ธนกร ณ พัทลุง
thanakon_na@hotmail.com

โดยทั่วไปแล้วในโรงงานอุตสาหกรรมและอาคารธุรกิจขนาดใหญ่นั้น มีความจำเป็นที่จะต้องใช้เครื่องจักรหรืออุปกรณ์ที่มีการสูญเสียพลังงาน ทั้งในรูปของพลังงานความร้อนและพลังงานความเย็นสู่สิ่งแวดล้อมเสมอ พลังงานทั้งความร้อนและความเย็นที่สูญเสียออกไปนี้ มักเกิดขึ้นจากการเสียดทานเชิงกลภายในเครื่องจักร 

การสูญเสียผ่านผิวของเครื่องจักร หรือการสูญเสียในระบบไฟฟ้าต่าง ๆ เป็นต้น หากสามารถดำเนินการลดการสูญเสียพลังงานเหล่านี้ได้มากเท่าใด จะหมายความถึงการที่สามารถลดพลังงานที่ป้อนเข้าสู่เครื่องจักรได้มากขึ้นนั่นเอง และการนำพลังงานที่สูญเสียกลับมาใช้ใหม่นั้น จัดว่าเป็นหนึ่งในวิธีการลดการสูญเสียพลังงานโดยเปล่าประโยชน์อีกด้วย 

ในหลักการทั่วไปของการนำพลังงานที่สูญเสียกลับมาใช้ใหม่นั้น จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องนำหลักการทางวิศวกรรมความร้อน วิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมไฟฟ้ามาประยุกต์ใช้ในการออกแบบระบบ ซึ่งในขอบข่ายงานทางวิศวกรรมนี้จะอยู่นอกเหนือกิจกรรมด้านการบำรุงรักษา ซึ่งเป็นงานด้านวิศวกรรมอุตสาหการและ/หรือวิศวกรรมเครื่องกลพื้นฐานทั่วไป

แต่ในสภาพการทำงานจริงของโรงงานอุตสาหกรรมและอาคารในประเทศไทยนั้น มักจะมอบหมายงานเกี่ยวกับการควบคุมการใช้พลังงาน รวมไปถึงการควบคุมค่าใช้จ่ายและการจัดการทั้งหมดให้แก่ฝ่ายบำรุงรักษาภายในโรงงาน ดังนั้นฝ่ายบำรุงรักษาจึงจำเป็นต้องเรียนรู้และรับผิดชอบในส่วนการดำเนินการนำพลังงานสูญเสียกลับมาใช้ใหม่ด้วย 

ในเบื้องต้นนั้น มีหลากหลายวิธีที่เป็นแนวทางในการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ในหลายส่วนของอุตสาหกรรมและสามารถนำพลังงานเหล่านี้กลับเข้าสู่ระบบผลิต เช่น การอุ่นอากาศ, การอุ่นน้ำร้อน หรือ การต้มน้ำต่าง ๆ ได้ โดยผ่านอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น Economizer หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) ซึ่งจะทำให้การใช้เครื่องจักรเกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้พลังงาน

โดยทั่วไปแล้วนั้น สามารถแยกลักษณะของการนำพลังงานสูญเสียกลับมาใช้ใหม่ ตามลักษณะการถ่ายเท พลังงานได้เป็น 2 ประเภทคือ การนำพลังงานมาใช้แบบตรง (Direct) และแบบอ้อม (Indirect) ซึ่งทั้ง 2 ประเภทนั้นสามารถประยุกต์ใช้ได้กับสารตัวกลาง ที่เป็นทั้งก๊าซและของเหลว เช่น อากาศและน้ำ เป็นต้น โดยมีรายละเอียดดังนี้

มีการใช้ระบบนี้กับน้ำ นั่นคือการให้ความร้อนแก่น้ำโดยตรง (Direct Water Heating) เช่น นำคอนเดนเสทหรือ Flash Steam กลับมาอุ่นน้ำป้อน

แนวทางการนำ Condensate กลับมาอุ่นน้ำป้อนหม้อไอน้ำและนำความร้อนจาก Flash Steam กลับมาอุ่นน้ำป้อนใน Feed Tank ด้วยเช่นกัน

