คู่มือการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้

เทคโนโลยีและแนวทางการนากลบั มาใช้ เกณฑท์ ่ีเหมาะสมในแต่ละอุตสาหกรรม คมู่ ือการนาความรอ้ นท้ ิงกลบั มาใช้ WASTE HEAT RECOVERY GUIDE กล่มุ วิจยั เพ่อื การอนุรกั ษพ์ ลงั งาน มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี โดยการสนับสนุนของสานักงานกองทุนสนับสนุนการวจิ ยั และการไฟฟ้ าฝ่ายผลิตแหง่ ประเทศไทย

สารบญั สารบญั หนา้ ที่ บทที่ 1 บทนา 1-1 2-1 บทท่ี 2 การศึกษาการนาความร้อนทงิ้ กลบั มาใช้ 2-1 2.1 นยิ าม 2-1 2.2 การนาความร้อนทิ้งกลบั มาใช้ 2-2 2.2.1 ปรมิ าณความร้อนท้ิง (Heat Quantity) 2.2.2 คุณภาพ/ระดับอุณหภมู ิของความร้อนทง้ิ 2-2 (Heat Temperature/Quality) 2.2.3 พืน้ ท่แี ลกเปลี่ยนความร้อนทตี่ ้องการ 2-3 (Heat Exchanger Area Requirements) 2.2.4 ประสิทธิภาพกรผลติ ไฟฟา้ สูงสุด ตามหลักประสิทธิภาพของ 2-4 Carnot Efficiency 2-5 2.2.5 การเลือกอณุ หภูมิและวัสดทุ ่ใี ช้ 2-8 2.2.6 องค์ประกอบ (Composition) ของความร้อนทิ้ง 2-8 2.2.7 อุณหภูมติ ่าสดุ ท่ียอมรับได้ (Minimum Allowable Temperature) 2.2.8 ขนาดท่คี ุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ การเข้าถึงเทคโนโลยแี ละปจั จัยอื่นๆ 2-9 (Economic of Scale, Accessibility and Other Factor) 2-10 2.3 เทคโนโลยีการนาความร้อนท้งิ กลับมาใช้ 2-10 2.3.1 เทคโนโลยีที่ลดความรอ้ นทง้ิ 2-13 2.3.2 อุปกรณ์แลกเปลีย่ นความร้อน 2-25 2.3.3 การอุน่ ชนิ้ งาน (Load Preheating) 2.3.4 การนาความร้อนทง้ิ อุณหภูมติ า่ กลบั มาใช้ 2-27 (Low temperature Heat Exchange) 2-37 2.3.5 การผลติ ไฟฟ้า (Power generation) 2.3.6 การนาความร้อนทิง้ ใชใ้ นการปรบั อากาศ 2-47 (Waste heat Recovery for Air Conditioning)

สารบัญ สารบญั บทที่ 3 การนาความรอ้ นกลับมาใชใ้ นอุตสาหกรรมต่างประเทศ หนา้ ท่ี 3.1 อตุ สาหกรรมซีเมนต์ (Cement Manufacturing) 3.2 อุตสาหกรรมแกว้ และกระจก (Glass Manufacturing) 3-1 3.3 อุตสาหกรรมเหล็กและโลหะ (Iron and Steel Manufacturing) 3-1 3.3.1 เตาเผาที่ใชผ้ ลติ เหล็กกลา้ (Integrated Steel Mills) 3-4 3.3.2 เตาเผาแบบอาร์คไฟฟ้า (Electric Arc Furnaces) 3-6 3.3.3 ความร้อนทง้ิ จากผลติ ภณั ฑข์ องแขง็ 3-8 (Waste Heat from Solid Streams) 3-13 3.4 อุตสาหกรรมการหลอ่ โลหะ (Metal Casting) 3.4.1 การหล่ออะลมู ิเนียม 3-15 3.4.2 การหลอ่ เหล็ก 3-17 3.5 อตุ สาหกรรมอาหาร 3-18 3.5.1 แหลง่ ความรอ้ นในอุตสาหกรรมอาหารและเคร่อื งด่มื 3-19 3.5.2 ศกั ยภาพการใช้ความร้อนทง้ิ 3-20 3.5.3 เทคโนโลยีระบบความร้อนท้งิ 3-20 3-23 บทท่ี 4 แหล่งความร้อนในภาคอุตสาหกรรมและธรุ กิจของไทย 3-24 4.1 แหลง่ ความรอ้ นท้งิ ในภาคอุตสาหกรรมและธรุ กิจ 4-1 4.1.1 อตุ สาหกรรมหลอ่ โลหะ 4-1 4.1.2 อุตสาหกรรมเหลก็ 4-2 4.1.3 อตุ สาหกรรมผลติ ไฟฟ้า 4-3 4.1.4 อุตสาหกรรมปโิ ตรเคมี 4-5 4.1.5 อตุ สาหกรรมปูนซีเมนต์ 4-6 4.1.6 อตุ สาหกรรมแก้วและกระจก 4-8 4.1.7 อุตสาหกรรมเซรามิก 4-9 4.1.8 อตุ สาหกรรมส่ิงทอ 4-10 4.1.9 อตุ สาหกรรมน้าตาล 4-11 4.1.10 อุตสาหกรรมอาหาร 4-12 4.1.11 อตุ สาหกรรมกระดาษ 4-13 4.1.12 อาคารธรุ กจิ 4-14 4.2 มาตรการนาความรอ้ นท้ิงท่ดี าเนินการในประเทศไทย 4-16 4-17

สารบญั สารบัญ หน้าที่ บทท่ี 5 การวิเคราะหค์ วามคุ้มค่าของมาตรการความร้อนทิ้ง 5-1 5.1 มาตรการตดิ ตงั้ เครือ่ งอนุ่ อากาศด้วยก๊าซไอเสีย 5-3 5.2 มาตรการติดตงั้ เครอื่ งอนุ่ น้าปอ้ นหม้อไอน้า (ECONOMIZER) 5-8 5.3 มาตรการตดิ ตงั้ เครอื่ งแลกเปล่ยี นความรอ้ นจากนา้ ร้อนกับน้า 5-12 5.4 มาตรการการติดตงั้ เครือ่ งแลกเปลย่ี นความร้อนอากาศร้อนทิง้ ให้กบั นา้ 5-18 5.5 มาตรการติดตงั้ อุปกรณ์แลกเปลยี่ นความรอ้ นอากาศร้อนท้ิง 5-22 ให้กับอากาศเข้ากระบวนการผลติ 5-26 5.6 มาตรการนาความรอ้ นท้งิ จากนา้ ระบายกลับมาใช้ 5-29 5.7 มาตรการติดต้ังป๊มั ความร้อน 5-30 5.8 มาตรการผลิตไฟฟ้าจากความรอ้ นทง้ิ ดว้ ยวฏั จักร 5-35 5.9 มาตรการตดิ ตั้ง Heat Wheel 6-1 บทที่ 6 ความพรอ้ มของเทคโนโลยี 6-1 6.1 Heat Exchanger 6-3 6.2 Heat Pump 6-5 6.3 Organic Rankine Cycle (ORC) 6-6 6.4 ระบบหัวเผาไหม้ (Burner) 7-1 บทท่ี 7 เกณฑ์ท่ีเหมาะสมในอตุ สาหกรรมแตล่ ะประเภท

คูม่ ือการนาความร้อนทิง้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสริมการนาความร้อนท้งิ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย บทที่ 1 บทนา ในอุตสาหกรรมหลายประเภทในประเทศไทย มีความร้อนทิ้งอยู่ในปริมาณสูงและยังไม่มีการ นามาใช้ให้เกิดประโยชน์ ซึ่งอาจเน่ืองจากสถานประกอบการไม่ทราบข้อมูลเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่นาความ รอ้ นทงิ้ กลบั มาใชไ้ ด้ หรอื ไมส่ ามารถประเมินความคมุ้ ค่าได้ ทาใหส้ ูญเสียพลังงานทมี่ ีค่าเหลา่ นี้ไป โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ในภาคธุรกิจและ อุตสาหกรรมในประเทศไทยน้ี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีได้รับการสนับสนุนจาก สานักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) และการไฟฟ้าฝายผลิตแห่งประเทศไทย ซ่ึงมีการศึกษา มาตรการนาความร้อนทิง้ กลับมาใชใ้ นต่างประเทศและเข้าสารวจข้อมูลโรงงานในประเทศไทย โครงการได้ จัดทาคู่มือน้ีขึ้นมาเพื่อเผยแพร่ความรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ แนวทางการ วิเคราะห์ผลประหยัดพลังงาน ตลอดจนความคุ้มค่าของการปรับปรุง และเกณฑ์อุณหภูมิความร้อนทิ้งท่ี เหมาะสม เนอื้ หาคู่มอื ประกอบด้วย - เทคโนโลยีการนาความร้อนทิง้ กลับมาใช้ทีม่ ใี นปัจจบุ ัน (บทที่ 2) - ศักยภาพการนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ในอุตสาหกรรมต่างประเทศ (บทท่ี 3) และของ ประเทศไทย ตัวอย่างโรงานอุตสาหกรรมที่ดาเนินการแล้ว จากเอกสารเผยแพร่ของ กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน (พพ.) (บทท่ี 4) ความคุ้มค่าของการ ปรบั ปรุง (บทท่ี 5) - หลักเกณฑเ์ บื้องต้นในการพจิ ารณานาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ (บทท่ี 7) คณะผู้วิจัยเช่ือว่า คู่มือจะมีประโยชน์กับผู้สนใจและให้ข้อมูลเบื้องต้นสาหรับการตัดสินใจ เพ่ือปรับปุรงนาความร้อนทง้ิ กลับมาใช้ได้ หากท่านต้องการข้อมูลเพิ่มเติม หรือข้อเสนอแนะกรุณาติดต่อ : โครงการศึกษาศักยภาพและ แนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ในภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย โทร. 0 2470 8616, 0 2470 8666, 0 2470 8615 กลุม่ วจิ ยั EnConLab 1-1 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คมู่ ือการนาความรอ้ นท้ิงกลับมาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนทง้ิ กลับมาใช้ในภาคธรุ กิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย บทท่ี 2 การศึกษาการนาความร้อนท้งิ กลับมาใช้ 2.1 นิยาม ความร้อนทิ้ง หรือ Waste heat ในที่นี้หมายถึง พลังงานท่ีไหลออกไปพร้อมกับกระแสของ อากาศ ก๊าซไอเสีย ของเหลว ท่ีออกไปจากขอบเขตของอาคารหรือโรงงาน สู่ส่ิงแวดล้อม ซ่ึงพลังงาน เหลา่ นั้นในที่สุดไมไ่ ดถ้ ูกนามาใช้ประโยชน์ ตัวอย่างของความรอ้ นทง้ิ ดงั กล่าว ได้แก่ - ก๊าซไอเสียจากอุปกรณ์ทม่ี กี ารเผาไหม้ เชน่ อตุ สาหกรรม หม้อไอน้า - ก๊าซหรอื ลมร้อนจากกระบวนการผลติ - นา้ ระบายความรอ้ น - ความร้อนจากผวิ ร้อนของเครอื่ งจักร หรือผลิตภัณฑ์ แล้วถ่ายเทใหก้ ับอากาศ โดยการเผาหรือ แผร่ ังสี ความร้อนทิ้งมักแบ่งตามช่วงอุณหภูมิซึ่งจะแสดงถึงศักยภาพในการนาไปใช้งาน มาตรฐานในการ แบ่งช่วงอณุ หภูมคิ วามร้อนท้งิ คอ่ นขา้ งใกล้เคยี งกัน ในการศกึ ษานี้จะใชห้ น่วยอณุ หภมู ติ าม SI ดงั น้ี - ความรอ้ นทงิ้ อณุ หภมู ติ ่า ชว่ งอุณหภมู ิ ตา่ กวา่ 250°C - ความรอ้ นท้ิงอุณหภูมิปานกลาง ช่วงอุณหภูมิ ต้งั แต่ 250 ถึง 500°C - ความร้อนท้งิ อณุ หภูมิสูง ชว่ งอณุ หภมู ิ เกินกว่า 500°C ขณะเดียวกันการนาความร้อนทิ้งมาใช้ จาเป็นต้องมีแหล่งรับความร้อนหรือ Heat sink ซ่ึงได้แก่ กระบวนการท่ีมีการทาความร้อนที่โรงงานต้องใช้ เช่น การผลิตน้าร้อน การผลิตอากาศร้อน การให้ความ ร้อนชิน้ งาน ในที่นี้จะแบง่ แหล่งใชค้ วามรอ้ นออกเปน็ 3 ชว่ งได้แก่ - แหลง่ รับความร้อนทง้ิ อุณหภมู ิตา่ ตอ้ งการอณุ หภูมิ ตา่ กว่า 150°C - แหล่งรบั ความร้อนทิ้งอณุ หภูมปิ านกลาง ต้องการอุณหภมู ิ ในชว่ ง 150 ถงึ 250°C - แหล่งรับความร้อนทง้ิ อุณหภมู สิ งู ต้องการอุณหภูมิทเ่ี กิน 500°C 2.2 การนาความรอ้ นท้ิงกลับมาใช้ [1] ในการประเมินความเป็นไปได้ในการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ จะต้องพิจารณาตัวแปรปัจจัย ท่ี เป็นลักษณะเฉพาะของแหล่งความร้อนทิ้งและแหล่งรับความร้อนท่ีความร้อนจะถูกถ่ายเท โดยปัจจัย สาคญั ๆ ทม่ี ผี ลต่อความเป็นไปได้ในการนาความรอ้ นทิ้งกลบั มาใช้ มีดงั นี้  ปรมิ าณความรอ้ นทิ้ง (Heat quantity)  คุณภาพ/ระดบั อุณหภูมขิ องความร้อนท้ิง (Heat temperature/Quality)  องคป์ ระกอบ (Composition) ของความร้อนทง้ิ  อุณหภูมิขน้ั ตา่ สดุ ท่ยี อมรับได้ และ กลุ่มวจิ ยั EnConLab 2-1 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบุรี

คู่มอื การนาความรอ้ นทิ้งกลบั มาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนท้ิงกลบั มาใช้ในภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย  ชั่วโมงการทางาน (Operating Schedule) ความพร้อม (availability) และระบบการ ขนส่งจา่ ยความรอ้ น (Logistics) ปัจจัยต่างๆ นี้ใช้การวิเคราะห์หาปริมาณและคุณภาพของความร้อนท้ิง และใช้ในการวิเคราะห์ ความเหมาะสมเป็นไปได้ของวัสดุท่ีนามาใช้ และข้อจากัดในการออกแบบ ตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนของ สารตัวอย่างในการถ่ายเทความร้อน เป็นส่ิงที่ควรนามาพิจารณาประกอบในการนาความร้อนท้ิงกลับมา ใชง้ าน แมว้ ่าความรอ้ นท้ิงนัน้ จะมปี ริมาณและคณุ ภาพท่ยี อมรบั ได้ โดยหลักในการพิจารณาปจั จัยทมี่ ีผลต่อ ความเปน็ ไปไดใ้ นการนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใชป้ ระโยชน์ ดงั นี้ 2.2.1 ปริมาณความร้อนทง้ิ (Heat Quantity) เป็นการวัดปริมาณของพลังงานในความร้อนท้ิง ที่สามารถนามาใช้ประโยชน์ได้ โดยปริมาณ ความร้อนทงิ้ จะข้นึ อยู่กับทัง้ อุณหภมู แิ ละอตั ราการไหลเชงิ มวลของแหลง่ ความร้อนทิ้ง ดังสมการ E = m h(t) เมือ่ E เป็นพลังงานความร้อนท้งิ ทีส่ ญู เสยี ในหนว่ ย MJ/ชม. m เปน็ อตั ราการไหลเชิงมวลของแหล่งความร้อนทิง้ ในหน่วย kg/ชม. h(t) เป็นคา่ เอนทลั ปจี าเพาะของความร้อนท้ิง ในหนว่ ย MJ/kg ซ่ึงจะมคี า่ ขึน้ อยกู่ บั ระดับ อณุ หภมู ิ 2.2.2 คณุ ภาพ/ระดับอุณหภมู ขิ องความร้อนท้ิง (Heat temperature/Quality) อุณหภูมิของความร้อนทิ้ง เป็นปัจจัยท่ีสาคัญต่อความเป็นไปได้ในการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ ประโยชน์อณุ หภมู ิของความร้อนทิง้ สามารถมไี ด้หลากหลายระดับ เชน่ นา้ ระบายความรอ้ นมีได้ต้ังแต่ช่วง อุณหภูมิประมาณ 40-90oC หรืออุณหภูมิเตาหลอมแก้ว มีอุณหภูมิท่ีสูงกว่า 1,320oC เพ่ือท่ีจะพิจารณา หาศกั ยภาพทีเ่ ป็นไปได้ของความร้อนท้งิ จาเป็นท่ีจะต้องมีอณุ หภูมขิ องแหลง่ ความร้อนทิ้ง (Heat source) ท่ีสูงกว่าอุณหภูมิที่ต้องการของแหล่งรับความร้อนทิ้ง (Heat sink) น้ันไปใช้งาน นอกจากน้ัน ปัจจัยสาคญั ท่ีควรต้องพิจารณาด้วย คือ ความแตกต่างของระดับอุณหภูมิระหว่างแหล่งให้ (Heat Source) และ แหล่งรับ (Heat Sink) หรือท่ีเรียกว่า ระดับคุณภาพ “Quality” ของความร้อนทิ้ง โดยท่ีความแตกต่าง ของอณุ หภูมแิ หลง่ ใหแ้ ละแหลง่ รับจะมผี ลตอ่ 1 อัตราความร้อนทถ่ี า่ ยเทต่อหนว่ ยพื้นท่แี ลกเปล่ียนความร้อน 2 ประสิทธิภาพสงู สุดเชิงทฤษฏีของการถ่ายเท/เปล่ียนรูปของพลังงานความร้อนจากแหลง่ ให้ไปสู่ แหลง่ รบั (เชน่ การเปลยี่ นรูปพลงั งานเชงิ กล หรอื การเปลี่ยนรูปพลังงานเชิงไฟฟา้ ) และ 3 ช่วงของอุณหภูมิที่แตกต่างกันมีผลต่อการเลือกวัสดุและการออกแบบอุปกรณ์นาความร้อนทิ้ง กลับมาใช้ประโยชน์ ทั้งน้ี ในการศึกษาน้ีได้แบ่งช่วงโอกาสของศักยภาพการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ออกเป็น 3 ช่วง ตามช่วงของอุณหภมู ิ ออกเป็น ระดบั ต่า ระดบั ปานกลาง และระดับสูง กลมุ่ วจิ ัย EnConLab 2-2 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี

