร้อนเพื่อทำอุณหภูมิของเหลว 74 ซ. และทำความเย็นให้ส่วนควบแน่นเพื่อทำให้ไอน้ำจากถังระเหยควบแน่นทิ้งไป ความร้อนตามตัวอย่าง 300kW และความเย็น 300kW จึงต้องมีคอยล์ร้อนเสริมเพื่อให้ได้ความเย็นเพิ่มขึ้นตามต้องการ

รูปที่ 8.วงจรการทำงานของฮีตปั๊ม

ในช่วงเริ่มต้นถังระเหยและระบบท่อยังมีอุณหภูมิปกติ ของเหลวจากส่วนให้ความร้อนจะต้องให้ความร้อนถังระเหยและท่อจนอุณหภูมิสูงขึ้นถึงจุดทำงาน จึงจะได้ไอน้ำไปที่ส่วนควบแน่น ในช่วงเริ่มต้นนี้ส่วนควบแน่นจะไม่มีความร้อนให้สารทำความเย็นเกิดสารทำความเย็นเหลวไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ จึงต้องมีระบบhot gas by-pass แบ่งสารทำความเย็นร้อนจากคอมเพรสเซอร์มาผสมสารทำความเย็นเหลวก่อนเข้าส่วนควบแน่น ในระหว่างนั้นส่วนควบแน่นจะทำงานน้อยจึงไม่ใช้คอยล์ร้อนเสริมด้วยการปิดพัดลม เมื่อมีไอน้ำจากถังระเหยแล้วจึงเปิดพัดลมคอยล์ร้อนเสริมและปิด hot gas by-pass เพื่อให้เครื่องทำงานเต็มที

ตัวอย่าง ต่อจากตัวอย่างข้างต้นสรุปการทำงานของเครื่องระเหยน้ำฮีตปั๊ม (Heat pump vacuum evaporator)

เพื่อให้น้ำระเหยเป็นไอที่อุณหภูมิ 70ซ. จะต้องใช้ปั๊มสุญญากาศลดความดันลงมาต่ำกว่า 31.198 kPa

ความร้อนที่ต้องใช้สำหรับระเหยน้ำ = 400 x 2332.99 / 3600 = 259.22 kWh

ใช้ความร้อนเพิ่มอุณหภูมิน้ำส้มคั้นเติม = 400 x 4.186 x (74 – 30)/3600 = 20.46 kWh

ให้ X คืออัตราการไหลของเหลวผ่านส่วนให้ความร้อน

ใช้ความร้อนของเหลวหมุนเวียน = (X-400) x 4.186 x 4 /3600 = 259.22-20.46 kWh

อัตราการไหลของเหลว X = 51734 kg/h = 14.37 kg/s

ฮีตปั๊มใช้ไฟฟ้า(COP=3) = 259.22/3 = 86.41 kWh

ค่าไฟฟ้าทั้งสิ้น (4-00 บาท/kWh) = 86.41 x 4 = 345.63 บาท

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการผลิตไฟฟ้า CO2 Emission 0.54 kg CO2/kWh

เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ = 86.41 x 0.54 = 48.66 kg CO2/h

ความเร็วของเหลวในถังระเหยไม่เกิน 0.05m/s

เส้นผ่านศูนย์กลางถัง = (14.37/1000/0.05/22 x28)^0.5 = 0.6 m

ค่าเชื้อเพลิงแอลพีจี = 650.60 บาท

เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการใช้ไอน้ำ = 71.15 kg CO2/h

ฮีทปั๊มสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายสำหรับการระเหยน้ำได้ =650.60 - 345.63 = 304.97 บาท/ชม.

ลดการเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการระเหยน้ำ = 71.15-48.66 = 22.49 kg CO2/h

การใช้เครื่องสูบน้ำถ่ายน้ำจากถังระบายน้ำและถ่ายน้ำส้มเข้มข้นจากถังระเหยจะต้องระวังในเรื่อง NPSH (Net Positive Suction Head) ซึ่งจะทำให้เกิดการสึกหรอที่เครื่องสูบน้ำเนื่องจากการกระแทก (Cavitation) จึงควรลดอุณหภูมิของน้ำและน้ำส้มเข้มข้นและจัดระดับให้มีความดันก่อนเข้าเครื่องสูบน้ำ

บทส่งท้าย

การระเหยน้ำเป็นกระบวนการที่ใช้มากทั้งในอุตสาหกรรมอาหาร อุตสาหกรรมเคมี เป็นทั้งกระบวนการผลิตต้นทางซึ่งต้องนำผลผลิตที่ได้ไปทำการผลิตต่อ และเป็นกระบวนการปลายทางซึ่งได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จ เครื่องระเหยน้ำฮีทปั๊มเป็นเครื่องที่ดึงความร้อนจากการควบแน่นน้ำกลับมาใช้ในการระเหยจึงเป็นเครื่องที่ประหยัดพลังงานและช่วยลดค่าใช้จ่ายในการผลิต ทำให้มีความสามารถในการแข่งขันเพิ่มขึ้น

ในด้านการบำรุงรักษานั้น ฮีทปั๊มมีการบำรุงรักษาเหมือนกับเครื่องปรับอากาศ วิธีการบำรุงรักษาง่ายกว่าการบำรุงรักษาระบบผลิตไอน้ำมาก มีความปลอดภัยเมื่อใช้งานทำให้ไม่ต้องตรวจสอบความปลอดภัยและเซ็นรับรองตามกฎหมายทุกปี ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาจึงถูกกว่า ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงอีกด้วย

นอกจากนี้เครื่องระเหยน้ำฮีทปั๊มยังให้น้ำคุณภาพจากการควบแน่นไอน้ำที่ระเหยออกมาจากผลิตภัณฑ์ จึงช่วยลดการใช้ทรัพยากรน้ำของโรงงาน ซึ่งในปัจจุบันปัญหาการขาดแคลนน้ำใช้เพิ่มมากขึ้น และค่าใช้จ่ายในการปรับปรุงคุณภาพน้ำก็มากขึ้นด้วย เครื่องระเหยน้ำฮีทปั๊มจึงช่วยลดต้นทุนด้านน้ำและการบำบัดน้ำส่วนหนึ่งของโรงงาน

สามารถสรุปผลจากการใช้เครื่องระเหยน้ำฮีทปั๊มในด้านสิ่งแวดล้อมได้ดังนี้ช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติด้วยการประหยัดพลังงาน ยืดอายุการใช้งานเชื้อเพลิงธรรมชาติ ลดการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติจืงช่วยลดการเกิดก๊าซเรือนกระจกและช่วยลดปัญหาโลกร้อน โรงงานที่ใช้เครื่องระเหยน้ำฮีทปั๊มจึงจะได้คะแนนในการประเมินคาร์บอนไดออกไซด์เครดิตดีขึ้น ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการกระบวนการผลิตจะได้รับผลในการประเมินคาร์บอนไดออกไซด์เครดิตดีขึ้นด้วย ซึ่งจะทำให้ได้ผลในด้านยอดขายไปในประเทศพัฒนา