โดยส่วนใหญ่โรงงานทั่วไปจะนำ Condensate กลับมาใช้โดยการนำกลับมาเข้าถังน้ำป้อนเป็นส่วนใหญ่ซึ่งเป็นการ Heat Recovery และเพิ่มอุณหภูมิน้ำของถังน้ำป้อนเข้าสู่หม้อไอน้ำเท่านั้นดังแสดงในรูปที่ 1 แต่ยังมีปริมาณความร้อนสูญเสียอีกส่วนหนึ่งที่สูญเสียไปยังบรรยากาศจำนวนมาก ก็คือ Flash Steam ดังรูปที่ 3 ที่ไม่ได้นำมาใช้ดังที่เห็นได้ว่าจะมีแต่ถัง Condensate Tank และนำ Condensate ไปเข้าถังน้ำป้อน ดังรูปที่ 2 และ โดยปล่อย Flash Steam ไปในบรรยากาศ  (โดยทุก ๆ 6 oC ของอุณหภูมิน้ำป้อนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ใช้เชื้อเพลิงของหม้อไอน้ำลดลง 1 %)

โดยปกติบนถัง Condensate จะมีท่อ Flash Steam เพื่อระบายทิ้งสู่บรรยากาศและหากมีถัง Condensate หลายจุดควรต่อเป็นท่อเมนรวมแล้วปล่อยทิ้งซึ่งแนวทางการนำ Flash Steam กลับมาใช้นั้น คือทำให้ระบบ Condensate มีแรงดันภายในระบบไว้ประมาณ 0.8 -1.0 bar (Back Pressure กระทำต่อ Steam Trap ควรไม่เกิน 1.0 bar) ด้วยการติดตั้ง Safety Valve ควบคุมแรงดันประมาณ 0.8 bar เพื่อรักษาแรงดันในระบบท่อ (หากแรงดันในระบบ Condensate เกิน 0.8 bar ก็ระบายทิ้ง)

โดยต่อท่อ Flash Steam และ Reducing Valve กลับมาเข้ายังถังน้ำป้อน (Feed Tank) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิน้ำป้อน ดังรูปที่ 4 ซึ่งทำให้สามารถนำ Flash Steam กลับมาใช้ได้โดยที่ไม่ต้องปล่อยทิ้งไป ส่งผลให้ลดการใช้ไอน้ำจากหม้อไอน้ำมาอุ่นน้ำป้อนพร้อมทั้งลดเชื้อเพลิงที่ใช้ในหม้อไอน้ำ

                   รูปที่ 1 ระบบ Direct Water Heating ในถังน้ำป้อน                             รูปที่ 2 ถังน้ำป้อน (Feed Tank)

รูปที่ 3 แสดง Flash Steam ที่ปล่อยทิ้ง

รูปที่ 4 ไดอะแกรมระบบนำ Flash Steam กลับมาใช้

นอกเหนือไปจากการนำพลังงานสูญเสียมาใช้ทางตรงแล้ว ยังมีอีกลักษณะหนึ่งของการนำพลังงานสูญเสียกลับมาใช้ประโยชน์ นั่นคือ การนำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) มาใช้เป็นอุปกรณ์กลางในการทำหน้าที่แลกเปลี่ยนพลังงานกันระหว่างสารทำงานอย่างน้อย 2 ชนิด      

ซึ่งเรียกวิธีการลักษณะนี้ว่า การนำพลังงานสูญเสียมาใช้ทางอ้อม โดยมีลักษณะการทำงานเบื้องต้น ดังตัวอย่างเช่น อากาศร้อนที่ผ่านกระบวนการผลิตแล้วจะถูกนำเข้ามาสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งจะมีคุณลักษณะของเครื่องที่มีการถ่ายเทความร้อนได้ดี 

ความร้อนจากอากาศร้อนนี้จะถูกถ่ายเทตามธรรมชาติผ่านผนังหรือครีบของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไปสู่อากาศหรือของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำ ทำให้อากาศหรือ ของเหลวนั้นมีอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้ ซึ่งเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมสูงมาก 

แนวทางในการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่อีกอย่างหนึ่งก็คือ การอุ่นอากาศที่ใช้เผาไหม้ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพความร้อนของหม้อไอน้ำจะเพิ่มขึ้น 1 % ถ้าทำให้อุณหภูมิของอากาศที่ใช้เผาไหม้สูงขึ้น 20 oC ซึ่งการอุ่นอากาศที่ใช้เผานั้นจะใช้เครื่องอุ่นอากาศ (Air Pre-heater)

ในทางปฏิบัติการอุ่นอากาศที่ใช้เผาไหม้โดยใช้  Air Pre-heater นั้นจะไม่เหมาะสมกับหม้อไอน้ำขนาดเล็ก เนื่องจาก Air Pre-heater มีราคาสูงแต่มีแนวทางในการอุ่นอากาศก่อนการเผาไหม้โดยทำเครื่องอุ่นอากาศร้อนอย่างง่าย ดังแสดงในรูปที่ 5 เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีของไหล 2 ชนิด ไหลแยกจากกันโดยมีวัสดุซึ่งทำจากโลหะเป็นตัวกั้นกลางของไหลที่แลกเปลี่ยนความร้อนทั้งสองชนิด