คมู่ อื การนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนท้งิ กลับมาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย โดยตารางท่ี 2-1 ได้แสดงตัวอย่างของแหล่งความร้อนท้ิงท่ีอุณหภมู ิในช่วงระดับต่า-ปานกลาง-สงู ตลอดจนรูปแบบการนาไปใช้ประโยชน์ เทคโนโลยที น่ี าไปใช้ และปญั หาอุปสรรค 2.2.3 พ้ืนทแ่ี ลกเปลีย่ นความร้อนที่ต้องการ (Heat Exchanger Area Requirements) อุณหภูมิของความร้อนทิ้ง เป็นปัจจัยมีผลต่ออัตราการถ่ายเทความร้อนระหว่างแหล่งให้ ความรอ้ นและแหลง่ รับความร้อน ซงึ่ มีผลต่อศักยภาพความเปน็ ไปได้ในการนาเทคโนโลยีไปใชง้ าน สมการ การถ่ายเทความรอ้ นสามารถแสดงได้ดังสมการ Q = UA T เมื่อ Q เป็นอัตราการถา่ ยเทความรอ้ น ในหนว่ ย วตั ต์ (W) หรือ Btu/วนิ าที U เป็นสัมประสิทธก์ิ ารถา่ ยเทความร้อน (Heat transfer coefficient) ในหน่วย W/m2.K A เป็นพ้ืนที่ผวิ ทใี่ ช้ในการแลกเปลย่ี นความร้อน ในหนว่ ยตารางเมตร (m2) T เป็นความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งให้ความร้อน (สายร้อน) และแหล่งรับ (สายเย็น) ทั้งน้ี จากสมการ จะเห็นว่าปริมาณความร้อนท่ีถ่ายเทเป็นฟังก์ช่ันท่ีขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธ์ิ การถ่ายเทความร้อนของวัสดุ (U) พ้ืนที่ผิวที่ใช้ในการแลกเปล่ียนความร้อน (A) และค่า T ความแตกตา่ ง ของอุณหภูมิระหว่างแหล่งให้ความร้อน (สายร้อน) และแหล่งรับ (สายเย็น) ดังน้ัน หากค่าความแตกต่างของ อุณหภูมิท้ังสองสายมีค่าน้อยๆ ย่อมต้องการพ้ืนท่ีผิวในการแลกเปลี่ยนถ่ายเทความร้อนในปริมาณที่มากขึ้น ดงั แสดงไดด้ งั กราฟรปู ท่ี 2-1 รูปท่ี 2-1 แสดงอิทธพิ ลของความแตกตา่ งของอุณหภมู ขิ องแหล่งให้และแหล่งรับความร้อนที่มีผลต่อพืน้ ที่ ผวิ ทีต่ ้องการในการแลกเปล่ียนความร้อน กลุ่มวิจัย EnConLab 2-3 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คู่มอื การนาความรอ้ นท้ิงกลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนท้ิงกลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 2.2.4 ประสิทธภิ าพการผลิตไฟฟ้าสงู สดุ ตามหลกั ประสทิ ธภิ าพของ Carnot Efficiency แหล่งให้ความร้อนที่ระดบั อุณหภมู ิแตกต่างกนั จะมีขอ้ จากดั ในเชิงประสิทธภิ าพทางทฤษฏีในการ ผลิตไฟฟ้าท่ีแตกต่างกัน โดยประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฏีท่ีระดับอุณหภูมิต่างๆ ดังแสดงได้ดังสมการ ประสิทธิภาพ Carnot Efficiency ซ่ึงแสดงถึงประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ท่ีระดับ อุณหภูมติ า่ งๆ ประสทิ ธิภาพ Carnot จะเพ่มิ ขึน้ เมอื่ อณุ หภูมิสูงขึน้ และจะตกลงอยา่ งเห็นไดช้ ดั สาหรับช่วง อณุ หภูมิต่าๆ ดงั แสดงในรปู ท่ี 2-2  = 1- TL TH เมือ่ TH เป็นอณุ หภูมขิ องแหล่งให้ความร้อนท้ิง TL เปน็ อุณหภมู ิของแหลง่ รบั ความร้อน เน่ืองจากอุณหภูมขิ องความร้อนทิ้งมผี ลกระทบต่อความเปน็ ไปได้ในการนาความร้อนทิง้ กลบั มาใช้ จงึ จาเป็นตอ้ งมีการประเมินโอกาสของศักยภาพความร้อนทิ้งโดยการพิจารณาทั้งจากปริมาณความร้อนทิ้ง และคุณภาพของความร้อนท้ิงด้วย ในการวิเคราะห์ศักยภาพท่ีระดับอุณหภูมิต่างๆ จะหาในเชิงศักยภาพ ของงานท่ีทา (work potential) ซ่ึงจะแสดงงานสูงสุดท่ีสามารถดึงออกมาได้จากความร้อนทิ้งท่ีมี ดงั สมการ WP = E = (1- To) E TH เม่อื E เปน็ ความร้อนทงิ้ ท่ีสญู เสียไปในบรรยากาศ  เป็นประสิทธิภาพ Carnot Efficiency TH เป็นอณุ หภมู ิของแหลง่ ให้ความร้อนท้ิง To เป็นอุณหภูมขิ องบรรยากาศ ที่ 25oC กลุ่มวิจยั EnConLab 2-4 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี

คู่มือการนาความรอ้ นท้ิงกลับมาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลบั มาใช้ในภาคธรุ กิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย รูปที่ 2-2 แสดงความแตกต่างของประสิทธภิ าพการผลิตไฟฟ้า Carnot Efficiency ท่ีขึน้ อยู่กบั อุณหภูมิต่างๆ 2.2.5 การเลอื กอุณหภมู ิและวสั ดุทีใ่ ช้ อุณหภูมิของความร้อนท้ิงมีผลต่อการเลือกใช้วัสดุของอุปกรณ์แลกเปล่ียนความร้อนและระบบ นาความร้อนกลับ ปฏิกิริยาเคมีที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดช่ัน จะเกิดข้ึนเร็วขึ้นเม่ือ อุณหภูมิเพิ่มข้ึน ถ้าแหล่งความร้อนท้ิงประกอบไปด้วยสารท่ีมีการกัดกร่อน พื้นที่ผิวแลกเปลี่ยนความรอ้ น ของวสั ดุจะเกดิ ความเสียหายได้อยา่ งรวดเรว็ นอกจากน้ี เหล็กหลอ่ (Carbon steel) จะเกิดการออกซิไดซ์ ท่ีอุณหภูมิสูงกว่า 425oC สาหรับแสตนเลส จะเกิดที่อุณหภูมิสูงกว่า 650oC ดังนั้น ควรใช้วัสดุเป็นวัสดุ พิเศษจาพวกอัลลอยด์ หรือโลหะอัลลอยด์ประกอบผสมสาหรับการใช้งานท่ีอุณหภูมิสูงๆ โดยปกติวัสดุ จาพวกโลหะมักจะไม่ใช้งานที่ระดับอุณหภูมิสูงกว่า 871oC ทางเลือกอื่นๆ รวมถึงการผสมอากาศเจือจาง เขา้ ไปในก๊าซไอเสยี เพื่อลดอุณหภมู ิไอเสยี หรือการใช้วสั ดุเซรามิคท่สี ามารถทนทานต่ออุณหภูมิสงู ได้ดีกว่า สาหรับในกรณีการผสมอากาศเจือจางเข้าไปในไอเสีย ปริมาณของความร้อนจากแหล่งความร้อนทิ้งจะไม่ เปลยี่ นแปลงแตค่ ุณภาพของความร้อนทงิ้ ท่ีได้จะลดลง อันเน่ืองจากอณุ หภมู คิ วามร้อนท้ิงทล่ี ดลง กลุม่ วิจัย EnConLab 2-5 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

โครงการศกึ ษา ตารางที่ 2-1 แสดงประเภทของแหลง่ ความรอ้ นทิ้งแยกตามระดับอณุ หภมู ิและโอกาสใ ชว่ ง ตัวอย่างแหลง่ ความร้อนทง้ิ อณุ หภมู ิ (oC) ขอ้ ดี / ประโ อณุ หภูมิ เตาหลอมบริสทุ ธนิ์ กิ เกิ้ล 1,370-1,650 ความรอ้ นท้ิงคุณ ระดับสูง เตาหลอมเหล็กแบบเตาอาร์ค 1,370-1,650 สามารถนาไปใชก้ อุณหภูมิ ไฟฟา้ >1,200oF เตาหลอมแบบเบสคิ ออกซเิ จน รบั ปลายทางได้ [>650oC] เตา reverberatory อลมู เิ นยี ม 1,200 หลากหลายการใ เตาหลอมบริสทุ ธท์ิ องแดง 1,100-1,200 หลายชว่ งอุณหภ เตาเผาอุ่นให้ความรอ้ น 760-820 เหลก็ กลา้ 930-1,040 เตา reverberatory ทองแดง โรงงานไฮโดรเจน 900-1,090 มกี ารผลิตไฟฟา้ ท เตาเผาขยะแบบมีควัน 650-980 ประสิทธิภาพสงู ไ เตาหลอมแกว้ 650-1,430 เตาเผาถ่านโคก้ (Coke Oven) 1,300-1,540 มีอตั ราการถ่ายเท เตาหลอมเหล็กแบบควิ โพลา 650-1,000 รอ้ นสูงต่อหนว่ ยพ 820-980 ปานกลาง กา๊ ซไอเสียหม้อไอน้า 230-480 มคี วามเข้ากนั ได้ง 450-1200oF ไอเสยี จากกงั หนั ก๊าซ 370-540 วสั ดุทใ่ี ชท้ าอุปกร [230-650oC] ไอเสียจากเคร่ืองยนต์ลกู สูบ 320-590 แลกเปลี่ยนความ กลมุ่ วจิ ยั EnConLab มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี

คู่มือการนาความรอ้ นท้งิ กลบั มาใช้ าศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนทง้ิ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย ในการนาความรอ้ นทิง้ กลับมาใช้ โยชน์ ข้อเสยี / อุปสรรค วิธกี ารนาความรอ้ นทงิ้ กลบั / เทคโนโลยี ณภาพสูง อณุ หภมู สิ ูงทาใหเ้ กดิ กับแหลง่ ความเครียดจากอุณหภมู ิ อุ่นอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้ ความรอ้ น (Thermal ใชง้ านใน Stress) ในวสั ดุของ ผลิตไอนา้ สาหรับใช้ในกระบวนการทา ภมู ิ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความ ความร้อนสาหรับงานกลหรือไฟฟา้ รอ้ น ทม่ี ี เพม่ิ การเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมี การอุ่นช้ินงานก่อนเข้าเตาเผา ได้ ในการเกิดการกัดกร่อน ใชถ้ า่ ยเทความร้อนไปยงั กระบวนการท่ี ทความ ใชอ้ ณุ หภูมปิ านกลาง-ตา่ พนื้ ท่ี ง่ายกับ อุน่ อากาศทใ่ี ช้ในการเผาไหม้ รณ์ การผลติ ไฟฟ้าจากไอน้า มร้อน การผลติ ไฟฟ้าจากระบบ ORC 2-6

โครงการศึกษา ชว่ ง ตวั อยา่ งแหลง่ ความร้อนทิง้ อณุ หภูมิ (oC) ขอ้ ดี / ประโ อุณหภูมิ ไอเสยี ท่ีออกจากระบบนากลับ 70-230 ความร้อนทิ้งอุณ ระดบั ต่า ในหมอ้ ไอน้าแบบเผาไหมด้ ว้ ย ปรมิ าณมาก ที่มีใ อณุ หภมู ิ ก๊าซของเตาเผาเอทธลิ ีน 50-90 กระบวนการต่าง <450oF ท่มี ีหลากหลาย [<230oC] คอนเดนเสทของกระบวนการใช้ 30-50 ไอนา้ 70-230 30-50 นา้ ระบายความร้อนจาก 70-120 Furnace door ประตูเตาเผา Annealing furnace เตาอบ เคร่ืองอัดอากาศ เครอ่ื งยนต์สันดาปภายใน คอนเดนเซอร์ระบบปรับ 30-40 อากาศและทาความเยน็ 90-230 เตา Drying, baking and 30-230 curing oven ของแข็ง/ของเหลวจาก กระบวนการผลติ กลมุ่ วิจยั EnConLab มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบรุ ี

คู่มอื การนาความรอ้ นทิ้งกลับมาใช้ าศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสริมการนาความรอ้ นทิ้งกลับมาใชใ้ นภาคธรุ กิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย โยชน์ ขอ้ เสีย / อุปสรรค วิธกี ารนาความรอ้ นทง้ิ กลับ/ เทคโนโลยี ณหภมู ิตา่ มี มีการใชง้ านท่ตี ้องการความ ใน รอ้ นอุณหภมู ติ ่าน้อย การใหค้ วามร้อนแกพ่ ืน้ ทีใ่ ช้งาน งๆ ประสิทธภิ าพของการผลิต การทาน้าร้อนใชใ้ น ไฟฟ้าต่า กระบวนการ สาหรบั ก๊าซไอเสยี จากการ การเพ่ิมระดบั upgrading ความร้อนท้ิง เผาไหม้ ความรอ้ นทิ้งที่ ดว้ ยการใช้ฮีตปั๊ม เพื่อเพ่ิมอุณหภูมิให้ นากลบั มีอุณหภมู ติ า่ เหมาะสมกบั การใชง้ านของแหลง่ รับ ในทางปฏบิ ัตเิ กิดการกล่ัน ตวั เป็นสภาพกรดทีท่ าให้ Organic Rankine Cycle เกิดการกดั กร่อนอุปกรณ์ แลกเปล่ียนความร้อน 2-7

คูม่ ือการนาความรอ้ นทงิ้ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนท้ิงกลับมาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 2.2.6 องค์ประกอบ (Composition) ของความรอ้ นท้งิ องค์ประกอบและสถานะของแหล่งความร้อนทิ้ง จะมีผลต่อค่าการนาความร้อนและพิกัดความจุ ของความร้อน ซ่งึ จะมอี ทิ ธิพลต่อประสิทธภิ าพของชุดแลกเปล่ียนความร้อน และจะส่งผลต่อการออกแบบ ชุดแลกเปลยี่ นความร้อน ข้อจากดั ในการเลอื กใชว้ สั ดุ และตน้ ทุนค่าใชจ้ ่าย ท้ังนี้ อัตราการถ่ายเทความร้อนในเคร่ืองแลกเปล่ียนความร้อน จะข้ึนอยู่กับองค์ประกอบและ สถานะของแหล่งความร้อนท้ิง และมอี ทิ ธิพลต่อการสะสมของตะกรันในชุดแลกเปลี่ยนความร้อน ของไหล ท่หี นาแน่นสงู จะมีค่าสัมประสิทธิ์การถา่ ยเทความร้อนสูง ซึ่งจะทาให้ได้อัตราการถ่ายเทความร้อนท่ีสูงกว่า ตอ่ หนว่ ยพน้ื ที่ ทีร่ ะดับอณุ หภมู อิ า้ งองิ ตวั อย่างดังแสดงในตารางท่ี 2-2 ตารางท่ี 2-2 ตัวอยา่ งชว่ งของค่าสมั ประสทิ ธิก์ ารถา่ ยเทความร้อน สาหรับการถ่ายเทความร้อนสัมผสั (Sensible Heat) ในอุปกรณ์แลกเปล่ยี นความร้อนแบบท่อ สภาวะของของไหล คา่ สมั ประสทิ ธ์กิ ารถา่ ยเทความร้อน( W/(m2.oK) ) นา้ ในสถานะของเหลว 5 x 103 ถึง 1 x 104 สารอินทรีย์เจือจาง ในสถานะของเหลว 1.5 x 103 ถงึ 2 x 104 ก๊าซ ที่ความดัน 1,000 kPa 2.5 x 103 ถงึ 4 x 104 ก๊าซ ทีค่ วามดัน 100-200 kPa 8 x 103 ถงึ 1.2 x 104 ปัจจัยอ่ืนท่ีใช้ในการพิจารณา คือการทาปฏิกิริยาระหว่างกันของสารเคมีในสายของแหล่งความ ร้อนท้ิงและวัสดุท่ีใช้ชุดแลกเปล่ียนความร้อน การเกิดตะกรันเป็นปัญหาท่ีพบได้ท่ัวไปในอุปกรณ์ แลกเปล่ียนความร้อน และเป็นส่ิงท่ีจะลดประสิทธิภาพการแลกเปล่ียนความร้อนและเป็นสาเหตุท่ีทาให้ ระบบล้มเหลว การสะสมของตะกรันที่เกาะพ้ืนท่ีผิวแลกเปล่ียนความร้อนจะลดอัตราการถ่ายเท ความร้อน และขัดขวางการไหลของสารทางาน รวมถึงทาให้ประสิทธิภาพของชุดแลกเปล่ียนความร้อน เสื่อมดว้ ยหากไม่มีการใชง้ านนานๆ วิธกี ารท่ีใช้ในการแก้ปญั หาตะกรันสามารถทาไดห้ ลากหลาย ตง้ั แต่การ กรองแยกเอาสารปนเป้ือน การสร้างอุปกรณ์ชุดแลกเปล่ียนความร้อนด้วยวัสดุพิเศษ การเพ่ิมพื้นที่ผิวใน การแลกเปลี่ยนความร้อน และการออกแบบให้ชุดแลกเปลี่ยนความร้อนง่ายต่อการเข้าถึงและทาความ สะอาด แม้กระนน้ั ปญั หาของตะกรันก็ยังเป็นปัญหาทีท้าทายต่อเทคโนโลยีด้านความร้อน ยังเป็นปัญหาท่ี ยังไม่สามารถแก้ไขได้หมด การวิจัยส่วนใหญ่จะเป็นการพัฒนาระบบวิธีการทาความสะอาดให้สะดวกง่าย มากกว่าวธิ กี ารท่ีจะป้องกนั การเกิดตะกรัน 2.2.7 อุณหภูมติ ่าสุดทย่ี อมรับได้ (Minimum Allowable Temperature) อณุ หภูมติ า่ สดุ ที่ยอมรบั ได้สาหรับแหล่งความร้อนทิ้ง มักจะมคี วามสัมพันธ์กับปัญหาการกัดกร่อน ของวัสดุท่ีใช้ทาอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน การเผาไหม้ซ่ึงข้ึนอยู่กับเชื้อเพลิงที่ใช้ จะมีส่วนสัมพันธ์กับ องค์ประกอบที่มีอยู่ในก๊าซไอเสีย มีผลต่อความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้า ก๊าซไนโตรเจน ออกไซด์ (NOx) ก๊าซซัลเฟอร์ออกไซด์ (SOx) สารอินทรีย์ท่ีไม่ออกซิไดซ์ และแร่ธาตุต่างๆ ถ้าก๊าซไอเสียถูก กลุ่มวจิ ัย EnConLab 2-8 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

คมู่ อื การนาความร้อนท้งิ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนทง้ิ กลบั มาใช้ในภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย ทาให้เย็นลงต่ากว่าอุณหภูมิจุดน้าค้าง ไอน้าในก๊าซไอเสียจะกล่ันตัวและเกิดเป็นสารกัดกร่อนบนพ้ืนท่ีผิว แลกเปลี่ยนความร้อน สาหรับอุปกรณ์แลกเปลีย่ นความร้อนท่ีถูกออกแบบจากวสั ดุราคาถูก จะง่ายต่อการ เกิดความเสียหายอันเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ดังนั้น โดยท่ัวไปอุปกรณ์แลกเปล่ียนความร้อนจะ ถูกออกแบบให้รักษาอุณหภูมิก๊าซไอเสียที่ปล่อยออกท่ีระดับอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้าค้าง อุณหภูมิต่าสุดที่ ยอมรบั ได้สาหรับการป้องกนั การกัดกร่อนขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเช้ือเพลิง ตวั อย่างเชน่ ก๊าซไอเสยี จาก เช้ือเพลิงก๊าซธรรมชาติ อาจจะถูกทาให้เย็นตัวลงที่อุณหภูมิต่าประมาณ 120oC ได้ ในขณะท่ีก๊าซไอเสีย จากการเผาไหม้เช้ือเพลิงถ่านหินหรือน้ามันปิโตรเลียม ซ่ึงมีปริมาณซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบท่ีมากกว่า อาจจะถูกจากัดอยู่ท่ีอุณหภูมิประมาณ 150oC ถึง ประมาณ 175oC ทั้งน้ี อุณหภูมิต่าสุดอาจจะถูกจากัด ด้วยเง่ือนไขของกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีที่มีอยู่ในก๊าซไอเสีย ตัวอย่างเช่น สารซัลเฟต ในก๊าซไอเสยี จากเตาหลอมของกระบวนการหลอมแกว้ จะเกดิ การสะสมท่ีพนื้ ผวิ แลกเปล่ยี นความร้อนได้ท่ี อุณหภูมติ ่ากว่าประมาณ 270oC วิธีการท่มี กั พบใช้งานทั่วไปในการป้องกนั การกัดกร่อนขององค์ประกอบสารเคมี คือการออกแบบ ให้ชุดแลกเปล่ียนความร้อนมีอุณหภมู ิท่ีปล่อยออกท่ีเหนือกว่าอุณหภูมิจุดน้าคา้ ง อยา่ งไรก็ตาม มีบางกรณี ท่ีชุดอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมีการใช้วัสดุอัลลอยด์และสารประกอบพิเศษ เพ่ือนาความร้อนท้ิงที่ อุณหภูมิต่ากลับมาใช้งาน ระบบแบบนี้ พบมีการใช้งานในเชิงพาณิชย์ไม่มากนัก เนื่องจากเงินลงทุนราคา วัสดุท่ีสูง ต้องการพ้ืนท่ีผิวในการแลกเปล่ียนความร้อนที่มาก และขาดซ่ึงจุดใช้งานปลายทาง End-Use ที่ จะนาความรอ้ นทิ้งอณุ หภูมติ า่ ทีไ่ ด้นากลับไปใช้งาน 2.2.8 ขนาดที่คุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ การเข้าถึงเทคโนโลยี และปัจจัยอ่ืนๆ (Economic of Scale, Accessibility and Other Factor) ปัจจยั อนื่ ๆ ท่ีสามารถนามาพิจารณาความเป็นไปได้ในการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ ตัวอย่างเช่น โรงงานหรือกระบวนการผลิตท่ีมีขนาดเล็ก มักมีแนวโน้มท่ีไม่ลงทุนติดตั้งอุปกรณ์นาความร้อนทิ้งกลับ เนื่องจากอาจไม่มีความพร้อมเรื่องเงินลงทุนท่ีเพียงพอ และเพราะต้องใช้ระยะเวลาคืนทุนที่ยาวนาน นอกจากนี้ ชั่วโมงการใช้งาน ก็ควรเป็นส่ิงที่ต้องคานึงถึง ถ้าแหล่งความร้อนท้ิงมีความเป็นไปได้ที่จะมี ข้อจากัดด้านเวลาในแต่ละวัน อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนอาจจะมีช่วงอุณหภูมิท่ีสูงมากและต่ามากได้ ในกรณีนี้ จะต้องมั่นใจว่าวัสดุที่ใช้ทาอุปกรณ์แลกเปล่ียนความร้อน จะสามารถทนทานต่อวงจรการ เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แตกต่างน้ีได้ นอกจากน้ี ส่ิงสาคัญคือ ชั่วโมงการทางานของแหล่งให้ความร้อนท้ิง จะต้องมีความสอดคล้องกับช่วงเวลาของความต้องการโหลดของแหล่งรับความร้อน ปัจจัยอื่นที่ควร พจิ ารณาคือ ความงา่ ยต่อการเข้าถึงของแหล่งให้ความร้อน ขอ้ จากัดดา้ นการจดั วางอปุ กรณ์ในโรงงานมีผล ต่อความยากง่ายในการเข้าถึงแหล่งให้ความร้อนทิ้ง หรือข้อจากัดในการขนส่งความร้อน โดยท่ัวไป แหล่ง ความร้อนทิ้งท่ีเป็นของเหลวในกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมมักพบว่ามีการนากลับมาใช้ เนื่องจาก เพราะง่ายต่อการขนส่ง ระบบท่อง่ายต่อการดึงเอาพลังงานออกมาและง่ายต่อการขนส่งผ่านท่อไปยัง อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ในทางกลับกัน แหล่งความร้อนท้ิงที่เป็นของแข็ง เช่น เศษก้อนขี้โลหะ (ingot) เศษโลหะจากการหลอ่ หรือเศษปนู เมด็ แม้ว่าจะมีปริมาณพลังงานท่มี ากเพยี งพอทจี่ ะนากลบั มาใช้ แต่พลังงานเหล่าน้ันไม่สามารถเข้าถึงและนากลับหรือขนส่งมายังอุปกรณ์แลกเปล่ียนความร้อนได้ง่าย ผลคือ การนาความร้อนท้ิงกลับสาหรับแหล่งความร้อนทิ้งท่ีเป็นของแข็ง ยังไม่เป็นท่ีนิยมปฏิบัติกันอย่าง แพรห่ ลาย กลุ่มวจิ ยั EnConLab 2-9 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คู่มอื การนาความร้อนท้งิ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความรอ้ นท้งิ กลบั มาใช้ในภาคธุรกจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 2.3 เทคโนโลยีการนาความรอ้ นท้ิงกลับมาใช้ ในการศึกษานี้ได้แบ่งเทคโนโลยีการนาความร้อนท้ิงกลบั มาใชใ้ น 6 กลมุ่ ได้แก่ 1. เทคโนโลยลี ดความรอ้ น 2. อุปกรณ์แลกเปล่ยี นความร้อนหรอื สะสมความร้อน (Heat Exchanger or Storage) 3. การอุน่ ช้ินงาน (Load Preheating) 4. การใชค้ วามร้อนทิ้งอุณหภูมติ ่า (Low temperature Waste heat) 5. การผลติ ไฟฟา้ (Power generation) 6. การใช้ความร้อนท้ิงในการปรับอากาศ (Waste heat for Air con) Waste heat Recovery technology Waste heat Load Low temp Power Reduction Preheating waste heat generation Heat Waste heat exchanger For A/C รูปท่ี 2-3 กลุ่มเทคโนโลยใี นการนาความรอ้ นทงิ้ กลับมาใช้ 2.3.1 เทคโนโลยที ่ลี ดความร้อนทง้ิ หลักการทางาน ความร้อนทิ้งที่เกิดข้ึน ถ้าจาแนกเป็นกลุ่มใหญ่ๆ จะได้ 2 กลุ่ม คือ กลุ่มท่ีเป็นไอเสียจากการ เผาไหม้ ความร้อนท้ิงท่ีไปกับไอเสียขึ้นกับปริมาณก๊าซไอเสีย และอุณหภูมิไอเสียท่ีปล่อยทิ้ง เทคโนโลยีใน กลุ่มน้ีได้แก่ การปรับปรุงหัวเผาไหม้ให้มีก๊าซไอเสียลดลง อุณหภูมิต่า หรือปรับปรุงกระบวนการใช้ให้ อุณหภูมิต่าลง ความร้อนท้ิงก็จะลดลงอย่างมาก เทคโนโลยีท่ีน่าสนใจ ได้แก่ การใช้หัวเผา Oxy Burner เป็นต้น ความร้อนท้ิงอีกกลุ่ม คือ ความร้อนท้ิงจากกระบวนการ ซึ่งหากสามารถปรับเปล่ียนกระบวนการ ให้ไมต่ ้องใชค้ วามร้อน หรือ อณุ หภูมใิ ช้งานลดลง ความรอ้ นสญู เสยี จากกระบวนการผลิตจะลดลง ตวั อย่าง ของเทคโนโลยีการลดความรอ้ นท้งิ ไดแ้ ก่ กลุ่มวิจัย EnConLab 2-10 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

ค่มู ือการนาความร้อนทง้ิ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสริมการนาความร้อนทิ้งกลบั มาใช้ในภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย 1. การใชห้ ัวเผาแบบ Oxy-fuel [2] หลักการของการเผาไหม้แบบใช้ออกซิเจนท้ังหมด หรือเพ่ิมสัดส่วนออกซิเจนข้ึนแทนท่ีจะใช้ อากาศปกติ เน่ืองจากไนโตรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบในอากาศถึงร้อยละ 70 ปกติจะเป็นภาระในการทา ความรอ้ น และทาใหอ้ ุณหภูมิเปลวจากการเผาไหมล้ ดลง และใช้เช้ือเพลิงมากขน้ึ รูปที่ 2-4 หวั เผาแบบ Oxy fuel Burnner [3] ในระยะแรกหัวเผาแบบ Oxy-fuel แพร่หลายในงานเชื่อมประสาน งานตัด แต่ปัจจุบันมี การพัฒนาสาหรับหัวเผาท่ีใชใ้ นอุตสาหกรรม โรงไฟฟ้า และแพร่หลายในอุตสาหกรรมโลหะ อุตสาหกรรม หลอมแก้วและกระจก ในอุตสาหกรรมแก้วและกระจกมีการใช้งานหัวเผาแบบ Oxy-burner ต้ังแต่ปี ค.ศ. 1990 เน่ืองจากเตาหลอมกระจกใช้อุณหภูมิสูงถึง 16°C ซึ่งการจะทาอุณหภูมิเปลวให้ถึงอุณหภูมิดังกล่าว ต้องมีลมเข้าเผาไหม้อุณหภูมิสูง โดยการใช้อิฐ Regenerative เก็บความร้อนจากไอเสียและปล่อยให้ อากาศเขา้ เผาไหม้ ซง่ึ หัวเผา Oxy-fuel สามารถทาอณุ หภมู ดิ ังกลา่ วไดโ้ ดยไมต่ อ้ งใชร้ ีเจนเนอรเ์ รเตอร์ ขอ้ ดีของหวั เผา Oxy-fuel o ก๊าซไอเสยี ลดลงทัง้ ปริมาณและมวลถงึ รอ้ ยละ 75 o ความร้อนท้งิ ในก๊าซไอเสียลดลง o อุปกรณบ์ าบดั ก๊าซไอเสยี ลดขนาดลง o ก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้สามารถนากลบั มาใช้ใหม่ โดยใช้พาเช้ือเพลิงเข้าห้องเผาไหม้ ซ่ึงจะลด ความร้อนสูญเสีย o สารมลพิษในก๊าซไอเสยี จะกาจดั ง่ายเนื่องจากความเข้มขน้ จะสงู o ลดการเกดิ No������ เน่ืองจากไนโตรเจน มสี ัดส่วนลดลงอยา่ งมาก o การแยกหรือกาจดั Co2 ทาได้งา่ ย การใช้งานหัวเผาแบบท่ีใช้ออกซิเจน มีหลายแบบท้ังแบบที่เพิ่มออกซิเจนในอากาศเข้าเผาไหม้ (Oxygen-Enrich) หรือ Full Oxy Combustion การ Oxy-Burner แสดงดงั รูป กล่มุ วิจยั EnConLab 2-11 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คู่มอื การนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนทิ้งกลับมาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย รูปที่ 2-5 หัวเผาท่ีมีการป้อนออกซิเจนแบบต่าง ๆ หัวเผาแบบ Oxy fuel มีราคาสูงกว่าหัวเผาปกติ และต้องมีการผลิตออกซิเจน ซึ่งในการแยก ออกซิเจนออกจากอากาศใชพ้ ลังงาน การใช้ Catalytic Oxidizer ในการควบคุมมลภาวะ [4] ในกระบวนการผลติ หลายอุตสาหกรรมที่มกี ๊าซไอเสียที่เป็นอนั ตราย หรอื มผี ลต่อสิง่ แวดล้อม จะมี การกาจัดก๊าซเหล่านี้ด้วย Oxidizer burner เผาก๊าซเหล่านี้ขึ้นไปให้สูงกว่า 800°C วิธีการนี้เป็นแบบ Thermal oxidizer จะทาให้ไอระเหยที่เป็นสารประกอบอินทรีย์ (Volatile Organic Compounds : VoCs) เปลี่ยนเป็นก๊าซท่ีไม่มีอันตราย เช่น ไอน้า คาร์บอนไดออกไซด์ ซ่ึงผลก็จะทาให้มีความร้อนทิ้งไป ค่อนขา้ งมาก การนาความรอ้ นทิ้งกลับมาใช้ในกรณี Thermal Oxidizer ทาได้โดยติดต้งั เคร่ืองแลกเปล่ียน ความร้อน แบบ Recouperative ซ่ึงจะดึงความร้อนกลับมาได้ถึง 80% หรือแบบ Regenerative ซ่ึงจะมี ประสทิ ธภิ าพถงึ ร้อยละ 95 อีกแนวทางหนึ่งเป็นการใช้ Catalytic Oxidizer ซ่ึงสารเร่งปฏิกิริยาหรือ Catalyst จะช่วยลด อุณหภูมิที่เผาทาลายไอระเหยจาก 800°C ลงมาท่ี 45°C ซึ่งจะสามารถมีประสิทธิภาพสูงกว่าแบบ Thermal Oxidizer 20-30% นอกจากนี้ยังมีวิธีการอ่ืนเช่น การกาจัดสารที่ก่อมลพิษในก๊าซไอเสีย เช่น การสเปรย์ของเหลวไปในก๊าซไอเสีย หรือใช้ ตัวกรอง (filter) ซึ่งจะทาให้ไม่ต้องใช้การเผาไหม้เพื่อกาจัด หรือ ลดการเผาไหมล้ ง อย่างไรก็ตามวิธีการนจ้ี ะข้นึ อยกู่ ับชนิดของก๊าซไอเสียทปี่ ล่อยท้ิง และอาจจะต้องมี วิธีการ กาจัดสารมลพษิ เหลา่ น้ันในรปู อนื่ ต่อไป ความกา้ วหน้าของเทคโนโลยี (State of the Art) [5] เทคโนโลยีที่กาลังมีการพัฒนาเก่ียวกับ Oxy-fuel เพื่อให้ได้ออกซิเจนมาใช้ในการเผาไหม้ โดย ต้นทุนต่ากวา่ การแยกจากอากาศมชี ่ือว่า Chemical looping Combustion (CLC) ขณะนอี้ ย่รู ะหวา่ งการ ศึกษาวจิ ัย Chemical looping Combustion เป็นลักษณะการเผาไหม้แบบ Circulating Fluidized bed 2 ชุด โดย Fluidized bed ห้องแรกเรียกว่า Fuel reactor จะใช้โลหะออกไซด์เป็น bed material ทา หน้าท่ีปล่อยออกซิเจนให้กับเช้ือเพลิง และโลหะท่ีใช้แล้วจะถูกถ่ายไปท่ีห้องท่ีสองที่เรียกว่า Air Reactor จะถูกออกซิไดซ์อีกคร้ังก่อนนากลับมาใช้ใหม่ ซึ่งหากนามาใช้ได้จะถือว่าเป็นเทคโนโลยีสาหรับ Zero emission combustion กลมุ่ วิจัย EnConLab 2-12 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คู่มอื การนาความร้อนทิง้ กลับมาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนท้งิ กลับมาใช้ในภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย รปู ท่ี 2-6 Chemical Loop Combustion การศกึ ษาค้นคว้าเกยี่ วกบั Oxy fuel combustion ปจั จุบนั มุ่งเนน้ การใช้งานกบั เชอื้ เพลงิ ชนิดอื่น เช่น ถ่านหิน เช้ือเพลิงแข็ง ขยะ เป็นต้น และการปรับปรุงเตาเดิมที่ใช้หัวเผาแบบใช้อากาศ เป็นหัวเผา Oxy fuel 2.3.2 อปุ กรณแ์ ลกเปลี่ยนความรอ้ น หลักการทางาน อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เป็นอุปกรณ์ท่ีมักพบใช้งานทั่วไปในการถ่ายเทความร้อนจาก ก๊าซไอเสียร้อนเพื่ออุ่นอากาศท่ีจะเข้าไปเผาไหม้ในเตา เมื่ออากาศท่ีเข้าห้องเผาไหม้มีอุณหภูมิท่ีสูงข้ึน ส่งผลให้ต้องการพลังงานจากเชื้อเพลิงในการเผาไหม้ลดลง โดยทั่วไปเทคโนโลยีของอุปกรณ์แลกเปลี่ยน ความร้อนท่ีใช้สาหรับการอุ่นอากาศ ท่ีพบ ได้แก่ เครื่องอุ่นอากาศ (Recuperatepor) เตาเผาแบบรีเจน เนอเรทีฟ (furnace regenerator) หัวเผาแบบรีเจนเนอเรทีฟ (regenerator burners) โรตาร่ีรีเจนเนอ เรทฟี (Rotary regenerator) และอีโคโนไมเซอร์ (Economizer) กลมุ่ วิจัย EnConLab 2-13 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คู่มือการนาความรอ้ นท้ิงกลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนทิ้งกลบั มาใชใ้ นภาคธรุ กิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย 1. เครื่องอนุ่ อากาศ (Recuperator) [1] เคร่ืองอุ่นอากาศ ใช้ในการนาความร้อนทิ้งจากก๊าซไอเสียร้อนกลับมาในระดับช่วงอุณหภูมิ ปานกลาง-สูง เทคโนโลยีชนิดนี้สามารถใช้หลักการถ่ายเทความร้อนท้ังการแผ่รังสีความร้อน การพา ความร้อน หรือผสมผสานระหว่างการแผร่ ังสแี ละการพาความรอ้ น เทคโนโลยเี ครอื่ งอ่นุ อากาศแบบน้ี อาทิ เช่น เตาอบชิ้นงาน (annealing oven), เตาหลอม (melting furnace), afterburners, เตาเผาแก๊ส (gas incinerators) หัวเผาแบบท่อเรเดียน (radiant-tube burners), เตาเผาอุ่นให้ความร้อนซ้า (reheat furnace) (ก) เครอื่ งอุ่นอากาศแบบแผร่ งั สี (ข) แบบพาความรอ้ น (ค) แบบผสม รูปท่ี 2-7 แสดงลักษณะของเคร่อื งอุ่นอากาศ จากรูปท่ี 2-7 (ก) แสดงลักษณะของเครื่องอุ่นอากาศแบบแผ่รังสีความร้อน ที่ก๊าซไอเสียร้อนจะ ไหลผ่านภายในท่อช้ันใน และความร้อนจะถูกถ่ายเทด้วยการแผ่รังสีออกไปตามผนังท่อ เพ่ือถ่ายเทความ ร้อนให้กับอากาศเย็นที่ไหลเข้ามาตามช่องระหว่างปลอกผนังท่อ (outer shell) ซึ่งอากาศที่อุ่นข้ึนจะถูก นาไปเข้าเตาเผาต่อไป รูป (ข) เป็นเคร่ืองอุ่นอากาศแบบพาความร้อน ซ่ึงก๊าซร้อนจะไหลผ่านในท่อขนาด เสน้ ผ่านศูนย์กลางเล็กๆ หลายๆ ทอ่ ท่ีบรรจอุ ยูใ่ นท่อขนาดใหญ่ (Shell) อากาศเผาไหมท้ ี่เย็นจะไหลเข้ามา ในท่อ Shell และไหลผ่านไปรอบๆ ท่อก๊าซร้อนขนาดเล็ก เพ่ือรับความร้อนผ่านผิวผนังท่อ และรูป (ค) เครื่องอุ่นอากาศแบบผสม ท่ีจะใช้หลักการถ่ายเทความร้อนทั้งการแผ่รังสีก่อนนาไปผ่านการถ่ายเทความ ร้อนแบบพาความร้อน เพื่อเพม่ิ ประสทิ ธภิ าพการแลกเปลยี่ นความร้อนใหส้ งู ขนึ้ เคร่ืองอุ่นอากาศ สามารถผลิตจากวัสดุ ได้ท้ังท่ีเป็นวัสดุโลหะและเซรามิค โดยโลหะจะใช้กับการ ใช้งานที่มีอุณหภูมิต่ากว่า 1,093oC สาหรับเซรามิคจะเหมาะกับการใช้งานที่ต้องการอุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถใช้กับก๊าซไอเสียร้อนที่มีอุณหภูมิ 1,538oC และด้านสายเย็นที่รับความร้อนท่ีอุณหภูมิ 982oC ได้ กลมุ่ วจิ ยั EnConLab 2-14 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คู่มอื การนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนทง้ิ กลบั มาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 2. รเี จนเนอเรเตอร์ (Regenerator) [1] ในส่วนน้ี จะได้นาเสนอเทคโนโลยี 2 แบบคือ เตาเผาแบบรีเจนเนอเรทีฟ (Furnace regenerator) และโรตารีร่ ีเจนเนอเรเตอร์หรอื ฮีทวีล (Rotary regenerator/Heat wheel) 1) เตาเผาแบบรเี จนเนอเรทีฟ (Furnace regenerator) เตาเผาแบบรเี จนเนอเรทีฟ จะประกอบไปดว้ ยกอ้ นอิฐ 2 หอ้ ง (เรยี กว่า “checkerwork”) ซ่ึงมวลอากาศสายร้อนและสายเย็นจะไหลผ่านสลับกัน อิฐทั้งสองห้องจะใช้สลับกันรับความร้อนจากก๊าซ ไอเสียร้อนและถ่ายเทความร้อนให้กับอากาศสายเย็น ดังแสดงในรูปที่ 2-8 เมื่ออากาศร้อนจากการเผา ไหม้ไหลผ่านห้องหน่ึง ความร้อนจะถูกดูดซับไว้ในก้อนอิฐและทาให้ก้อนอิฐมีอุณหภูมิสูงขึ้น และเมื่อนา อากาศสายเย็นมาไหลผ่าน ความร้อนจากก้อนอิฐจะถูกถ่ายเทให้กับอากาศเย็น สลับกันไป โดยการไหล ของสายรอ้ นและสายเย็นจะสลบั กนั ไปทุกๆ 20 นาที รูปที่ 2-8 แสดงลักษณะของเตาเผาแบบรีเจนเนอเรทีฟ โดยเตาเผาแบบรเี จนเนอเรทีฟ โดยปกติมักจะนิยมใช้กบั เตาเผาของอตุ สาหกรรมแก้วและ เตาอบแบบโค้ก (coke oven) อุปกรณ์ชนิดนี้เหมาะกับการใช้งานท่ีต้องการอุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถใช้กับ ก๊าซไอเสยี ร้อนท่ีมีความสกปรก แต่มีข้อเสยี คือ อุปกรณม์ ขี นาดใหญ่และต้องการเงนิ ลงทุนสงู ซงึ่ เงินลงทุน จะสูงกว่าอุปกรณ์แบบเคร่อื งอุน่ อากาศคอ่ นขา้ งมาก 2) โรตารี่รเี จนเนอเรเตอรห์ รือฮีทวีล (Rotary regenerator / Heat wheel) หลกั การทางานคล้ายคลึงกับเตาเผาแบบรีเจนเนอเรทีฟ คอื การถา่ ยเทความร้อนโดยผ่าน วัสดุตัวกลางที่มีลักษณะรูพรุนท่ีสามารถเก็บกักดูดซึมและถ่ายเทความร้อนออกได้ เม่ือของไหลสายร้อน และสายเย็นไหลผา่ น สาหรับโรตารร่ี ีเจนเนอเรเตอร์หรือฮที วลี จะประกอบไปด้วยแผน่ วสั ดุตวั กลางท่ีหมุน ได้ติดตั้งในแนวขวางระหว่างท่อสายร้อนกับสายเย็น โดยจะหมุนสลับด้านกันเพื่อนาความร้อนท่ีรับจาก ดา้ นสายรอ้ นไปถา่ ยเทใหก้ บั ด้านสายเย็น ดังแสดงในรูปที่ 2-9 กลมุ่ วิจัย EnConLab 2-15 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คูม่ ือการนาความรอ้ นทิง้ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย รูปท่ี 2-9 แสดงลกั ษณะของโรตาร่รี ีเจนเนอเรเตอรห์ รือฮที วีล ฮีทวีล ปกติมักจะเหมาะกับการใช้งานท่ีต้องการอุณหภูมติ ่า-ปานกลาง เน่ืองจากข้อจากดั ด้านความเครียดเชิงความร้อนของวัสดุ (thermal stress) ที่จะเกิดข้ึนในวัสดุเมื่อมีความแตกต่างของ อุณหภูมิที่สูงมากระหว่างสายร้อนกับสายเย็น จะก่อให้เกิดการขยายตัวของวัสดุอันเน่ืองจากอุณหภู มิท่ี ต่างกันมากและเกิดการบิดเสียรูปไปของวัสดุได้ ในบางกรณีหากต้องการใช้งานกับอุณหภูมิสูง สามารถ ใช้ฮีทวีลแบบเซรามิคได้ นอกจากนี้ สามารถพัฒนาไปใช้กับเตาเผาอุณหภูมิสูงได้ เช่น เตาเผาอะลูมิเนียม แต่ไม่เป็นท่ีนิยมมากนัก เน่ืองจากต้นทุนที่สูง ข้อดีของเทคโนโลยีประเภทน้ี คือ สามารถออกแบบให้นา ความชื้นกลับมาด้วยได้ โดยการใช้วัสดุตัวกลางที่เป็นชนิดอุ้มน้าได้ (hygroscopic material) เหมาะกับ การใช้งานท่ีต้องการอากาศท่ีสะอาด หรือระบบปรับอากาศ ที่ความร้อนและความช้ืนในอากาศทิ้งที่ ร้อนชื้น จะถูกดึงออกไปแลกเปลี่ยนให้กับอากาศภายนอกที่เย็นกว่า ข้อจากัดที่อาจเป็นอุปสรรค คือ การปอ้ งกันการปนเปื้อนหรือเกดิ การร่วั ไหลผสมของส่ิงสกปรกปนเปื้อนระหว่างของไหลทั้งสองสาย ทอ่ี าจ เกิดขนึ้ ได้ระหว่างการถ่ายเทความรอ้ นผ่านวัสดุตวั กลางท่มี ีรูพรุนนี้ กลุม่ วจิ ัย EnConLab 2-16 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบุรี

