เพิ่มประสิทธิภาพระบบอัดอากาศด้วยเครื่องลดความชื้น

อากาศประกอบด้วยก๊าซหลายชนิดและไอน้ำ เครื่องอัดอากาศจะสร้างความดันให้ก๊าซรวมทั้งไอน้ำเพื่อให้มีความดันมากพอสำหรับการใช้กับอุปกรณ์ลม แต่ต้องแยกน้ำออกด้วยเครื่องดูดความชื้น(Air dryer)เพื่อไม่ให้น้ำทำความเสียหายแก่อุปกรณ์ลมและระบบท่อ การแยกน้ำออกจากอากาศก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศจึงทำให้เครื่องอัดอากาศมีการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ สามารถสรุปข้อดีของการติดตั้งเครื่องลดความชื้น(Dehumidifier)เพื่อแยกน้ำออกจากอากาศก่อนเข้าระบบอัดอากาศได้ดังต่อไปนี้

-            เครื่องลดความชื้นดึงไอน้ำในอากาศออกทำให้เครื่องอัดอากาศไม่ต้องอัดไอน้ำทำให้ใช้พลังงานลดลง

-            เครื่องลดความชื้นลดอุณหภูมิอากาศเข้าเครื่องอัดอากาศทำให้อุณหภูมิอากาศออกจากเครื่องอัดอากาศลดลงด้วย อายุการใช้งานเครื่องอัดอากาศจึงมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น

-            เมื่ออุณหภูมิอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศลดลง After coolerมีแนวโน้มที่จะทำงานได้ดีขึ้น

-            เครื่องลดความชื้นมีพัดลมเพื่อส่งอากาศผ่านที่กรองอากาศและคอยล์เย็นของเครื่องดูดความชื้นเอง ทำให้เครื่องอัดอากาศทำงานสร้างความดันลดลง

-            ที่กรองอากาศสามารถใช้แบบที่มีประสิทธิภาพสูงทำให้ระบบอัดอากาศสะอาด จึงมีแนวโน้มทำให้อายุการใช้งานเครื่องอัดอากาศเพิ่มขึ้น

บทความนี้แสดงผลการคำนวณระบบอัดอากาศสำหรับงานอุตสาหกรรมทั่วไปเทียบกับระบบอัดอากาศที่ติดตั้งเครื่องลดความชื้นก่อนเข้าระบบอัดอากาศ ถึงจะต้องใช้ไฟฟ้ากับเครื่องลดความชื้นไฟฟ้าเพิ่มขึ้น แต่สามารถลดพลังงานไฟฟ้าของระบบอัดอากาศโดยรวมลงได้ 14%

การทำงานของระบบอัดอากาศ

              ระบบอัดอากาศตัวอย่างประกอบด้วย ที่กรองอากาศ เครื่องอัดอากาศ อุปกรณ์ระบายความร้อน(After-cooler) เครื่องดูดความชื้น(Air dryer) ถังอากาศอัด และอื่นๆ ตามรูปที่ 1.  อากาศภายนอกจะถูกดูดผ่านที่กรองอากาศเพื่อลดฝุ่นละออง เครื่องอัดอากาศเพื่อเพิ่มความดันให้อากาศ อากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากพลังงานที่ใช้ในเครื่องอัดอากาศ จึงต้องมีอุปกรณ์ระบายความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของอากาศและช่วยลดพลังงานความร้อนก่อนที่ก่อนเข้าเครื่องดูดความชื้น การลดความชื้นเป็นการควบคุมคุณภาพของอากาศอัด ถังความดันใช้เพื่อรักษาคุณภาพอากาศอัดในด้านความดันเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอัตราการใช้

รูปที่ 1. แผนผังการติดตั้งระบบอัดอากาศ

ตัวอย่างการคำนวณ

              เพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของระบบอัดอากาศ ให้ระบบอัดอากาศ10,000 lpm ความดัน 7 bar อากาศภายนอกมีอุณหภูมิ 32^oCและความชื้นสัมพัทธ์ 55% มีความดันบรรยากาศ 1 bar ตารางที่ 1.คำนวณสภาวะอากาศเข้าเครื่องอัดอากาศ อากาศมีค่าจุดน้ำค้าง 21.84^oC เมื่ออากาศผ่านที่กรองอากาศประสิทธิภาพสูงซึ่งมีความดันตก 250 Pa อากาศมีความดันลดลงเหลือ 0.998 bar

