วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปีที่14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2563

96 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 [8] T. Marnoto, E. Sulistyowati, Mahereni pp. 14-19, 2017. and M. Syahri, “The Characteristic of Heat [12] P. Wongpaisarnkit, K. Treeamnuk and T. Pump Dehumidifier Drier in Drying of Red Treeamnuk, “Thermal performance Chili (Capsium annum L),” International evaluation of thermoelectric module,” Journal of Science and Engineer, vol. 3, in Proceeding of 8th International no. 1, pp. 22-25, 2012. Conference On Advances In Mechanical, [9] T. Kivevele and Z. Huan, “A review on Aeronautical and Production Techniques opportunities for the development of (MAPT2018), Kuala Lumper, Malaysia, heat pump drying systems in South 2018, pp. 25-29. Africa,” S Afr J Sci, vol. 110, no. 5/6, [13] A. Chakraverty and R. P. Singh, Postharvest pp. 1-11, 2013. Technology: Cereals, Pulses, Fruits and [10] R. He, H. Zhong, Y. Cai, D. Liu and F. Zhao, Vegetables, Enfield (NH), USA, 2001. “Theoretical and Experimental [14] S. Kaleemullah and R. Kailappan, Investigations of Thermoelectric “Moisture Sorption Isotherms of Red Refrigeration Box Used for Medical Chillies,” Biosystems Engineering, vol 88, Service,” Procedia Engineering, vol. 205, issue 1, pp. 95-104, 2004. pp. 1215-1222, 2017. [15] H. Wang, J. Peng, C. Xie, Y. Bao and Y. He, [11] H. Al-Madhhachi and G. Min, “Effective “Fruit Quality Evaluation Using use of thermoelectric module for Spectroscopy Technology: A Review,” developing efficient thermoelectric Sensors, vol. 15, pp. 11889-11927, 2015. water distillation system,” Energy Conversion and Management, vol. 133,

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 97 http://journal.rmutp.ac.th/ การศกึ ษาเชิงเปรียบเทียบระหว่างโรงไฟฟา้ โออาร์ซีแบบซับครติ ิคลั โรงไฟฟ้าโออาร์ซแี บบซปุ เปอร์ครติ ิคลั และโรงไฟฟา้ แรงคนิ ไซเคลิ แบบไตรแลทเตอรลั ส�ำหรบั แหล่งความรอ้ นที่อุณหภมู ิ 210-250 องศาเซลเซียส ธงชัย เทียมทดั และ อาทติ ย์ คณู ศรสี ุข* ส�ำนักวิชาวศิ วกรรมศาสตร์ สาขาวิชาวศิ วกรรมเครอื่ งกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยสี รุ นารี 111 ถนนมหาวิทยาลัย ต�ำบลสุรนารี อ�ำเภอเมือง จงั หวัดนครราชสมี า 30000 รับบทความ 21 มิถนุ ายน 2562 แกไ้ ขบทความ 28 เมษายน 2563 ตอบรับบทความ 5 พฤษภาคม 2563 บทคดั ย่อ การศึกษาประสิทธิภาพของระบบวัฏจักรโออาร์ซีแบบซับคริติคัล วัฏจักรโออาร์ซีแบบซุปเปอร์คริติคัล และวฏั จักรโออาร์ซแี บบไตรแลทเตอรลั ของอณุ หภูมิแหล่งความรอ้ นระหว่าง 210–250 องศาเซลเซยี ส โดยทำ� การ ศึกษาและเปรียบเทียบ ดว้ ยการใชส้ ารทำ� งานทแี่ ตกตา่ งกันออกไป โดยใช้โปรแกรมส�ำเร็จรปู MATLAB และใชฐ้ าน ข้อมูลท่ีใช้ในการค�ำนวณจาก NIST REFPROP และท�ำการเปรียบเทียบผลการจ�ำลองกับงานวิจัยอ่ืนเพื่อท�ำการ เปรยี บเทยี บ โดยการหาจดุ ทไี่ ดง้ านสงู ทส่ี ดุ จะใชก้ ารจำ� ลองทก่ี ระบวนการ Golden-section search โดยทำ� การศกึ ษา ผลของงานสุทธสิ งู สุดของระบบ ขนาดของอุปกรณ์ ความดนั ที่ Condenser และ อัตราการขยายตัวของสารท�ำงาน ท่ี Expander ผลการจ�ำลองพบว่างานสุทธิสูงสุดเท่ากับ 141.72 กิโลวัตต์ จะเป็นการจ�ำลองที่ใช้เป็นวัฏจักร โออารซ์ แี บบซปุ เปอร์คริติคัล ใชส้ ารท�ำงานเป็น R141b โดยมีอุณหภมู แิ หลง่ ความร้อนเท่ากบั 250 องศาเซลเซียส โดยมีประสิทธิภาพเท่ากับร้อยละ 16.25 และเมื่อท�ำการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีแบบซับคริติคัล โดยใช้แหล่ง ความร้อนเดียวกัน พบว่าเมื่อใช้ Pentane เป็นสารท�ำงานนั้นจะสามารถให้งานได้สูงสุดท่ี 133.40 กิโลวัตต์ และประสิทธิภาพเท่ากบั ร้อยละ 15.70 นอกจากนีง้ านสุทธสิ ูงสดุ ไดเ้ ทา่ กบั 133.82 กิโลวัตต์ ประสทิ ธภิ าพเท่ากับ รอ้ ยละ 14.90 ใชส้ ารทำ� งานเปน็ R141b เปน็ จำ� ลองวฏั จกั รโออารซ์ แี บบไตรแลทเตอรลั จากการจำ� ลอง Off-design การปรับอัตราการไหลสารท�ำงานทเี่ หมาะสม สามารถชว่ ยชดเชยงานสทุ ธใิ หเ้ พมิ่ มากข้ึนได้ ค�ำสำ� คญั : วฏั จกั รโออารซ์ แี บบซบั ครติ คิ ลั ; วฏั จกั รโออารซ์ แี บบซปุ เปอรค์ รติ คิ ลั ; วฏั จกั รแรงคนิ แบบไตรแลทเตอรลั ; การจ�ำลองเม่อื สภาวะเปลีย่ นแปลง; การเลอื กสารทำ� งาน * ผู้นพิ นธ์ประสานงาน โทร: +66 4422 4410, ไปรษณียอ์ เิ ลก็ ทรอนกิ ส์: [email protected]

98 วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ Comparative Investigation of a Subcritical ORC, Supercritical ORC, and Trilateral Rankine Cycle Power Plant for a Heat Source Temperature of 210-250°C Thongchai Taemtat and Atit Koonsrisuk* Intitiute of engineering School of mechanical engineering Suranaree university 111 University Rd., Suranari Subdistrict, Mueang Nakhon Ratchasima District, Nakhon Ratchasima 30000 Thailand Received 21 June 2019; Revised 28 April 2020; Accepted 5 May 2020 Abstract The performance investigations of subcritical ORC, supercritical ORC, and trilateral Rankine cycle (TLC) power plants with the heat source temperatures of 210-250°C were conducted and compared in this study. Several working fluids were evaluated. A MATLAB code was developed and used in this study. The thermodynamic properties of the working fluids were calculated by using NIST REFPROP program. The justification of the code was validated with a result taken from the literature. The optimal operating conditions were searched using the golden-section technique. The