คมู่ อื การนาความรอ้ นทิ้งกลับมาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนท้งิ กลับมาใช้ในภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 3. เครอ่ื งอุ่นอากาศแบบพาสซฟี (Passive Air Preheaters) [1] เครื่องอุ่นอากาศแบบพาสซีฟ เป็นอุปกรณ์นาความร้อนกลับมาในช่วงอุณหภูมิการใช้งาน อณุ หภมู ติ ่า-ปานกลาง ที่ปอ้ งกันการไหลปนเปื้อนกันระหว่างก๊าซสายร้อนกับสายเย็น การใชง้ านอปุ กรณ์น้ี สามารถทาได้ทั้ง เตาอบ (oven) หม้อไอน้า ไอเสียจากกังหันก๊าซ และการนาความร้อนกลับขั้นที่สองของ การใช้งานเตาเผา และการนาความร้อนกลับจากระบบปรับอากาศ โดยเคร่ืองอุ่นอากาศแบบพาสซีฟ สามารถใช้งานได้ใน 2 ประเภท คือ แบบเพลท (Plate type) และแบบฮีทไปท์ (Heat pipe) ดังแสดงใน รูปท่ี 2-10 (ก) เครื่องอุ่นอากาศแบบเพลท ชนดิ ก๊าซ-ก๊าซ (ข) เคร่อื งอนุ่ อากาศแบบฮีทไปท์ รปู ท่ี 2-10 แสดงเคร่ืองอุ่นอากาศแบบพาสซีฟ เครื่องอุ่นอากาศแบบเพลท จะประกอบไปด้วยแผ่นเพลทบางๆ วางซ้อนกันในระยะห่าง น้อยๆ ในระยะที่เพียงพอจะทาให้ก๊าซหรือของไหลสายร้อนและเย็นไหลผ่านได้ ซ่ึงของไหลสายร้อน- สายเยน็ จะไหลสลับอยคู่ นละด้านของแผน่ เพลททมี่ ีพืน้ ท่ีแลกเปลย่ี นความรอ้ นท่เี พียงพอสาหรับการถ่ายเท ความร้อนได้ อุปกรณ์ชนดิ น้ี จะมรี าคาสูงกวา่ ฮที วีล และอาจพบการอดุ ตนั ของตะกรนั (fouling) เกิดขึ้นได้ แตข่ อ้ ดคี อื มีการปนเปือ้ นระหว่างสายรอ้ น-สายเยน็ น้อยกว่า สาหรบั เคร่อื งอุ่นอากาศแบบฮีทไปท์ จะประกอบไปดว้ ยท่อเลก็ ๆ หลายๆ ทอ่ ท่ีมกี ารเชื่อม ปิดท่ปี ลายทอ่ โดยภายในทอ่ จะเกิดการเคล่ือนที่ของของไหลสารทางานระหว่างด้านอุณหภูมสิ งู ไปด้านที่มี อุณหภูมิต่า อันเกิดจากความแตกต่างของความดันไอในเส้นท่อ ซ่ึงปลายท่อด้านหน่ึงจะเป็นด้านท่ีมี อุณหภูมิสูง ท่ีทาให้สารทางานเกิดการระเหยกลายเป็นไอเม่ือได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อนท้ิง สายรอ้ น กอ่ นที่จะไหลไปสปู่ ลายอีกดา้ นท่ีเป็นดา้ นทม่ี ีอณุ หภูมติ า่ ทดี่ ้านอณุ หภูมิตา่ นี้ ไอของสารทางานจะ ถ่ายเทความร้อนให้กับแหล่งรับ และเกิดการกล่ันตัวเป็นของเหลว ก่อนท่ีจะหมุนเวียนในท่อกลับไปรับ ความรอ้ นทีป่ ลายดา้ นอณุ หภูมสิ ูงอีกคร้ัง กลุม่ วิจยั EnConLab 2-17 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คมู่ ือการนาความร้อนทิ้งกลบั มาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ในภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 4. หวั เผาแบบรเี จนเนอเรทีฟ หรอื แบบอุ่นอากาศ (Regenerative/Recuperative Burner) หัวเผาเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันมีแบบที่รวมเอาอุปกรณ์รีเจนเนอเรทีฟหรือระบบอุ่นอากาศไว้ด้วย เรียกว่า หัวเผาแบบรเี จนเนอเรทีฟ เปน็ ระบบทอ่ี อกแบบทเี่ ป็นการนากลับพลังงานเหลือท้ิงจากก๊าซไอเสีย ร้อนท่ีปลอ่ ยทง้ิ โดยทาใหก้ ๊าซไอเสียไหลผา่ นกลับเข้าไปผ่านตวั หวั เผาท่ีมีสารตวั กลางที่ฉาบไว้ (refractory media) ทาให้เพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงานให้กับการใช้งานหัวเผาท่ีใช้อากาศบรรยากาศในการเผาไหม้ ซ่ึงทาให้สะดวกต่อการใช้งานและขนาดกะทัดรัดกว่าระบบแบบแยกชิ้นเนื่องจากต้องการพื้นที่แลกเปลีย่ น ความรอ้ นเลก็ กว่า ทง้ั นแี้ มว้ ่าพลังงานความร้อนทิ้งทน่ี ากลับไดจ้ ะสามารถทาไดน้ ้อยกวา่ แบบแยกช้ิน แตใ่ ช้ เงินลงทุนที่นอ้ ยกวา่ และการซ่อมบารงุ ทส่ี ะดวกกว่า ทาให้เปน็ ทางเลือกหนึ่งทนี่ ่าสนใจ 5. อโี คโนไมเซอร์แบบครีบท่อ (Finned Tube Heat Exchanger/Economizer) [1] อีโคโนไมเซอร์แบบครีบท่อ ใช้ในการนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้งานจากก๊าซไอเสียหม้อไอน้า ในช่วงอุณหภูมิต่า-ปานกลาง ซ่ึงอุปกรณ์จะประกอบไปด้วย ครีบหลายๆ ครีบท่ีติดต้ังรอบๆ ท่อ เพื่อเพ่ิม พ้ืนที่ผิวในการแลกเปล่ียนความร้อนให้มากที่สุดและเพ่ิมอัตราการถ่ายเทความร้อน ของไหลที่จะรับความ ร้อนจะไหลในท่อเพ่ือรับความร้อน ความร้อนจากก๊าซไอเสียที่ไหลรอบๆ ท่อด้านนอก จะถ่ายเทผ่านทาง ครีบท่อ ดังแสดงในรูปท่ี 2-11 แสดงลักษณะของอีโคโนไมเซอร์ สาหรับการนาไปใช้งานสามารถใช้ได้ท้ัง การอุ่นให้ความร้อนกับน้าป้อนหม้อไอน้า หรือให้ความร้อนกับของไหลที่ใช้ในกระบวนการผลิต หรือการ ทานา้ รอ้ นสาหรับการใหค้ วามร้อนในพืน้ ทีใ่ ช้งานหรอื ใชใ้ นกระบวนการผลติ รปู ท่ี 2-11 แสดงหลักการตดิ ตั้งอีโคโนไมเซอร์แบบครบี ท่อในหม้อไอน้า 6. หม้อไอนา้ ความรอ้ นทงิ้ (Waste Heat Boiler) [1] หม้อไอน้าความร้อนท้ิง ดังแสดงในรูปที่ 2-12 แสดงลักษณะของหม้อไอน้าแบบท่อน้าท่ีใช้ ก๊าซไอเสียในช่วงอุณหภูมิปานกลาง-สูง มาใช้ในการต้มน้า หม้อไอน้าความร้อนทิ้งมีขนาดที่ใช้งานในเชิง พาณิชย์หลายขนาด ซึ่งสามารถใช้งานกับก๊าซไอเสียตั้งแต่ 1,000 ถึง 1,000,000 ลูกบาศก์ฟุต/นาที ในกรณที ค่ี วามร้อนทิ้งจากก๊าซไอเสยี ไม่เพียงพอสาหรบั การผลิตไอนา้ ในระดบั ที่ต้องการ สามารถใชห้ วั เผา เสริมเพ่ือให้พลังงานเพ่ิมเติมได้ เพื่อผลิตไอน้าตามความต้องการของกระบวนการผลิต ไอน้าที่ผลิตได้ สามารถนาไปใช้สาหรับกระบวนการทาความร้อน หรือนาไปผลิตกระแสไฟฟ้าได้ สาหรับการผลิตไอน้า แบบยงิ่ ยวด (Superheated steam) จะตอ้ งการพลังงานเสรมิ สาหรับระบบ superheat เพม่ิ เตมิ กลมุ่ วจิ ัย EnConLab 2-18 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

คู่มอื การนาความรอ้ นทิง้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนทิง้ กลับมาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย รปู ที่ 2-12 แสดงลกั ษณะของหม้อไอนา้ ความร้อนทง้ิ การเลือกใช้งาน อปุ กรณ์แลกเปลีย่ นความร้อนแต่ละประเภทมีช่วงอุณหภมู ิที่แตกตา่ งกัน และมคี า่ สัมประสทิ ธ์ิการ ถ่ายเทความร้อน ตลอดจนค่าประสิทธิผลการถ่ายเทความร้อนแตกต่างกัน ค่าโดยท่ัวไปของอุปกรณ์ แลกเปล่ียนความร้อนกาหนดได้ดังน้ี ตารางที่ 2-3 คา่ พารามเิ ตอร์การใชง้ านเครื่องแลกเปล่ยี นความร้อนท่ัวไป [6] ตัวแปร แบบแพลต แบบเปลือกและท่อ ชนิด ธรรมดา ชนิด ชนิด ชนดิ ฟิน แบบคอนเดนเซอร์ คอนเวคทีฟ ระดับอุณหภูมิ 100 – 650°C 60-90°C 100-500°C 40-500°C U-value 0.06 – 0.28 0.06 0.11 – 0.85 0.11 – 0.57 ไอนา้ – ไอนา้ นา้ – ก๊าซ ตัวกลาง ไอน้า – น้า ไอน้า – น้า ไอน้า – กา๊ ซ น้า – นา้ น้า – นา้ ไอน้า – นา้ กา๊ ซ – ก๊าซ กา๊ ซ – ก๊าซ ไอน้า – ไอนา้ ราคา 30,000 บาท/ตรม. 30,000 บาท/ตรม. 40,000 บาท/ตรม. 30,000 บาท/ตรม. โดยประมาณ กล่มุ วิจัย EnConLab 2-19 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี

โครงการศึกษาศักย ตารางท่ี 2-4 สรปุ การเปรยี บเทียบประเภทเทคโนโลยีการนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใช้ปร ประเภทของเทคโนโลยี ่ชวง ุอณหภู ิม ชนิดของแหลง่ ความร้อนท้ิง ก การนาความรอ้ นท้งิ กลับ เคร่ืองอ่นุ อากาศแบบแผ่รงั สี H เตาอบ Soaking or Annealing Oven, การอนุ่ อา (Radiation Recuperator) เ ต า ห ล อ ม (Melting Furnace), เครอื่ งอุน่ อากาศแบบพาความร้อน M-H เตาเผาขยะ หัวเผาแบบท่อเรเดียนท์ การอุน่ อา เตาเผาอุน่ ใหค้ วามรอ้ น (Convection Recuperator) ฮีทวีลแบบโลหะ (Metallic Heat L-M การอุ่นอ Wheel) ก๊าซไอเสยี หมอ้ ไอน้า, เตาอบบม่ และ เพิ่มอณุ ห ฮี ท วี ล แ บ บ วั ส ดุ ที่ อุ้ ม น้ า ไ ด้ M อบแห้ง (Curing and Drying Oven) การอุ่นอ (Hygroscopic Heat Wheel) เพ่มิ อณุ ห เซรามิคฮีทวีล (Ceramic Heat M-H หม้อไอน้าขนาดใหญ่ ไอเสียเตาเผา การอุ่นอา Wheel) ขยะและเตาหลอม เครื่องแลกเปล่ียนความร้อนแบบ L, M กา๊ ซไอเสียหม้อไอนา้ เตาเผาขยะและ การอุ่นอ เพลท (Plate Heat Exchanger) กงั หันไอน้า และ เตาอบแห้ง อบบ่ม เพมิ่ อุณหภ ฮที ไปป์ (Heat Pipe) L-H ไอน้าท้ิง อากาศร้อนจากเคร่ือง การอุ่นอ อบแห้ง เตาเผาปูนซีเมนต์ และ การอุ่นน เ ต า เ ผ า reverberatory furnace ทานา้ รอ้ น (กา ร นา ค วา ม ร้ อนกลั บ ข้ั น ที่ 2) เตาอบแห้ง อบบม่ เครื่องแลกเปล่ียนความร้อนแบบ L, M ก๊าซไอนา้ หมอ้ ไอนา้ การอนุ่ น้า ครีม-ท่อ กลมุ่ วจิ ยั EnConLab มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คมู่ อื การนาความรอ้ นท้ิงกลบั มาใช้ ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความรอ้ นทิง้ กลบั มาใช้ในภาคธรุ กิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย ระโยชนต์ ่างๆa การนาไปใชง้ าน ช ินดของสถานะ การแลกเปลี่ยน ความร้อนระห ่วาง 2 สาย การนาความช้ืนกลับ (Recover Moisture) มีความแตกต่างของ ุอณหภูมิมาก ไม่มีการปนเปื้อน ระหว่าง 2 สาย ก๊าซ ี่ทกัดก ่รอน ่ีทต้องใ ้ชกับ ัวส ุด ิพเศษ เฉพาะ ากาศกอ่ นเผาไหม้ ก๊าซ – ก๊าซ XX X XX X ากาศก่อนเผาไหม้ ก๊าซ – ก๊าซ X c X อากาศก่อนเผาไหม้, กา๊ ซ – ก๊าซ b c X หภูมพิ ื้นท่ี X X XX X อากาศก่อนเผาไหม้, ก๊าซ – กา๊ ซ DX หภมู ิพื้นท่ี e XX ากาศกอ่ นเผาไหม้ ก๊าซ – ก๊าซ อากาศก่อนเผาไหม้, กา๊ ซ – กา๊ ซ, ภมู ิพ้นื ที่ ของเหลว-ของเหลว อากาศก่อนเผาไหม้, กา๊ ซ – กา๊ ซ, น้าป้อนหม้อไอน้า, การ กา๊ ซ - ของเหลว น, เพิม่ อุณหภูมพิ ้นื ท่ี าปอ้ นหมอ้ ไอนา้ ก๊าซ - ของเหลว 2-20

โครงการศึกษาศักย ประเภทของเทคโนโลยี ่ชวง ุอณหภู ิม ชนดิ ของแหลง่ ความรอ้ นทง้ิ ก การนาความรอ้ นท้ิงกลบั หมอ้ ไอน้าความร้อนทิง้ (Waste L-H ไอเสียจากกังหันก๊าซ, ไอเสียจาก การทาน้า Heat Boiler) เคร่ืองยนต์ลูกสูบ เตาเผายะ และ เตาเผา เครื่องแลกเปลยี่ นความร้อนแบบ L, M ของไหล Shell & Tube ต้องการท หมายเหตุ: a แหลง่ ที่มาขอ้ มลู W.Turner. Energy Management Handbook, 2007; PG&E b อา้ งองิ จากผผู้ ลติ บางราย c หากมกี ารติดต้ังชุดอปุ กรณ์ในการ purge อากาศ/ของไหล อัตราการปนเป้อื นของ d ยอมรับขอ้ จากัดของอุณหภูมิและความแตกตา่ งของอณุ หภูมิ ตามคุณสมบัติของสม e สามารถผลติ จากวัสดุท่ีมคี วามทนทานตอ่ การกัดกร่อนได้ แต่จะพิจารณาเฉพาะส การแตกหักของทอ่ กลุ่มวิจยั EnConLab มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี

คมู่ ือการนาความรอ้ นทง้ิ กลบั มาใช้ ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลบั มาใช้ในภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย การนาไปใช้งาน ช ินดของสถานะ การแลกเปลี่ยน ความร้อนระห ่วาง 2 สาย การนาความ ื้ชนกลับ (Recover Moisture) มีความแตกต่างของ ุอณหภู ิมมาก ไม่มีการปนเปื้อน ระหว่าง 2 สาย ก๊าซ ี่ทกัดก ่รอน ่ีทต้องใ ้ชกับ ัวสดุ ิพเศษ เฉพาะ ารอ้ น หรอื ไอน้า กา๊ ซ - ของเหลว Xe ลในกระบวนการท่ี ก๊าซ – ของเหลว, XX ทาความร้อน ของเหลว-ของเหลว Energy Efficiency Information “Industrial Heat Recovery Strategies,” 1997 งของไหลระหวา่ ง 2 สาย จะสามารถกาจัดให้เหลือนอ้ ยกว่า 1% โดยมวลได้ มดลุ ระหวา่ งเฟสระหว่างของไหลภายในระบบ ส่วนที่มีความเป็นไปได้มากที่จะเกิดความเสียหายของอุปกรณ์ อันมีสาเหตุจากการรั่วไหลหรือ 2-21

คูม่ ือการนาความรอ้ นท้ิงกลบั มาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนท้ิงกลบั มาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย ความก้าวหน้าของเทคโนโลยี (State of the Art) การศึกษาค้นควา้ เฉพาะท่ีเกย่ี วกับเครื่องแลกเปล่ยี นความร้อนในงานความร้อนท้ิง ทีพ่ บมี 3 กลุ่ม คือ กลุ่มแลกเปลี่ยนความร้อนท้ิงที่ใช้กับเคร่ืองยนต์ กลุ่มการปรับปรุงเพิ่มประสิทธิผลของเคร่ือง แลกเปลีย่ นความรอ้ น และ กลุ่มท่นี าฮที ไปป์มาใชใ้ นการแลกเปล่ยี นความร้อน เครื่องแลกเปล่ียนความรอ้ นท่ใี ช้กับเคร่ืองยนต์สันดาบภายใน ในอุตสาหกรรมมีการใช้เคร่ืองยนต์สันดาบภายใน เช่น เคร่ืองยนต์ก๊าซ การนาความร้อนท้ิงจาก เครื่องยนต์สันดาบภายในมาใช้ มีหลายวิธีการ บางเทคโนโลยีติดอุปกรณ์แลกเปล่ยี นนาความร้อนท่ีลกู สบู ซ่ึงเป็นส่วนท่ีอุณหภูมิสูงสุด การวิจัยพบว่า (Ghazikhani และคณะ) สามารถลดการใช้เช้ือเพลิงลงได้ถึง ร้อยละ 14.1 งานวิจัยที่บางส่วนจะเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของรังผ้ึง เช่น การเติมสาร NaNofluid จาพวก Al2O3 หรือ SiO2 หรือ Cu และ Glycol ลงในน้า ซ่ึงมีรายงานการถ่ายเทความร้อน ได้ดีข้ึน 4 ถึง 4.5% ของการใช้น้าบริสุทธ์ิ และอีกกลุ่มหน่ึงเป็นการติดต้ังอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ ทอ่ ไอเสีย เคร่ืองแลกเปลีย่ นความร้อนทีต่ ิดตั้งกับท่อไอเสีย [7] มีการศึกษาออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนให้มีประสิทธิภาพสูง เช่น ใช้เทปบิดเป็นเกลียว (Zadsor และ Gorjt – Bandpy) การใช้เครื่องแลกเปล่ียนความร้อนแบบ Fin-tube และตัวกลางสะสม ความร้อน (Phase Change Materials) ซง่ึ สามารถนาความร้อนกลับมาใชไ้ ดถ้ ึงร้อยละ 15 (andiyarajan และคณะ) และนอกจากนก้ี ม็ กี ารสรา้ งเคร่อื งแลกเปล่ยี นความร้อนแบบเปน็ ครบี ติดตง้ั กับท่อไอเสยี เปน็ ตน้ รูปท่ี 2-13 เครอื่ งแลกเปลยี่ นความร้อนแบบตา่ ง ๆ ทต่ี ดิ ตงั้ กับทอ่ ไอเสยี กลุ่มวจิ ัย EnConLab 2-22 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คู่มือการนาความรอ้ นท้งิ กลบั มาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความรอ้ นทิ้งกลับมาใช้ในภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย การเพิ่มประสิทธภิ าพเคร่อื งแลกเปลย่ี นความร้อน [8] มีการศึกษาและออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความร้อน ซ่ึงพบว่าครีบ สามารถเพ่ิมประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนได้มีการศึกษาผลของครีบแบบธรรมดา รูปคล่ืน ตะแกรง เป็นวงกลม เป็นเกลียว ที่ด้านสัมผัสอากาศ จากการศึกษาพบว่าถ้าเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่าง น้าและอากาศการเพ่ิมครีบด้านอากาศจะเพิ่มประสิทธิภาพการแลกเปล่ียนความร้อนได้ดีที่สุด ในอดีต การวิจัยเกี่ยวกับครีบท่อแบบวงกลม หรือ Circular fin จะมีสัดส่วนที่สูง แต่หลังปี ค.ศ.2005 การศึกษา ครบี แบบเกลียว (Spiral fin) มเี พ่ิมมากขึน้ และมสี ดั สว่ นท่ีสูงกว่า เน่อื งจากคา่ สัมประสทิ ธ์ิการถา่ ยเทความ ร้อนสูงกว่า อัตราการถ่ายเทสูงกว่า และยังมีโครงสร้างท่ีแข็งแรงกว่า ผลิตง่ายกว่า ต้นทุนต่ากว่า (Goldstein และคณะ) รูปท่ี 2-14 เครอ่ื งแลกเปลี่ยนความรอ้ นแบบเกลยี ว และจานวนการศกึ ษาวจิ ัยทีผ่ ่านมา [8] กล่มุ วจิ ัย EnConLab 2-23 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบุรี

คมู่ อื การนาความรอ้ นทิง้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสริมการนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ในภาคธรุ กิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย การใช้ฮที ไปปใ์ นการแลกเปล่ียนความร้อน (Heat Pipe Heat Exchanger) [9] เครื่องแลกเปล่ียนความร้อนท่ีใช้ฮีทไปป์ หรือ HPHE ได้รับความสนใจในงานความร้อนท้ิงและมี การผลิตจาหน่ายเชิงพาณิชย์แลว้ HPHE จะใช้ในการแลกเปล่ียนความร้อนจากอากาศหรือก๊าซไอเสีย กับ อากาศ หรือ น้า ซึ่งเป็นกระแสเย็น ข้อดีของ HPHE ก็คือป้องกันการรั่วไหลระหว่างกระแสร้อนที่สกปรก กบั กระแสเย็นได้ ค่าประสทิ ธผิ ลการถ่ายเทความร้อนสูง ไมม่ สี ว่ นเคลื่อนไหว ขนาดเลก็ ความดันตกคร่อม อุปกรณต์ ่ามาก HPHE ทนี่ ามาใชง้ านความร้อนท้งิ มี 3 รูปแบบ คือ แบบธรรมดา (Conventional Heat Pipe) ฮีทไปป์จะเป็นท่อยาวท่ีมีสารทางานอยู่ภายใน ด้านบนเป็นอีเวปเปอร์เเตอร์ ด้านล่างเป็นคอนเดนเซอร์ เม่ืออีเวปเปอร์เรตอร์ได้รับความร้อน สารทางาน จะระเหย และไหลไปควบแน่นกลายเป็นของเหลว และไหลกลับมาท่ีอีเวปเปอร์เรเตอร์ทางช่องว่างเล็กๆ ชั้นนอก ดว้ ยแรงตึงผิว แบบ 2 เฟส (Two phase closed hermosyphon : TPCT) แบบน้ีแตกต่างจากแบบธรรมดา ตรงท่ีอีเวปเปอร์เรเตอร์อยู่ด้านล่าง ภายในไม่มี 2 ช้ันเหมือนแบบธรรมดา สารทางานของเหลวไหลจาก คอนเดนเซอร์มาด้วยแรงโน้มถ่วง ข้อดีคือ ไม่มีสองชั้นเพื่อเป็นทางให้ของเหลวไหล ซ่ึงจะมีการต้านทาน การไหล แบบออสซิเลต (Oscilating Heat Pipe : OHP) เป็นเทคโนโลยีแบบล่าสุดท่ีสารทางานไหลไม่ ต่อเน่ือง ท่อฮีทไปป์แบบ OHP จะมีขนาดเล็กมากจนกระท่ังไอและสารทางานของเหลวอยู่ในหลอด เดียวกัน หลอดทั้งหมดเชื่อมต่อกัน เมื่อฝั่งอีเวปเปอร์เรเตอร์ได้รับความร้อน สารทางานจะกลายเป็นไอ และเปน็ ฟองก๊าซขบั ดันไปยงั ด้านคอนเดนเซอร์ที่อุณหภมู ิตา่ กว่า ขณะที่ด้านคอนเดนเซอรม์ ีการควบแน่น ความดันก็จะลดลง ทาให้ฟองก๊าซและของเหลวเคล่ือนตัวมาคอนเดนเซอร์ แต่เนื่องจากหลอดเชือ่ มต่อกัน กจ็ ะไปผลักดันให้กา๊ ซและของเหลวในอกี หลอดไหลกลบั ไปกบั อเี วปเปอรเ์ รเตอร์ รปู ที่ 2-15 แสดงฮที ไปป์แบบต่างๆ a) แบบสองเฟส b)แบบธรรมดา c) แบบออสซเิ ลท [9] กล่มุ วจิ ัย EnConLab 2-24 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี

ค่มู อื การนาความรอ้ นทงิ้ กลบั มาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความรอ้ นทิ้งกลบั มาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย ในปัจจุบันมีการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบฮีทไปป์เพ่ือใช้กับก๊าซไอเสียของหม้อไอน้า และใช้อุ่นน้าป้อนจาหน่ายในเชิงพาณิชย์แล้ว จากข้อมูลการทดสอบค่าประสิทธิผลของการถ่ายเท ความร้อนของฮีทไปป์แบบต่างๆท่ีกล่าวถึงสามารถทาได้เท่ากับหรือสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบบทวั่ ไป 2.3.3 การอุ่นช้ินงาน (Load Preheating) หลักการทางาน การอุ่นชิ้นงานด้วยการนาความร้อนเหลือท้ิงจากระบบ มาใช้ในการให้ความร้อนหรืออุ่นชิ้นงานท่ี จะป้อนเข้าในระบบ หรือนามาเพิ่มความร้อนให้กับวัตถุ/ของไหลที่จะป้อนเข้า ตัวอย่างการใช้งานท่ีพบได้ ทั่วไป ได้แก่ การอุ่นน้าป้อนหม้อไอน้าโดยการนาความร้อนที่ถ่ายเทจากอีโคโนไมเซอร์ท่ีรับความร้อนมา จากก๊าซไอเสีย หรือตัวอย่างการนาไปใช้งานในกระบวนการโดยตรง เช่น การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ โดยตรงระหว่างก๊าซไอเสียร้อนกับวัสดุของแข็งท่ีจะนาเข้าเตาเผา ซึ่งเป็นการใช้ไอเสียที่ออกจากเตาเผา แล้วกลับมาอุ่นเพ่ิมอุณหภูมิให้กับช้ินงานที่เตรียมจะหล่อ อาทิเช่น โรงงานหล่อเหล็ก/อะลูมิเนียม จะพบ การใช้งานชดุ หลอมทปี่ ลอ่ งไอเสยี (Stack melters) โดยก้อนโลหะเศษขี้เหลก็ (ingots and scrap) จะถูก นาไปเข้าชุดหลอม stack melter ที่บริเวณช่วงบนของเตาเผา และเศษขี้เหล็กจะถูกทาให้ร้อนด้วย ก๊าซไอเสีย ก่อนท่ีปล่อยก๊าซไอเสียท้ิงออกไป ดังแสดงในรูปที่ 2-16 ชุด stack melter ที่โรงงานหล่อ แบบพิมพ์ ซ่ึงสามารถลดการใช้พลงั งานกวา่ 47% เมอื่ เทยี บกบั เตาเผาแบบธรรมดา [1] รปู ที่ 2-16 ชดุ stack melter ทโ่ี รงงานหลอ่ แบบพิมพ์ [1] การนาความร้อนท้ิงมาอุ่นชิ้นงานมักถูกออกแบบมากับกระบวนการผลิตเนื่องจากการอุ่นช้ินงาน จะใช้ความร้อนได้สูงสุด ประสิทธิภาพสูงสุด และมักมีใช้อยู่แล้วในอุตสาหกรรมท่ีใช้อุณหภูมิสูง เช่น ซีเมนต์ เซรามิค ปิโตรเคมี เป็นต้น และการออกแบบปรับปรุงภายหลังค่อนข้างเฉพาะ มีข้อจากัดมาก เช่น การควบคุมคุณภาพ ผลดา้ นส่ิงแวดล้อม ตวั อย่างการอุ่นวัตถุดบิ ในอตุ สาหกรรมซีเมนต์ ได้แก่ การนา ไอเสียจากเตาเผาผ่านไซโคลนสวนทางคลุกเคลา้ กบั วตั ถดุ ิบทไ่ี หลป้อนเขา้ เตาเผา อุตสาหกรรมเซรามิค มีการแบ่งเตาอบออกเป็นโซน และลมร้อนจากโซน Heating ถูกนาไปใช้ใน โซน Preheating เป็นตน้ กลุ่มวจิ ยั EnConLab 2-25 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบรุ ี