ให้เครื่องอัดอากาศมีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 0.75 (สำหรับเครื่องอัดอากาศที่ใช้กำลังใช้งาน สามารถใช้กำลังของเครื่องอัดอากาศจริงแทนลงในสมการที่ 14. เพื่อคำนวณประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกได้) ให้ After coolerมี approach 5 C และมีความดันตก 80 Pa ความดันตกในเครื่องดูดความชื้น 150 Pa ความดันตกในระบบท่อ 0.1 bar  เครื่องอัดอากาศต้องสร้างความดันเพื่อเอาชนะความดันตกทั้งหมด

ความดันอากาศอัดที่ออกจากเครื่องอัดอากาศ =7+(80+300)/101325+0.1=7.002 bar จากผลการคำนวณที่แสดงในตารางที่ 2. เครื่องอัดอากาศใช้ไฟฟ้า 59.02kW

Aftercooler มีความดันตก 80 Pa ลดอุณหภูมิอากาศจากเครื่องอัดอากาศเป็น 37C ความชื้นอิ่มตัวของอากาศที่อุณหภูมินี้มีค่าต่ำกว่าความชื้นที่เข้า ไอน้ำในอากาศอัดจึงกลั่นตัวลดความชื้นในอากาศได้ จากตารางที่ 2. สามารถดึงความชื้นได้ 2.05 g/s

เครื่องดูดความชื้นเป็นแบบเครื่องทำความเย็นซึ่งทำให้ไอน้ำในอากาศกลั่นตัวโดยลดอุณหภูมิอากาศอัดให้ต่ำกว่าPDPของอากาศอัด(PDP=Pressure dew point หรือจุดน้ำค้างของอากาศอัด) ตารางที่ 3.แสดงผลการคำนวณเครื่องดูดความชื้น โดยให้อากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นมีความชื้นอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 5 C และมีความดันตก 150Pa.อากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นมี PDP=5.02 จะไม่เกิดน้ำในระบบท่อแต่เนื่องจากอุณหภูมิอากาศอัดมีต่ำกว่าจุดน้ำค้างของอากาศภายนอกจากตารางที่ 1.(21.84 C)จึงจะเกิดน้ำเกาะภายนอกท่อ ใช้ความร้อนจากการทำงานของเครื่องดูดความชื้นเพิ่มอุณหภูมิอากาศอัดเป็น 32 C เท่ากับอากาศภายนอก

สรุป จากตัวอย่างระบบอัดอากาศส่งอากาศแห้งได้ 0.1878 kg/s ความดัน 7 Bar เครื่องอัดอากาศใช้พลังงาน 59.02 kW เครื่องดูดความชื้นใช้พลังงาน 3.35kW รวมทั้งสิ้น 62.37kW PDP 5.02 C ได้น้ำจากAfter coolerและเครื่องลดความชื้นรวม =2.05+0.9=2.95g/s

ติดตั้งเครื่องลดความชื้นก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศ

          เมื่อติดตั้งเครื่องลดความชื้นในอากาศก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศตามรูปที่ 2. เครื่องลดความชื้นประกอบด้วยที่กรองอากาศ พัดลมและคอยล์เย็น พัดลมใช้ส่งอากาศผ่านที่กรองอากาศและคอยล์เย็นซึ่งใช้ดึงน้ำออกจากอากาศ ความดันอากาศเข้าเครื่องอัดอากาศจึงเท่ากับความดันบรรยากาศ

รูปที่ 2. ติดตั้งเครื่องลดความชื้น

ตัวอย่างการคำนวณ

ระบบอากาศอัด10,000 lpm ความดัน 7 bar สภาวะอากาศภายนอก 32^oC ความชื้นสัมพัทธ์ 55% ความดัน 1.0 bar พัดลมใช้ส่งอากาศผ่านที่กรองอากาศประสิทธิภาพสูงมีความดันตก 250 Pa และคอยล์เย็น 100Pa ความดันของพัดลมจึง=101325+250+100=101765Pa ให้พัดลมมีประสิทธิภาพ 50% จากผลการคำนวณสภาวะอากาศเข้าจากตารางที่ 1. คำนวณกำลังไฟฟ้าของพัดลมได้ 0.12 kW ตามที่แสดงในตารางที่ 4.