รูปที่ 5 แสดงเครื่องอุ่นอากาศอย่างง่าย

ออกแบบและติดตั้งเครื่องอุ่นอากาศอย่างง่ายบริเวณท่อปล่องไอเสียของหม้อไอน้ำในลักษณะ Jacket ช่องลมหุ้มท่อไอเสียดังรูปที่ 6 ถึง 8 โดยอากาศจากบรรยากาศจะไหลผ่านผิวท่อปล่องไอเสียที่มีความร้อนสูงกว่า ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้อากาศก่อนเข้าไปเผาไหม้ในหม้อไอน้ำสูง

รูปที่ 6 ไดอะแกรมระบบอุ่นอากาศอย่างง่าย

รูปที่ 9 โครงสร้างของ Heat Pipe

ท่อความร้อน (Heat Pipe) จะแยกเป็น 2 ส่วนหลักคือ ส่วนทำระเหย (Evaporator) และส่วนควบแน่น (Condenser) และมีส่วนโครงสร้างวัสดุพรุน (Wick) ในบริเวณผนัง ผิวในของท่อและมีการทำงานคือของไหลที่อยู่ภายในท่อ เมื่อได้รับความร้อนจะระเหยกลายเป็นไอ จากส่วน Evaporator และนำเอาความร้อนนั้นส่งถ่ายจากส่วนแรกไปถ่ายเทยังส่วนที่เย็นกว่ากล่าวคือ Condenser           

จากนั้นไอจะควบแน่น กลายเป็นของเหลวอีกครั้งและไหลกลับสู่ปลายท่อที่ร้อนส่วน Evaporator ด้วยแรงโน้มถ่วงอีกครั้ง เป็นวัฎจักรและจากค่าความร้อนแฝงของการระเหยของของไหลมีค่าที่สูงมาก ดังแสดงในรูปที่ 10 ดังนั้นท่อความร้อนจะสามารถ ส่งถ่ายความร้อนปริมาณมากจากปลายหนึ่งไปสู่อีกปลายหนึ่ง โดยมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิไม่มากได้

ด้วยหลักการข้างต้น จึงสามารถนำท่อความร้อนในการดึงความร้อนจากแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิไม่สูงมากกลับไปใช้ในการอบแห้งหรือการระบายความร้อนเข้าหรือออกจากเครื่องจักร/อุปกรณ์ทางไฟฟ้าได้หลากหลายประเภท

รูปที่ 10 หลักการทำงานของ Heat Pipe

ท่อความร้อนสามารถนำประยุกต์ใช้ในกระบวนถ่ายเทความร้อนได้อย่างกว้างขวาง เช่น ลดความชื้นในระบบปรับอากาศ, การนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ เช่น Economizer

1. ใช้ท่อความร้อนในการเพิ่มประสิทธิภาพในการลดความชื้น ดังรูปที่ 11 โดยท่อความร้อนช่วยดึงความร้อนจากอากาศเพื่อลดอุณหภูมิก่อนเข้า Cooling Coil ทำให้ดึงความชื้นออกได้มากขึ้นและความร้อนที่ท่อความร้อนดึงออกจากอากาศก็จะถ่ายเทกลับไปยังอากาศที่ผ่านการลดความชื้นอีกครั้ง

รูปที่ 11 รูปแบบการเพิ่มประสิทธิภาพในการลดความชื้นโดยใช้ท่อความร้อน

2. ใช้ท่อความร้อนเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Economizer) ระหว่างไอเสียจากหม้อไอน้ำเชื้อเพลิงแข็ง (ไม้ฟืน) ขนาด 10 ตันต่อ ชม.กับน้ำป้อนก่อนเข้าหม้อไอน้ำ ดังรูปที่ 12 ซึ่งสามารถอุ่นน้ำป้อนจากอุณหภูมิ 30 ^oC เป็น 65 ^oC ที่อัตราการไหล 12 m³ ต่อชั่วโมง (อุณหภูมิไอเสียลดลงจาก 230 oC เป็น 130 ^oC)

รูปที่ 12 Heat Pipe Economizer

ปั๊มความร้อน (Heat Pump) คืออุปกรณ์ทำน้ำร้อนที่ใช้หลักการเช่นเดียวกับเครื่องปรับอากาศ (Air Conditioner) หรือเครื่องทำความเย็นแต่ใช้ประโยชน์ทางด้านความร้อนเป็นสำคัญซึ่งตรงข้ามกับเครื่องปรับอากาศ โดยการเอาความร้อนจากคอนเดนเซอร์ที่เรียกกันว่าคอยล์ร้อนไปถ่ายเทความร้อนให้น้ำ (Water Cooled) กลายเป็นน้ำร้อนและนำไปเก็บในถังใหญ่เพื่อส่งป้อนให้แก่ผู้ใช้น้ำในห้องพักต่าง ๆ ของโรงแรม