คมู่ ือการนาความร้อนท้ิงกลบั มาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลบั มาใช้ในภาคธรุ กิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย อุตสาหกรรมแก้วและเหล็ก ส่วนใหญ่ไม่มีการนาก๊าซไอเสียมาอุ่นวัตถุดิบเป็นกระบวนการ มาตรฐาน แต่มตี ัวอยา่ งของการปรบั ปรุงในตา่ งประเทศ ซ่ึงจะกล่าวถงึ เฉพาะอตุ สาหกรรม ในบทท่ี 4 การปรบั ปรุงระบบให้นาความร้อนกลับมาอ่นุ ชน้ิ งาน [10] การอนุ่ ชิน้ งานอาจจะดาเนินการไดใ้ น 3 รูปแบบ ตอ่ ไปน้ี รูปที่ 2-17 การนาความร้อนทงิ้ กลบั มาใช้อุน่ ช้นิ งาน [11] 1. สร้างส่วนท่ีไม่มีการเผาไหม้ หรือ Preheating zone ขึ้นโดยต่อขยายออกจากเตา นาก๊าซไอเสีย จากส่วนทีเ่ ผาไหมม้ าถ่ายเทความร้อนใหก้ ับวัตถดุ ิบที่เข้ามา 2. สร้างส่วนแลกเปล่ียนความร้อนแยกจากเตา และนาไอเสียไปให้ความร้อนวัตถุดิบก่อนป้อนเข้า เตา 3. สร้างส่วนทว่ี ตั ถุดบิ และก๊าซไอเสียว่ิงสวนทางกนั ในการปรับปรุงระบบใหม้ สี ว่ นที่อุ่นชนิ้ งาน จาเปน็ จะต้องพิจารณาหวั ข้อต่อไปน้ี 1) กา๊ ซไอเสียสามารถนาไปใชป้ ระโยชนอ์ ืน่ ท่ีมคี วามคุ้มคา่ มากกวา่ หรอื ไม่ 2) สว่ นท่ีอ่นุ ช้ินงานต้องมีขนาดเทา่ ใด 3) มพี ้นื ทเี่ พียงพอหรือไม่ 4) กระแสของกา๊ ซไอเสียทีไ่ หลมีข้อกาหนดหรือไม่ และมีความดนั ตกครอ่ มสูงหรือไม่ 5) ถา้ มีส่วนขนถา่ ยวตั ถุดบิ เชน่ สายพาน ฯลฯ สามารถทนอณุ หภูมลิ มร้อนไดห้ รอื ไม่ 6) พดั ลมท่ใี ช้เดิมสาหรับส่งกา๊ ซไอเสียเพยี งพอหรอื ไม่ 7) ความรอ้ นท่ีใหก้ บั ความรอ้ นทต่ี อ้ งการสมดุลกันหรือไม่ 8) การสูญเสียความร้อนของลมร้อนก่อนเข้าอุ่น และอุณหภูมิชิ้นงานท่ีอุ่นแล้วก่อนเข้า เตาและวิธีควบคมุ 9) ระบบควบคุมทใี่ ช้ และมคี วามจาเป็นต้องมรี ะบบใหค้ วามรอ้ นสารองหรือไม่ ความก้าวหนา้ ของเทคโนโลยี (State of the Art) เน่ืองจากการนาความร้อนทิ้งมาใช้โดยการอุ่นวัตถุดิบ ส่วนใหญ่อยู่ในอุตสาหกรรมหนัก และใช้ เงนิ ลงทุนปรบั ปรุงสงู เทคโนโลยมี กั อยกู่ บั ผู้ผลิตออกแบบโรงงานประเภทนั้นๆ โดยเฉพาะ กลุ่มวจิ ัย EnConLab 2-26 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คมู่ อื การนาความรอ้ นทงิ้ กลบั มาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนทิง้ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย 2.3.4 การนาความร้อนทิง้ อณุ หภูมติ ่ากลับมาใช้ (Low temperature Heat Exchange) จากการสารวจความร้อนทง้ิ ท่ีมใี ช้ในอุตสาหกรรมในสหภาพยุโรป พบว่าความร้อนทิ้งกระจายอยู่ ในอตุ สาหกรรมต่างๆ ดงั รูปท่ี 2-18 รูปที่ 2-18 อณุ หภูมใิ ช้งานของอุตสาหกรรมต่างๆ ในกลมุ่ ประเทศสหภาพยโุ รป [12] จะพบว่าความร้อนทิ้งอุณหภูมิต่า (250°C) มีสัดส่วนเกือบ 1 ใน 3 และเป็นส่วนที่ยังนากลับมา ใช้น้อย ความร้อนทิ้งในกลุ่มน้ีน่าสนใจเป็นอย่างมาก เน่ืองจากมีปริมาณมาก ที่ผ่านมาเน่ืองจากเงินลงทนุ ที่สูงและข้อจากัดทางเทคนิคหลายอย่างจึงยังไม่มีการใช้ประโยชน์ ปัจจุบันเร่ิมมีเทคโนโลยีจะนากลับมา ใช้ได้มากข้นึ ความร้อนทิ้งในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ มักเป็นความร้อนท้ิงในช่วงอุณหภูมิต่า เช่น ระบบเผาไหม้ ของหมอ้ ไอน้า ซึ่งสว่ นใหญ่มกั มีการใชเ้ ทคโนโลยีนาความร้อนทิง้ กลับมาใช้แล้ว ทาใหก้ า๊ ซไอเสยี ที่ปล่อยทิ้ง ส่วนใหญ่จะมีอุณหภูมิประมาณ 150-180oC นอกจากน้ี ความร้อนท้ิงปริมาณสูงในอุตสาหกรรม สามารถ พบได้จากน้าระบายความร้อนและระบบทาความเย็นอากาศ เช่น การระบายความร้อนของเครื่องอัด อากาศ สาหรับก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้ ความร้อนทิ้งสามารถดึงออกมาได้จากการที่ไอน้าที่อยู่ใน ก๊าซไอเสียถูกทาให้มีอุณหภูมิท่ีต่าลง โดยปกติการใช้งานส่วนใหญ่ ก๊าซไอเสียจะมีข้อจากัดในการลด อุณหภูมิไม่ให้ต่าไปกว่า 120-150oC เพ่ือป้องกันการกล่ันตัวของไอน้าในก๊าซไอเสียจนกลายเป็นคอนเดน เสทที่มีสภาพความเป็นกรดท่ีกัดกร่อนต่อวัสดุท่ีผิวของเครื่องแลกเปล่ียนความร้อน อย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนในก๊าซไอเสีย สามารถเพิ่มศักยภาพการนาความร้อนทิ้งกลับได้ หากมีเทคโนโลยีที่ สามารถดึงเอาพลงั งานความร้อนแฝง (Latent Heat) ที่เหลอื ในก๊าซไอเสยี มาใชใ้ ห้มากขึน้ โดยเป็นการทา ให้ก๊าซเย็นตัวลงท่ีอุณหภูมิต่ากว่าจุดน้าค้าง (Dew Point) หรือจุดกลั่นตัว (Condensation point) เพื่อนา กล่มุ วจิ ัย EnConLab 2-27 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คูม่ ือการนาความรอ้ นทง้ิ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใช้ในภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย ความร้อนทิ้งในช่วงอุณหภูมิต่ามาใช้ (Low temp waste heat) ดังแสดงในรูปท่ี 2-19 ถ้าหากก๊าซไอเสียถูก ทาให้เย็นลงจาก 150oC เป็น 60oC จะทาใหป้ ระสิทธภิ าพเพ่ิมขน้ึ 3% และถ้าก๊าซไอเสียถูกทาใหเ้ ย็นตัวลง ท่ี 38oC จะทาให้ประสทิ ธิภาพเพ่ิมขึ้นได้ 11% จากการดึงเอาความร้อนแฝงออกมา [1] รปู ท่ี 2-19 กราฟแสดงความรอ้ นที่สามารถนากลับมา สาหรบั หม้อไอน้าชนดิ ใชเ้ ช้อื เพลงิ ก๊าซธรรมชาติ [1] ความทา้ ทายของเทคโนโลยีการนาความร้อนอณุ หภมู ิตา่ กลับมาใชง้ าน [1] การนาความร้อนอุณหภมู ติ า่ กลับมาใชง้ าน จะต้องเผชิญกับความท้าทายใน 3 ประเด็น คอื  การกดั กร่อนของพ้ืนผิวแลกเปลยี่ นความร้อน เนอ่ื งจากไอน้าในกา๊ ซไอเสียเมื่อเย็น ตัวลงและกล่ันตัว จะมีคุณสมบัติเป็นกรดที่กัดกร่อนต่อวัสดุที่ใช้ทาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ดังน้ัน การออกแบบเทคโนโลยกี ารนาความร้อนอุณหภูมิต่ากลับมาใช้งาน จะต้องออกแบบใหท้ นต่อการกัดกร่อน ได้ ซ่ึงโดยทั่วไป มักใช้วัสดุพิเศษที่สามารถทนทานต่อการกัดกร่อน หรือการเปล่ียนชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่ บ่อยขน้ึ ซง่ึ มักพบว่าเปน็ ข้อจากัดหนงึ่ ต่อศกั ยภาพในเชงิ เศรษฐศาสตรข์ องเทคโนโลยีนี้ อุณหภมู นิ ้าคา้ งของซัลเฟอรใ์ นกา๊ ซไอเสยี สามารถคานวณไดด้ งั นี้ tsld =tld+ β√3 sx 1.05∞Ax โดยที่ tsld เป็นอุณหภมู ินา้ ค้างของไอนา้ ในกา๊ ซไอเสยี (°C ) S เป็นค่าสดั ส่วนซลั เฟอรใ์ นเชอื้ เพลิงทปี่ รบั แก้มีหน่วยเป็น (kg/kJ) Sx= 4187 Sar Qnet,ar Ax เป็นค่าสัดส่วนเท่าทีป่ รับแกม้ หี นว่ ยเป็น kg/kJ Ax= 4187 Aar Qnet,ar กลมุ่ วจิ ัย EnConLab 2-28 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คู่มอื การนาความร้อนทิ้งกลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนท้งิ กลบั มาใช้ในภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย Sar เปน็ องค์ประกอบซลั เฟอรใ์ นเชอ้ื เพลิงเป็นรอ้ ยละ Aar เป็นองคป์ ระกอบเถา้ ในเชื้อเพลิงเปน็ ร้อยละ Qnet,ar เปน็ ค่าความรอ้ นต่าของเชือ้ เพลงิ (kg/kJ) ∞ เปน็ fly ash factor β เปน็ ค่าอัตราส่วนอากาศส่วนเกินท่ีปลอ่ ยท้ิง  ความร้อนอุณหภูมิต่าต้องการพ้ืนท่ีในการแลกเปล่ียนความร้อนขนาดใหญ่ โดย อัตราการแลกเปล่ยี นความร้อนเป็นฟังก์ช่ันของค่าการนาความร้อน (Thermal conductivity) ของวัสดุท่ี ใช้ทาพื้นที่แลกเปล่ียนความร้อน ความแตกต่างของอุณหภูมิ และพ้ืนที่ผิวในการแลกเปล่ียนความร้อน เน่ืองจากการนาความร้อนท้ิงอุณหภูมิต่ามาใช้ จะมีความแตกต่างของอุณหภูมิสองสายที่มาแลกเปล่ียน ความรอ้ นกนั ต่า ทาให้ตอ้ งการพ้ืนทแ่ี ลกเปล่ียนความร้อนปริมาณมาก ทาให้เป็นขอ้ จากัดหน่ึงต่อศักยภาพ ในเชิงเศรษฐศาสตร์ของเทคโนโลยนี ี้  การนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ในช่วงความร้อนอุณหภูมิต่า จะเหมาะสมถ้าหาก โรงงานมีความต้องการใช้ความร้อนอุณหภูมิต่า ศักยภาพของแหล่งที่นาไปใช้ได้ เช่น การใช้น้าร้อนภายใน โรงงาน การทาความร้อนให้กับพื้นท่ี และการใช้ความร้อนอุณหภูมติ ่าในกระบวนการผลิต ทางเลอื กอื่นใน การนาไปใช้ รวมถึงการใช้ฮีตปั๊ม ในการยกระดับ (upgrade) ความร้อนต่าให้มีอุณหภูมิสูงข้ึนเล็กน้อย เพ่ือใหต้ รงกับโหลดความตอ้ งการที่มี เทคโนโลยีท่ีมีความเป็นไปได้ในการนาความร้อนอุณหภูมิต่ากลับมาใช้งาน ประกอบด้วย เ ท ค โ น โ ล ยี Deep Economizer, Indirect Contact Condensation Recovery, Direct Contact Condensation Recovery และที่พัฒนาล่าสุดเมื่อเร็วๆ น้ี คือ Transport Membrane Condenser (TMCs) อย่างไรก็ตามในเชิงพาณิชย์แล้ว ยังมีข้อจากัดเนื่องจากค่าใช้จ่ายเงินลงทุนที่สูง และขาดซ่ึงแหล่ง รบั เอาความรอ้ นไปใชง้ าน รวมถงึ การใช้งาน ฮตี ป๊มั และระบบผลติ ไฟฟา้ จากแหลง่ ความรอ้ นตา่ ท่บี ่อยครง้ั พบขอ้ จากดั ในเชิงเศรษฐศาสตร์ทไี่ มค่ ุ้มคา่ ต่อการลงทุน หลักการทางาน 1. อปุ กรณ์แลกเปลีย่ นความรอ้ นอุณหภูมติ ่า 1) Deep Economizer เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพ่ือลดอุณหภูมิไอเสียให้อยู่ท่ี ประมาณ 65-71oC แตเ่ พอื่ ให้สามารถทนทานตอ่ การกัดกรอ่ นได้ การออกแบบจะตอ้ งมี - ออกแบบให้ใช้วัสดุท่ีทนต่อการกัดกร่อนต่อความเป็นกรดของไอน้าท่ีกล่ันตัว ในช่วงปลายอุปกรณ์ Economizer เช่น การใช้วัสดุ Teflon หรือท่อสแตนเลส หรือการใช้ ทอ่ แบบแก้ว - การติดตัง้ ช่องทางระบายน้าคอนเดทเสทแบบท่เี ปลยี่ น หรอื ถอดทิ้งได้ ท่บี ริเวณ ปลายดา้ นอณุ หภูมิต่าของอีโคโนไมเซอร์ ซึง่ ท่อระบายน้าคอนเดทเสท อาจมีการสึกกร่อน และต้องทาการเปลี่ยนเป็นระยะ ท้ังนี้ ความถ่ีในการเปล่ียน ข้ึนอยู่กับองค์ประกอบของ ก๊าซไอเสยี และวสั ดุท่ีใชท้ าชดุ แลกเปลีย่ นความรอ้ น กล่มุ วจิ ยั EnConLab 2-29 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

คมู่ อื การนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความรอ้ นทิง้ กลบั มาใชใ้ นภาคธรุ กจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย 2) Indirect Contact Condensation Recovery เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยลดอุณหภูมิก๊าซ ไอเสีย ให้อยู่ที่ประมาณ 38-43oC และทาให้ไอน้าในก๊าซไอเสีย ควบแน่นจนเกือบหมด ภายในอุปกรณ์นี้ จะประกอบไปด้วย Shell & Tube ที่ใช้แลกเปลี่ยนความร้อนแบบไม่สัมผัสตรง และการออกแบบ จาเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษที่สามารถทนต่อการกัดกร่อนต่อความเป็นกรดของไอน้าที่กล่ันตัวได้ เช่น การใช้ วสั ดุ Teflon หรอื ทอ่ สแตนเลส หรือการใช้ทอ่ แบบแก้ว หรือวัสดุพิเศษอ่นื ๆ 3) Direct Contact Condensation Recovery เป็นอุปกรณ์ที่ใช้หลักการผสมสัมผัส ตรงระหว่างของไหลไอเสียร้อนกับของไหลสายเยน็ ท่ีมารับความร้อน เปน็ การให้ความร้อนท้ิงสมั ผัสกับของ ไหลโดยตรง เพ่ือลดความต้องการใช้พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ ตัวอย่างการใช้งานดังแสดงใน รปู ท่ี 2-20 เช่น ป้อนไอเสียเข้าเครื่อง Heat Exchanger และใช้น้าสเปรย์ทางด้านบนของปล่อง เพ่อื ให้น้า แลกเปลย่ี นรับความรอ้ นจนมอี ุณหภมู สิ งู ขนึ้ ก่อนนาไปถา่ ยเทความรอ้ นนาไปใช้งานตอ่ ไป รปู ท่ี 2-20 กราฟแสดงการนาความรอ้ นทง้ิ กลบั แบบ Direct Contact Condensation Heat Recovery 4) หมอ้ ไอน้าแบบคอนเดนซง่ิ [1] หม้อไอน้าท่ัวไปจะออกแบบไม่ให้เกิดการควบแน่นของก๊าซ ไอเสียเพื่อป้องกันการเกิดของเหลวที่เป็นเกรด และทาให้หม้อไอน้าเสียหาย ตรงกันข้าม หม้อไอน้าแบบ คอนเดนซิ่ง จะออกแบบให้ทนต่อการกัดกรอ่ นและใหไ้ อน้าในก๊าซไอเสยี เกิดการควบแนน่ โดยทั่วไปความ ร้อนจากการเผาไหม้ร้อยละ 10 ถูกใช้ในการะเหยน้าที่ได้จากปฏิกิริยาสันดาบให้กลายเป็นไอ ดังน้ันหาก สามารถเก็บความร้อนน้กี ลับมาได้จะทาให้นาความรอ้ นกลับมาใชไ้ ด้มากขึ้น ในหม้อไอน้าแบบคอนเดนซ่ิง ส่วนก๊าซไอเสียจะมีขนาดใหญ่ และมีเครื่องแลกเปล่ียนความร้อน ซึ่งมีน้าป้อนอุณหภูมิต่าพอไหลเข้ามา เพื่อให้ก๊าซไอเสียมีอุณหภูมิต่าลงจนถึงอุณหภูมิน้าค้างและควบแน่น กราฟใน รูปที่ 2-21 แสดง ประสิทธภิ าพของหมอ้ ไอน้าแบบคอนเดนซิง่ ที่สงู ข้นึ เพื่ออุณหภมู นิ า้ ป้อนตา่ ลง กลมุ่ วิจยั EnConLab 2-30 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