ให้อากาศที่ออกจากคอยล์เย็นมีอุณหภูมิ 7C ความชื้นสัมพัทธ์ 90% เครื่องลดความชื้นมีCOP=2.5 สามารถคำนวณการทำงานของเครื่องลดความชื้นได้ตามตารางที่ 4. เครื่องลดความชื้นใช้ไฟฟ้า 4.03kW

เครื่องอัดอากาศมีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 0.75 อุปกรณ์ระบายความร้อน(After cooler)มี approach 5 C และมีความดันตก 80 Pa ความดันตกในเครื่องดูดความชื้น 150 Pa ความดันตกในระบบท่อ 0.1 bar เช่นเดียวกับตัวอย่างข้างต้น ความดันอากาศอัดที่ออกจากเครื่องอัดอากาศ =7+80/101325+0.1= 7.04bar จากผลการคำนวณที่แสดงในตารางที่ 5. เครื่องอัดอากาศใช้ไฟฟ้า 46.18 kW

Aftercooler มีความดันตก 80 Pa ลดอุณหภูมิอากาศจากเครื่องอัดอากาศเป็น 37C ความชื้นอิ่มตัวของอากาศที่อุณหภูมินี้มีค่าต่ำกว่าความชื้นที่เข้า ไอน้ำในอากาศอัดจึงกลั่นตัวลดความชื้นในอากาศได้ จากตารางที่ 5. สามารถดึงความชื้นได้ 0.01g/s

เครื่องดูดความชื้นเป็นแบบเครื่องทำความเย็นซึ่งทำให้ไอน้ำในอากาศกลั่นตัวโดยลดอุณหภูมิอากาศอัดให้ต่ำกว่าPDPของอากาศอัด ตารางที่ 6.แสดงผลการคำนวณเครื่องดูดความชื้น โดยให้อากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นมีความชื้นอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 5 C และมีความดันตก 150Pa.อากาศอัดที่ออกจากเครื่องดูดความชื้นมี PDP=5.02 จะไม่เกิดน้ำในระบบท่อแต่เนื่องจากอุณหภูมิอากาศอัดมีต่ำกว่าจุดน้ำค้างของอากาศภายนอกจากตารางที่ 1.(21.84 C)จึงจะเกิดน้ำเกาะภายนอกท่อ ใช้ความร้อนจากการทำงานของเครื่องดูดความชื้นเพิ่มอุณหภูมิอากาศอัดเป็น 32 C เท่ากับอากาศภายนอก

สรุป จากตัวอย่างระบบอัดอากาศส่งอากาศแห้งได้ 0.1878 kg/s ความดัน 7 Bar เครื่องลดความชื้นและพัดลมใช้ไฟฟ้า =0.12+4.03= 4.15kW เครื่องอัดอากาศใช้พลังงาน 46.18 kW เครื่องดูดความชื้นใช้พลังงาน 3.35kW รวมทั้งสิ้น 53.68 kW PDP=5.02Cได้น้ำจากเครื่องลดความชื้น After coolerและเครื่องดูดความชื้นรวม=2.05+0.01+0.91=2.97g/s

สมการสำหรับการคำนวณ

ไอน้ำซึ่งถือว่าเป็นก๊าซอุดมคติ ทำให้สามารถใช้กฎของก๊าซในการคำนวณได้เหมือนก๊าซอื่นๆ สมการที่ใช้คำนวณไซโครเมตริกจาก ASHRAE Fundmental 2005 มีดังต่อไปนี้

เมื่อ COP คือค่าสัมประสิทธิการทำงานของเครื่องดูดความชื้น

hi, ho คือเอ็นทาลปีของอากาศอัดเข้าและออกจากเครื่องดูดความชื้น kJ/kg da