นอกจากทำน้ำร้อนแล้วขณะเดียวกันปั๊มความร้อนจะได้อากาศเย็นจากอีแวปอเรเตอร์หรือที่เรียกว่าคอยล์เย็นไปใช้ในบริเวณที่ต้องการความเย็นที่ไม่ต้องควบคุมมาก เช่นในลอบบี้โรงแรม ทางเดินห้องครัว ห้องเครื่อง ห้องซักรีดหรือนำอากาศเย็นไปแลกเปลี่ยนทำน้ำเย็นไปใช้หล่อเลี้ยงหอเย็นของเครื่องปรับอากาศก็ได้

ซึ่งการใช้ความเย็นนี้ถือว่าเป็นผลพลอยได้จากปั๊มความร้อนที่จะช่วยลดความสิ้นเปลือง ค่าใช้จ่ายได้อีกส่วนหนึ่งและทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของคนหรือเครื่องจักรในบริเวณนั้น ๆ ดีขึ้น โดยระบบของปั๊มความร้อนแสดงดังรูปที่ 13

รูปที่ 13 แสดงระบบของปั๊มความร้อน (Heat Pump)

ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อน (COP) ที่ใช้กันมีค่า 2 -5 หรือมากกว่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้ำร้อนกับอากาศภายนอกและการออกแบบซึ่งปัจจุบันได้พัฒนาไปมาก ซึ่งเครื่องปรับอากาศมีค่า COP ประมาณ 0.75

ปั๊มความร้อนจัดได้ว่าเป็นอีกอุปกรณ์ที่ได้รับความ นิยมอย่างสูงในการดึงพลังงานกลับมาใช้ใหม่โดยมี ความเหมาะสมอย่างยิ่งกับระบบการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอากาศสู่อากาศ (โดยที่ไม่มีของเหลวมาเกี่ยวข้อง) จึงนิยมใช้ในการลดความชื้น และรวมไปถึงการอบแห้งวัตถุต่าง ๆ

โดยใช้การนำพลังงานสูญเสียมาใช้เป็นแหล่งพลังงานให้กับชุด Evaporator ซึ่งจะเหมาะสมอย่างยิ่งในงานส่วนอบหรือซักรีดเสื้อผ้า หรือในโกดังสินค้าที่ต้องการควบคุมระดับความชื้นไม่ให้สูงเกินไป ดังแสดงในรูปที่ 14 และ15

                 รูปที่ 14 แสดงเครื่องปั๊มความร้อน (Heat Pump)                  รูปที่ 15 แสดงการใช้ปั๊มความร้อน

ปัญหาที่มักจะพบโดยทั่วไปในอุตสาหกรรมคือ การตัดสินใจในการเลือกใช้อุปกรณ์และชนิดของการนำพลังงานสูญเสียกลับมาใช้ใหม่ ว่าจะใช้วิธีใดที่จะเหมาะสมที่สุด ซึ่งโดยแท้จริงแล้ว การเลือกใช้พลังงานสูญเสียนั้นจะขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของโรงงานเป็นสำคัญ เช่น ในโรงงานอุตสาหกรรมที่มีความสลับซับซ้อนกับโรงงานที่การผลิตไม่ซับซ้อน

แน่นอนว่าจะมีวิธีการใช้พลังงานที่ต่างกัน และที่สำคัญอย่างยิ่งในทุกอุตสาหกรรมคือ วิศวกรควรคำนึงถึงการออกแบบระบบความร้อนให้ถูกต้องก่อนการคำนึงถึงการนำพลังงานความร้อนกลับมาใช้ใหม่ (แก้ปัญหาที่ต้นเหตุก่อนจะดีกว่าที่ปลายเหตุ)

การนำพลังงานความร้อนสูญเสียกลับมาใช้ใหม่นั้นมีแนวทางด้วยกันหลายวิธีตามกล่าวข้างต้นโดยหลักการ คือ การนำความร้อนมาใช้ใหม่ให้มากที่สุด และลดการใช้เครื่องจักรที่อยู่ในสภาพการทำงานเกินกำลังผลิต (Overheated) ให้น้อยที่สุด โดยจะส่งผลให้เกิดการประหยัดพลังงานและลดค่าใช้จ่ายตามมา

เอกสารอ้างอิง