คมู่ ือการนาความรอ้ นท้งิ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความรอ้ นท้งิ กลบั มาใชใ้ นภาคธุรกิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย รปู ท่ี 2-21 กราฟประสิทธภิ าพของหม้อไอนา้ แบบคอนเดนซิง่ [4] 5) การนาความรอ้ นทง้ิ จากนา้ ระบายหมอ้ ไอนา้ กลับมาใช้ [4] แหล่งความร้อนอณุ หภมู ิตา่ อีกจุด คือ น้าระบายของหม้อไอน้า ซ่ึงจะมีการระบายทิ้งเป็นระยะเพ่ือควบคุมปริมาณสารแขวนลอยใน หม้อ ไอนา้ น้าหรือคอนเดนเสททป่ี ลอ่ ยท้ิงนจี้ ะมคี วามดนั และอุณหภมู ิเท่าไอน้าที่ผลิต ก.การใชถ้ งั แฟลช ข.การนาคอนเดนเสทกลับมาแลกเปลยี่ นกบั นา้ ปอ้ น รูปท่ี 2-22 การนาความร้อนทิง้ จากนา้ ระบายกลบั มาใช้ [4] การนาความร้อนท้ิงจากน้าระบายกลับมาใช้ มี 2 รูปแบบ ซ่ึงอาจจะมีท้ังสองแบบในระบบ เดียวกันก็ได้ แบบแรกน้าระบายความดันสูงถูกปล่อยลงในถังความดันต่าหรือถังแฟลซ น้าระบายจะ ขยายตัวเป็นไอน้าความดันต่าใช้งานในถังไล่อากาศ (Dearator) หรือใช้ในกระบวนการท่ีต้องการ ความดนั ต่า ตัวอย่างเช่น คอนเดนเสทอณุ หภูมิ 120°C จะผลติ ไอน้าความดนั 1 บารเ์ กจ กลมุ่ วจิ ัย EnConLab 2-31 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คูม่ อื การนาความรอ้ นท้ิงกลบั มาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนทงิ้ กลบั มาใช้ในภาคธุรกจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย อีกแบบคอื คอนเดนเสทความดนั ตา่ ซึ่งอาจจะเหลอื จากแบบแรก ผ่านเขา้ มาในเคร่อื งแลกเปล่ียน ความร้อนเพ่ิมอุณหภูมิน้าป้อนก่อนเข้าถังไล่อากาศ ซึ่งระบบท่ีมีการนาความร้อนกลับมาทั้งสอบแบบ ขา้ งตน้ จะสามารถนาความรอ้ นกลบั มาไดถ้ ึงร้อยละ 90 หม้อไอน้าที่มีการระบายน้าเกินร้อยละ 5 ระบบนาความร้อนทิ้งจากน้าระบายกลับมาใช้จะมี ความน่าสนใจอยา่ งยง่ิ 2. การใชง้ านฮีตป๊มั เพอื่ เพิ่มคุณภาพความรอ้ น (Heat pump) ในกรณีที่พลงั งานความร้อนทิ้งมีอุณหภูมติ ่ากว่าระดับอุณหภูมิท่ีแหลง่ รบั ความร้อนต้องการใช้งาน เทคโนโลยีฮตี ปั๊ม (Heat pump) จะนามาใช้เพ่อื ยกระดับเพ่ิมอุณหภูมิใหก้ ับความร้อนเหลือทิง้ ท่ีมีอุณหภูมิ ต่า เป็นการ “Upgrading” เพ่ิมอุณหภูมิจากอุณหภูมิต่าไปสู่อุณหภูมิสูงข้ึน เพ่ือให้เหมาะสมกับ กระบวนการ end-use ที่ต้องการนาความร้อนไปใช้งาน โดยฮีตป๊ัม จะใช้แหล่งพลังงานจากภายนอกเพ่อื ดดู พลงั งานจากแหล่งความร้อนต่าและปล่อยออกที่อุณหภูมิสงู ซงึ่ ลักษณะการใชง้ านฮีตป๊ัม สามารถทาได้ 2 ลักษณะ ข้ึนอยู่กับการออกแบบ คือ ทั้งการ upgrade ยกระดับอุณหภูมิของความร้อนท้ิงให้มีอุณหภูมิ หรือ การนาความร้อนท้ิงไปเป็นแหล่งพลังงานในการขับเคลื่อนระบบทาความเย็นแบบดูดซึม (Absorption cooling system) การยกระดับความร้อนท้ิง (upgrade) ด้วยฮีตป๊ัม จะมีศักยภาพเชิงเศรษฐศาสตร์ในบางกรณี ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิที่ต้องการและต้นทุนค่าใช้จ่ายค่าเช้ือเพลิงและไฟฟ้า ปัจจัยสาคัญใน การพิจารณาความเป็นไปได้ของการใช้ฮีตป๊ัม คือ อุณหภูมิของความร้อนท้ิงและระดับอุณหภูมิที่ต้องการ เพ่ิม เพ่ือให้เหมาะสมกับความต้องการของแหล่งรับความร้อน ถ้าแหล่งรับมีภาระความร้อน (heat load) ท่ตี อ้ งการใช้อุณหภมู สิ ูงแตกต่างจากอุณหภมู ิความร้อนทงิ้ ทีม่ ีในระดบั ทไี่ ม่ต่างกนั มาก จะมคี วามเหมาะสม ที่จะเพ่ิมประสิทธิภาพการนาความร้อนท้ิงกลับมาใช้ด้วยอุปกรณ์ฮีตป๊ัม นอกจากน้ี ชนิดของวงจรการนา ความร้อนกลับที่ใชแ้ ละชนิดของสารทางานจะมีอิทธิพลต่ออุณหภูมิรับและคายของฮีตปั๊มด้วย ซ่ึงจะส่งผล ต่ออุณหภูมิสูงสุดท่ียกขึ้นได้ของฮีตปั๊ม ตารางท่ี 2-5 แสดงชนิดของวงจรและสารทางานที่ใช้ฮีตป๊ัมสาหรบั การนาความรอ้ นทิ้งกลบั มาใช้ [1] ตารางที่ 2-5 แสดงชนิดของวงจรและสารทางานท่ใี ช้ฮตี ปม๊ั สาหรับการนาความร้อนทง้ิ กลับมาใช้ [1] ชนิดของฮีตปมั๊ อณุ หภูมิ อณุ หภูมิ ค่าใช้จ่ายเงนิ ลงทนุ ติดต้งั (บาท/kW) สูงสุดของ สงู สดุ ทเี่ พิม่ ตามขนาดของฮตี ปั๊ม Electric Motor Closed Compression แหล่งรบั Cycle (Sink Temp.) ระดับ 0.5 MW 1 MW 4 MW Diesel Motor Closed Compression 120oC Lift Temp.) Cycle 14,850 – 10,560 – 7,920 – Mechanical Vapor 130oC 120oC 23,100 18,150 13,860 Recompression 190oC Thermal Vapor Recompression 90oC 17,160 – 12,870 – 9,900 – 150oC 90oC 25,410 20,460 16,170 40oC 17,160 – 12,870 – 9,900 – 25,410 20,460 16,170 Not Available 6,930- 3,300 – 8,910 3,960 กลมุ่ วจิ ยั EnConLab 2-32 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบุรี

คู่มอื การนาความรอ้ นทิง้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอุตสาหกรรมในประเทศไทย ชนดิ ของฮีตป๊ัม อณุ หภมู ิ อุณหภมู ิ ค่าใช้จา่ ยเงินลงทุนติดต้งั (บาท/kW) ตามขนาดของฮตี ปม๊ั Absorption Cycle (Type I. Heat สูงสุดของ สงู สุดทีเ่ พมิ่ pump) 0.5 MW 1 MW 4 MW Absorption Cycle (Type I. Heat แหล่งรบั ระดบั Transformer) (Sink Temp.) Lift Temp.) 11,220- 9,900 – 8,250 – 12,780 1,1550 9,570 100oC 50oC 26,400 – 23,760 – 19,470 – 150oC 60oC 29,700 27,390 22,440  Closed Compression Cycle เปน็ การใช้อุปกรณ์ที่ดงึ ความร้อนจากแหล่งความร้อนทิ้ง อุณหภูมิต่า โดยใช้งานร่วมกับ Heat pump, Evaporator, Condenser เพื่อดึงความร้อนท้ิงอุณหภูมิต่า ส่วนน้ี ไปเพิ่มอุณหภูมิและนาไปใช้ในกระบวนการผลิตอื่นๆ รูปท่ี 2-23 แสดงตัวอย่างของระบบอัดแบบ ปิดที่นาความร้อนท้ิงจากน้าระบายความร้อนที่ออกจากระบบหม้อนึ่งฆ่าเช้ือ (Sterilizer) ในโรงงานผลิต นม ซ่งึ อุปกรณห์ ม้อนึง่ จะมีน้าระบายความร้อนท่ีอุณหภูมิ 53oC ถูกนามาระบายความร้อนเพ่ือลดอุณหภูมิ น้าระบายความร้อนท่ี Evaporator โดยสารทาความเย็นใน Evaporator เม่ือได้รับความร้อนและเข้าสู่ คอมเพรสเซอรข์ องชดุ ฮีตป๊มั จะใช้รับพลังงานเพ่ิมทาให้มีอณุ หภมู สิ งู ขึน้ ความร้อนในสารทาความเยน็ ที่อยู่ ในสภาพไอดง (Superheated) ท่ีออกจากชุดคอมเพรสเซอร์ จะนาไปถ่ายเทความร้อนเพิ่มอุณหภูมิใหก้ บั นา้ ร้อนที่ใช้ในกระบวนการผลติ ที่คอนเดนเซอร์ ต่อไป [1] รปู ที่ 2-23 แสดงลกั ษณะการทางานของฮตี ปัม๊ ท่ีใช้ในโรงงานผลิตนม  ฮีตปั๊มแบบดูดซึม (Absorption Heat pump) ลักษณะการทางานคล้ายคลึงกับระบบ closed compression cycle ยกเว้นชุดเครื่องอัดจะขับเคล่ือนการทางานด้วยระบบดูดซึมความร้อน ระบบนี้ มีการใช้งานได้ทั้งแบบ ฮีตป๊ัม“Type I” สามารถใช้กับพลังงานความร้อนท้ิงนาเข้าท่ีมีอุณหภมู ิที่ ต่ากว่าหรือสูงกว่าอุณหภูมิที่ปล่อยออก ณ ระดับอุณหภูมิใช้งานเฉล่ียปานกลางในช่วงกึ่งกลางระหว่าง อุณหภูมิด้านสูงกับด้านต่า สาหรับแบบ ฮีตป๊ัม “Type II”สามารถใช้กับพลังงานความร้อนท้ิงนาเข้าที่มี อุณหภูมิปานกลาง ท่ีอุณหภูมิท่ีปล่อยออก สามารถปล่อยออกเป็นสองสายคือ สายอุณหภูมิต่าและสาย อุณหภมู สิ ูง การใช้งานสามารถใชก้ บั ระบบปรบั อากาศ และหรอื ระบบทาความเยน็ กลุ่มวิจยั EnConLab 2-33 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบุรี

ค่มู ือการนาความร้อนทงิ้ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความร้อนทงิ้ กลับมาใชใ้ นภาคธรุ กิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย รปู ที่ 2-24 แสดงลักษณะการทางานของ ฮีตปมั๊ แบบดูดซมึ [14] การทางานของฮีตป๊ัมแบบดูดซึม ระบบประกอบด้วยอุปกรณ์สาคัญ 4 ส่วน คือ Generator ทา หน้าที่รับความร้อนจากแหล่งความร้อนคุณภาพสูงต่างๆ ทาหน้าที่ต้มสารทางานให้มีความเข้มข้น และนา กลับไปใช้ใหมท่ ี่ Absorber Condenser เป็นส่วนท่ีรับไอร้อนท่ีเกิดจากการระเหยใน Generator และถ่ายเทความร้อน ขั้นแรก ให้กับกระแสรอ้ นก่อนท่ีจะไปรบั ความร้อนอีกข้นั ที่ Absorber Evaporator ไอร้อนท่ีคายความร้อนในคอนเดนเซอร์จะควบแน่นเป็นของเหลวและกลับมาที่ อีเวปเปอร์เตอร์ เพื่อรับความรอ้ นทงิ้ คณุ ภาพตา่ และกลายเปน็ ไอ และป้อนกลบั มาที่ Absorber Absorber สารดูดซึมท่ีเข้มข้นจาก Generator จะจับตัวกับไอระเหยจาก Evaporator และคาย ความร้อนให้กระแสร้อน และจ่ายน้าร้อนออกมาใช้งาน ขณะท่ีสารดูดซึมที่เจือจางจะถูกป้ัมกลับไปต้มที่ Generator [13] การนาฮีตปั๊มแบบดูดซึมมาใช้ในอุตสาหกรรม นอกจากกระบวนการอบแห้งการระเหยยัง แพร่หลายมากในการนาความร้อนท้ิงมาใช้ Garimella ได้วิเคราะห์การใช้ฮีตป๊ัมแบบดูดซึมท่ีใช้ แอมโมเนียน้าเป็นสารทางาน ใช้ความร้อนท้ิงจากก๊าซร้อนอุณหภมู ิ 120°C อุ่นน้าอุณหภูมิ 43°C ผลิตน้า ร้อน 50°C ได้ 3.57 MW Cortes และ Rivera ใช้ความร้อนท้ิงจากอีเวปเปอร์เรเตอร์ของโรงงานเย่ือกระดาษ อุณหภูมิ 70-80°C ป้อนให้ฮีตป๊ัมแบบดดู ซึมและผลิตนา้ ร้อนอุณหภูมิ 90-120°C ป้อนให้กับหม้อไอน้า ซ่ึงลดการใช้ ก๊าซธรรมชาติลงได้ถงึ รอ้ ยละ 25 [13] กลุ่มวจิ ัย EnConLab 2-34 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

ค่มู อื การนาความรอ้ นท้งิ กลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย ในรปู ที่ 2-25 แสดงการใช้ฮตี ป๊มั แบบดูดซึมในโรงงานนมทมี่ ีขั้นตอนการฆ่าเช้อื (Pasteurization) ซึ่งต้องมีการอุ่นนมให้อุณหภูมิ 73°C และมีกระบวนการท่ีลดอุณหภูมิลงที่ 4°C ซ่ึงสามารถใช้ความร้อน จาก Absorber และ ความเยน็ จาก Desorber [13] รปู ท่ี 2-25 การใช้ฮีตปั๊มแบบดูดซึมในโรงงานนมทีม่ ีทง้ั การทาความร้อน และต้องการความเยน็ ความก้าวหน้าของเทคโนโลยี (State of the Art) เทคโนโลยีที่น่าสนใจในการนาความร้อนอุณหภูมิต่ากลับมาใช้ ได้แก่ เทคโนโลยีเมมเบรน และ การพัฒนาเพ่ิมสมรรถนะฮตี ป๊ัม Transport Membrane Condenser (TMCs) [14] เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาข้ึนเพื่อดึงทั้งความร้อนและน้าออกจากก๊าซไอเสีย โดยมีหลักการทางาน ของอุปกรณ์ ดังแสดงในรูปที่ 2-26 โดยเมมเบรนท่ีประกอบไปด้วยช้ันของท่อคอนเดนเซอร์เซรามิค ขนาดเล็กๆ (Capillary condensation) จานวนมาก ทาหน้าท่ีดึงเอาความร้อนและไอน้าที่มีอยู่ใน ก๊าซไอเสีย สกัดออกท่ีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้าค้างผ่านทาง TMCs เมมเบรน และรวบรวมเป็นน้าคอนเดน เสทร้อนป้อนกลับเข้าท่อน้าป้อนเข้าหม้อไอน้า โดยวิธีน้ี น้าคอนเดทเสทที่ได้ผ่านเย่อื ตัวกรองหรอื เมมเบรน จะลดสารปนเปื้อนในน้าได้ ซ่ึงจะแตกต่างจากวิธีการสัมผัสแลกเปลี่ยนความร้อนตรง (Direct contact condensation recovery) เทคโนโลยีนี้ได้ถูกพัฒนาทดลองใช้กับก๊าซไอเสียในหม้อไอน้าเช้ือเพลิง ก๊าซธรรมชาติ แต่เทคโนโลยีน้ียังต้องการพัฒนา R&D ในส่วนของวัสดุพิเศษที่นามาใช้สาหรับไอเสียท่ีมี ความสกปรกสูง รวมทัง้ TMC ท่มี ีความแขง็ แรงและทนทานตอ่ สารปนเปือ้ นในไอเสีย กลมุ่ วิจยั EnConLab 2-35 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบุรี

ค่มู ือการนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ในภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย รูปท่ี 2-26 แสดงลักษณะการทางานของ Transport Membrane Condenser (TMCs) เทคโนโลยีฮีตป๊มั สาหรับความร้อนทงิ้ [15] การพัฒนามุ่งไปสู่ฮีตป๊ัมแบบ 2 ข้ัน (2-stage) ซึ่งให้อัตราส่วนการอัดสูงกว่าและขนาดเล็กลง K.J Chau. และคณะได้แสดงให้เห็นว่าฮีตปั๊มแบบ 2 ขั้นที่ใช้ R22 เป็นสารทางานสาหรับระบบอบแห้งให้ ความร้อนได้มากกว่าแบบข้ันเดียวถึงร้อยละ 40 มีการทาการศึกษาเพ่ือเพ่ิมสมรถนะของฮีตปั๊ม เปรียบเทียบระบบที่ใช้ถังแฟลชร่วมกับคอมเพรสเซอร์แบบสคอลกับการใช้ sub cooler โดย Ma และ Zao ก็พบวา่ ถังแฟลชเพ่ิมประสทิ ธิภาพไดด้ ีกวา่ ในภาวะทอ่ี ุณหภมู แิ วดลอ้ มต่า Wei Yang และคณะได้วิเคราะห์เปรียบเทียบฮีตปั๊มแบบ 2 ขั้น 5 รูปแบบ เปรียบเทียบกับแบบ 1 ข้ัน พบว่าฮีตปั๊มท่ีร่วมกับถังแฟลชท่ีอุณหภูมิอีเวปเปอร์เรเตอร์ 35°C และอุณหภูมิน้าร้อนท่ีได้ 95°C ให้ค่าสมรรถนะที่ 4.2 เทียบกับแบบ 1 ข้ันที่สมรรถนะเพียง 3.3 และประเมินระยะเวลาคืนทุนของระบบ 4.4 ปี เทียบกบั แบบขนั้ เดยี วที่ 11.7 ปี ก. แบบขั้นเดียว 2-36 กลมุ่ วิจัย EnConLab มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบรุ ี

ค่มู อื การนาความรอ้ นทงิ้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศักยภาพและแนวทางการส่งเสรมิ การนาความร้อนทิง้ กลบั มาใช้ในภาคธรุ กิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย ข.แบบสองขั้น รูปที่ 2-27 แสดงลักษณะการทางานของฮีตปัม๊ แบบข้นั เดยี ว และสองขน้ั งานศึกษาฮีตปั๊มกับความร้อนท้ิงอุณหภูมิ ส่วนหน่ึงมุ่งไปท่ีการใช้งานกับน้าเสีย เน่ืองจากน้าเสีย จากโรงงานที่มีการใช้ความร้อน อุณหภูมิค่อนข้างสูงและคงท่ี ปัจจุบันมีการใช้ฮีตป๊ัมกับเสียมากกว่า 500 แหง่ ทั่วโลก โดยมีขนาดตง้ั แต่ 10 kW – 20 MW ใชง้ านกบั นา้ เสียอาคาร โรงงานนา้ เสียของเมืองหรือ ชมุ ชน ค่าสมรรถนะท่รี ายงานอย่ใู นช่วง 2.8-4.85 [16] 2.3.5 การผลติ ไฟฟา้ (Power generation) หลักการทางาน การผลติ ไฟฟ้าจากความร้อนท้ิง เช่นความร้อนท้งิ จากหม้อไอน้า สามารถใช้ขับเคลื่อนพลังงานกล เพ่ือผลิตกระแสไฟฟ้าได้ เม่ือพิจารณาถึงทางเลือกในการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนท้ิง เช่น วงจรไอน้าแบบ Steam Rankine Cycle, ระบบ Organic Rankine Cycle และ ระบบ Kalina Cycle เป็นต้น ปัจจัย สาคัญที่จะต้องพิจารณาคือข้อจากัดทางเทอร์โมไดนามิคส์ของระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ประสิทธิภาพ ของระบบจะข้ึนอยู่กบั ระดับอุณหภูมิของความร้อนทิ้งค่อนข้างมาก โดยทัว่ ไปการผลิตไฟฟา้ จากความร้อน ทง้ิ พบว่าจากัดอยู่ท่แี หล่งความรอ้ นทิ้งในระดับอณุ หภมู ปิ านกลาง – สงู กลมุ่ วิจยั EnConLab 2-37 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบุรี

คู่มอื การนาความร้อนทิ้งกลับมาใช้ โครงการศึกษาศักยภาพและแนวทางการสง่ เสริมการนาความร้อนท้ิงกลับมาใชใ้ นภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย 1) Steam Rankine Cycle (SRC) เป็นระบบการผลิตไฟฟ้าที่นิยมใช้มากท่ีสุด โดยนาความ ร้อนท้ิงมาใช้ผลิตไอน้าในการขับเคลื่อนกังหันไอน้า (Steam Turbine) วงจรการทางานดังแสดงใน แผนภาพรปู ท่ี 2-28 [1] รูปท่ี 2-28 แสดงลกั ษณะการทางานของการนาความร้อนทิ้งกลับด้วยระบบ Rankine Cycle [1] ซึ่งแม้ว่า SRC เป็นระบบท่ีมีประสิทธิภาพในการดึงความร้อนท้ิงกลับมาใช้ท่ีมีประสิทธิภาพสูง ทส่ี ดุ สาหรับการนาความร้อนท้ิงจากไอเสียท่ีมีอณุ หภูมสิ ูงกว่า 340-370oC แตท่ อี่ ณุ หภมู ิของความร้อนท้ิง ทต่ี า่ การทางานของไอน้าจะให้ประสิทธิผลที่ต่าลง เน่ืองมาจากอุณหภูมิความร้อนทิ้งที่ตา่ จะไม่สามารถให้ พลังงานท่ีเพียงพอที่จะทาให้เป็นไอน้าย่ิงยวดได้ (Superheat steam) และไอน้าที่ความดันต่าจะต้องการ อุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ นอกจากน้ีระบบยังต้องการอุปกรณ์ท่ีป้องกันการกลั่นตัวของคอนเดนเสทและ การกัดกร่อนของใบกังหันไอน้าด้วย ดังนั้น สาหรับความร้อนทิ้งที่มีอุณหภูมิต่า ระบบ Organic Rankine Cycle หรอื Kalina Cycle จะมีความเหมาะสมกวา่ 2) Organic Rankine Cycle (ORC) หลักการทางานจะคลา้ ยคลงึ กับ Steam Rankine Cycle (SRC) แต่จะนิยมใช้กับสารทางานท่ีเป็นของไหลประเภทสารประกอบอินทรีย์ชนิดที่มีจุดเดือดต่าและมี ความดันไอสูงกว่าน้า และมีมวลโมเลกุลสูงกว่าและให้อัตราการไหลเชิงมวลท่ีสูงกว่า เช่น น้ามันซิลิกอน (Silicon oil), โปรเพน (Propane), ฮาโลอัลเคน (halo alkanes), ไอโซเพนเทน (iso-pentane), ไอโซบิวเทน (iso-butane), พาราไซลนี (p-xylene) และ โทลูอนี (toluene) เปน็ ตน้ ทาใหร้ ะบบ Organic Rankine Cycle สามารถทางานได้ด้วยความร้อนท้ิงที่มีอุณหภูมิต่ากว่าได้ ทาให้ได้ประสิทธิภาพท่ีดีกว่า สาหรับแหล่งความร้อนอุณหภูมิ และทาให้ได้ประสิทธิภาพของกังหันไอน้าท่ีสูงกว่า โดยระบบ ORC สามารถนามาใช้กับแหล่งความร้อนทิ้งท่ีมีอุณหภูมิต่าประมาณ 150oC ได้ ในขณะที่ระบบไอน้าจะจากัดท่ี แหล่งความร้อนจะต้องมีอุณหภูมิสูงกว่า 260oC ในบางกรณีพบท่ีระดับอุณหภูมิความร้อนท้ิงที่ 66oC โดย ช่วงอณุ หภมู คิ วามรอ้ นทิ้งของระบบ ORC จะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกค์ของสารทางาน เมื่อ เปรียบเทียบกับสารทางานท่ีเป็นไอน้า สารทางานท่ีเป็นสารประกอบอินทรีย์ของระบบ ORC จะมีมวล โมเลกุลสงู กวา่ ใหอ้ ัตราการไหลเชงิ มวลท่สี งู กวา่ และให้ประสิทธภิ าพของเทอร์ไบน์ทสี่ ูงกวา่ และทาใหก้ าร ออกแบบระบบเล็กกะทัดรัดกว่า อย่างไรก็ตาม ต้องระลึกไว้ว่า เมื่อระบบวงจรทางานที่อุณหภูมิต่าจะให้ ประสิทธิภาพรวมท่ีต่ากว่าวงจรทางานที่อุณหภูมสิ ูง โดยประสิทธภิ าพของระบบ ORC โดยรวม (Overall efficiency) จะมีคา่ ประมาณ 10-20% เท่าน้นั ซึ่งขึน้ อย่กู บั อณุ หภมู ขิ องชุดอแี วบโปเรเตอร์ (Evaporator) กลุ่มวจิ ัย EnConLab 2-38 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบรุ ี

คมู่ อื การนาความรอ้ นทิง้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการส่งเสริมการนาความรอ้ นท้งิ กลับมาใชใ้ นภาคธุรกจิ และอตุ สาหกรรมในประเทศไทย และคอนเดนเซอร์(Condenser) หากเทียบกับระบบที่ใช้อุณหภูมิสูง ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบผลิต ไฟฟ้าจากไอน้าท่ีมีอุณหภูมิสูงจะมีประสิทธิภาพ 30-40% ท้ังนี้ข้อจากัดของประสิทธิภาพ อธิบายได้ด้วย สมการ Carnot Efficiency ประสทิ ธภิ าพสงู สุดท่ีเป็นไปได้สาหรับเคร่ืองยนต์ความร้อน จะข้ึนอยู่กบั ความ แตกตา่ งของอุณหภูมสิ ารทางานท่ีสงู สุดและอุณหภมู ขิ องสารทางานทีจ่ ุดต่าสดุ รูปที่ 2-29 แสดงลักษณะการทางานของระบบ ORC [1] ระบบ ORC น้ีเป็นเทคโนโลยีที่มีการใช้งานในเชิงพาณิชย์อย่างน้อย 30 แห่งทั่วโลก พบใช้งาน ทั่วไปในระบบของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ และแหล่ง ความร้อนท้ิง และใช้กับอุปกรณ์นาความร้อนกลับมาใช้ประโยชน์ในชุดอัดความดัน (Compressor) ตัวอย่างของการใช้งานที่ประสบผลสาเร็จ เช่นโรงงานปูนซีเมนต์ที่ Bavaria ประเทศเยอรมนี ใช้ระบบ ORC ในการนาความร้อนท้ิงจากการระบายความร้อนเม็ดปูน (Clinker cooler) ที่ก๊าซไอเสียมีอุณหภูมิ 500oC ระบบสามารถผลิตไฟฟ้าป้อนได้ที่ร้อยละ 12 ของความต้องการพลังงานไฟฟ้าท้ังหมดของโรงงาน และสามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ประมาณ 7,000 ตัน แม้ว่าการประยุกต์นาระบบ ORC ไปใช้จะต้องมีการพิจารณาวิเคราะหถ์ ึงความคุ้มค่าในเชิงเศรษฐศาสตร์ให้ละเอียด แตเ่ ปน็ ทางเลือกท่ี น่าสนใจสาหรับอุตสาหกรรมที่กระบวนการผลติ ในโรงงานไม่มีทางเลอื กในการนาความร้อนท้ิงไปใช้ดว้ ยวิธี อนื่ ๆ หรือไม่มีโรงงานขา้ งเคียงที่สามารถนาความรอ้ นทิง้ ที่มีไปใชไ้ ด้ [1] 3) Kalina Cycle เปน็ ระบบการทางานแบบ Rankine Cycle ชนดิ หนง่ึ ทใี่ ช้สารทางานเป็นของ ไหลท่ีเป็นสารประกอบ 2 ชนิด (Binary Fluids) เช่นสารประกอบผสมแอมโมเนียกับน้า เป็นการใช้ความ แตกต่างของจุดเดือดและจุดควบแน่นของสารสองชนิดที่แตกต่างกัน และใช้หลักของการให้และการรับ ความร้อนของไอสารทางาน (Evaporation phase) ที่สภาวะความเข้มข้นต่างๆ เพื่อนามาใช้แลกเปล่ียน เพ่มิ อุณหภมู ิแกร่ ะบบ ซ่ึงจะทาใหส้ ามารถดึงเอาพลงั งานออกจากแหลง่ ความรอ้ นได้มีประสิทธิภาพมากข้ึน เป็นการเพ่ิมประสิทธิภาพของระบบผลิตไฟฟ้าโดยรวม ความแตกต่างท่ีสาคัญของการใช้สารทางานแบบ ของไหลผสมสารประกอบ 2 ชนดิ คอื รูปแบบการเปล่ียนแปลงของอณุ หภูมิในชว่ งจุดเดือด (boiling) และ ช่วงกล่ันตัว (Condensation) โดยที่สารทางานท่ีเป็น Binary Fluid อยู่ในท้ังสองช่วงดังกล่าวจะไม่คงที่ จะมีการเปลี่ยนแปลงเพิ่มขึ้นตลอดเวลาในช่วงเดือด และลดลงในช่วงกลั่นตัว ทาให้ประสิทธิภาพตาม กลมุ่ วิจัย EnConLab 2-39 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลา้ ธนบุรี

คูม่ อื การนาความรอ้ นท้ิงกลบั มาใช้ โครงการศึกษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความร้อนทิง้ กลบั มาใชใ้ นภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมในประเทศไทย Carnot Efficiency มีค่าเพม่ิ ข้ึน ดงั แสดงไดแ้ ผนภาพอย่างง่ายและ ไดอะแกรม T-S ในรูปท่ี 2-30 ในขณะ ท่ีถา้ สารทางานแบบชนิดเดยี ว อุณหภมู ิของสารทางานในทง้ั สองชว่ งดังกล่าวจะมีคา่ คงที่ [1] รปู ที่ 2-30 แสดงลกั ษณะการทางานของการนาความร้อนทิ้งกลับด้วยระบบ Kalina Cycle จากไดอะแกรม T-S จะเห็นว่าสาหรับวงจร Rangkine ท่ีสารทางานคือน้า เม่ือความร้อนถ่ายเท ให้กับสารทางาน อุณหภูมิของสารทางานที่เป็นน้าจะค่อยๆ เพ่ิมข้ึนอย่างช้าๆ จนกระทั่งถึงอุณหภูมิจุด เดือด และจะคงที่จนกระทั่งน้าระเหยหมด แต่สาหรับสาร Binary Fluid ท่ีสารผสมสองชนดิ มีอุณหภมู จิ ดุ เดือดที่แตกต่างกัน อุณหภูมิในช่วงจุดเดือดนี้ จะไม่คงท่ี โดนมีการเพ่ิมขึ้นเร่ือยๆ ในช่วงที่เกิดการระเหย และในช่วงกลั่นตัวอุณหภูมิก็จะลดลงเร่ือยๆ ส่งผลให้ระบบมีประสิทธิภาพที่สูงกว่า และสามารถปรับการ แลกเปล่ยี นความรอ้ นของแหล่งความร้อนทง้ิ กับตวั กลางในการรบั ความรอ้ นไดด้ ีกว่า ระบบ Kalina Cycle สามารถทางานที่ความร้อนท้ิงที่ช่วงอุณหภูมิ 95°C ถึง 550°C และให้ ประสิทธภิ าพสูงกวา่ ระบบแบบ ORC ได้ถงึ 15-25% ณ ระดับอุณหภมู คิ วามร้อนทง้ิ เดียวกัน ระบบนพ้ี บวา่ เป็นที่นิยมใช้งานในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพที่แหล่งน้าความร้อนท้ิงมีอุณหภูมิต่ากว่า 150°C ตัวอย่างของการใช้งานที่ประสบผลสาเร็จ เช่นโรงงานเหล็กที่ประเทศญ่ีปุ่น ในปี 1999 โดยเป็นการนา ความร้อนทิ้งจากเตาเผาขยะชุมชน และความร้อนจากกระบวนการระบายความร้อนไฮโดรคาร์บอน สามารถนามาผลติ กระแสไฟฟ้าดว้ ยระบบ Kalina Cycle จากน้าระบายความร้อนที่อุณหภูมิ 98oC โดยใช้ อัตราการไหลของน้าระบายความร้อน 1,300 ตันต่อช่ัวโมง ให้พลังงานไฟฟ้า 4,500 kW ใช้เงินลงทุน 4 ล้านดอลลาร์สหรฐั หรอื คดิ เป็น $1,100/kW กลุ่มวิจยั EnConLab 2-40 มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

คู่มอื การนาความร้อนทิง้ กลบั มาใช้ โครงการศกึ ษาศกั ยภาพและแนวทางการสง่ เสรมิ การนาความรอ้ นทง้ิ กลับมาใช้ในภาคธรุ กิจและอตุ สาหกรรมในประเทศไทย ตารางที่ 2-6 ตวั อย่างของการติดตัง้ ใช้งานระบบ Kalina [17] ไฟฟา้ ทีไ่ ด้ แหล่งความ สถานที่ ปีทต่ี ิดต้ัง ประเทศ แหลง่ ความร้อน รอ้ น 3,450 kW 98 °C Kashima 1999 ญ่ปี ุ่น น้าระบายความร้อน 1,700 kW 121 °C 3,900 kW 118 °C Husavik 2000 ไอซ์แลนด์ น้ารอ้ นใต้พิภพ 3,400 kW 122.35 °C Fuji Oil 2005 ญป่ี ุน่ กระบวนการปิโตรเคมี 580 kW 118 °C 50 kW 92 °C Unterhaching 2009 เยอรมนั นา้ รอ้ นใต้พภิ พ Bruchsal 2009 เยอรมนั นา้ ร้อนใต้พภิ พ Expo2010 2010 จีน พลงั แสงอาทติ ย์ ตารางสรปุ เทคโนโลยีการผลติ ไฟฟ้าจากความรอ้ นทิ้งดังแสดงในตารางท่ี 2-7 ตารางที่ 2-7 แสดงสรปุ เทคโนโลยกี ารผลติ ไฟฟ้าจากความรอ้ นทง้ิ ท่ีมาการศึกษาพฒั นาขนึ้ [1] เทคโนโลยี ชว่ ง ชนิดแหลง่ ของความร้อนท้ิง เงนิ ลงทุน อุณหภูมิ บาท/kW ระบบผลิตไฟฟ้าดว้ ยวงจร ปานกลาง, ก๊าซไอเสยี จากกงั หนั ไอแกส๊ (Exhaust 36,300 – 46,200 /kWf ไอน้าแบบปกติ สงู Gas Turbine) เครื่องยนต์แบบลกู สบู (Traditional steam (Reciprocating) เตาเผาขยะ cycle)a (incinerator) และเตาหลอม (Furnace) ระบบผลิตไฟฟา้ แบบ ตา่ , ก๊าซไอเสยี จากกงั หนั ไอแกส๊ (Exhaust 36,300 – 49,500 /kWf Kalina Cycleb ปานกลาง Gas Turbine) กา๊ ซไอเสียจากหมอ้ ไอ น้า (Boiler exhaust) ความร้อนท้ิงจากเตาเผาปนู ซเี มนต์ (cement kilns) ระบบผลติ ไฟฟ้า แบบ ตา่ , ก๊าซไอเสยี จากกงั หนั ไอแกส๊ (Exhaust 36,300 – 115,500 /kWf Organic Ranine ปานกลาง Gas Turbine) ก๊าซไอเสยี จากหม้อไอ Cyclec,e นา้ (Boiler exhaust) น้ารอ้ น ความร้อนท้งิ จากเตาเผาปูนซเี มนต์ (cement kilns) a Sean Casten, 2003, Update on US Steam Turbine Technology, Presented to Canadian District Energy Association 8th Annual Conference June 20th 2003. b BSC, Inc., Engineering Scoping Study of Thermoelectric Generator Systems for Industrial Waste Heat Recovery c Daniel Duffy, “Better Cogeneration through Chemistry : the Organic Rankine Cycle d based on cement kiln waste heat recovery project economics. Mark Mirolli, “The Kalina Cycle for Cement Kiln Waste Heat Recovery Power Plants.” Cement Industry Technical Conference, 2005. 15-20 May 2005. e “Organic Rankine Cycle for Electricity Generation” http://www.stowa-selectedtechnologies.nl กลุ่มวจิ ัย EnConLab 2-41 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบรุ ี