maximum net output power of 141.72 kW was obtained when using the supercritical ORC plant with R141b as its working fluid and the heat source temperature was at 250°C. The corresponding cycle efficiency was 16.25%. When using the subcritical plant at the same heat source temperature, the maximum net output power of 133.40 kW and cycle efficiency of 15.70% are obtained when pentane is used as the working fluid. Furthermore, the net output power of 133.82 kW and cycle efficiency of 14.90% are obtained when using R141b as the working fluid in the TLC power plant. According to the off-design simulations, an appropriate adjustment of the working fluid flow rate can mitigate the variation of the net output power. Keywords : Subcritical ORC; Supercritical ORC; Trilateral Rankine Cycle; Off-design Simulation; Working Fluid Selection * Corresponding Author. Tel.: +66 4422 4410, E-mail Address: [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 99 1. บทนำ� สงู สดุ ท่ี 81.52 กโิ ลวตั ต์ อกี ทง้ั จากการศกึ ษา ไดท้ ำ� การ ศึกษาวัฏจักรโออาร์ซีแบบ Supercritical โดยใช้ โดยทว่ั ไปการผลติ ไฟฟา้ จะผลติ จากการใชพ้ ลงั งาน แหล่งความร้อนจาก Linear Fresnel Reflector ฟอสซิล อาทิ น�ำ้ มัน ถา่ นหนิ และกา๊ ซธรรมชาติ เป็น Solar Concentrator เพื่อให้พลังงานความร้อนท่ี พลังงานแหล่งความร้อนท่ีใช้ในการผลิตไฟฟ้า [1] ซ่ึง อุณหภูมิระหว่าง 150–350 องศาเซลเซยี ส กับระบบ ในประเทศไทยมีการผลิตไฟฟ้าโดยใช้ถ่านหินมากถึง โดยผลการศึกษาพบว่าได้พลังงานสูงสุดท่ี 190.5 รอ้ ยละ 19 จากจำ� นวนการผลติ ทงั้ หมดในปี พ.ศ. 2556 กิโลวตั ต์ [9] ซึ่งการท�ำการผลิตไฟฟ้าโดยใช่ถ่านหินน้ันจะท�ำให้เกิด นอกจากวัฏจักรโออาร์ซีแบบ Supercritical มลพิษทางอากาศสูงไม่ว่าจะเป็น Sulfur Dioxide ท่ี แล้วยังมีแบบ Subcritical อีกด้วย อาทิ การศึกษา ท�ำลายชั้นบรรยากาศหรือการเกิดฝนกรด [2] ซึ่งเป็น การใชส้ ารทำ� งาน R1234ze ทอ่ี ณุ หภมู แิ หลง่ ความรอ้ น อนั ตรายต่อสภาพแวดลอ้ มและมนุษย์ [3] 100–200 องศาเซลเซียส โดยผลการทดลอง พลงั งาน ปัจจุบันมีการน�ำวัฏจักรหน่ึงมาใช้ในการผลิต ไฟฟ้าสูงสุดเท่ากับ 85 กิโลวัตต์ [10] มีการศึกษา ไฟฟ้าโดยใช้แหล่งความร้อนจากความร้อนท้ิงกลับมา การนำ� ความรอ้ นทงิ้ จากการคว่ั กาแฟ โดยความรอ้ นทงิ้ ใช้ประโยชน์ (Waste Heat Recovery) เป็นแหล่ง มอี ณุ หภมู เิ ทา่ กบั 120 องศาเซลเซยี ส ผลการศกึ ษาพบวา่ ความร้อนที่ให้พลังงานในวัฏจักร คือวัฏจักรโออาร์ซี พลงั งานทไ่ี ด้เท่ากับ 26.6 กโิ ลวตั ต์ โดยใชส้ ารทำ� งาน (Organic Rankine Cycle) มักจะใช้สารท�ำงานทเ่ี ป็น R227ea [11] และการศึกษาการนำ� ความรอ้ นทิ้งจาก สารท�ำความเย็นที่มีจุดเดือดไม่สูง อาทิ R410a และ เครอื่ งยนตม์ าใชใ้ นการผลติ ไฟฟา้ โดยผลของการศกึ ษา R407c เป็นต้น [4] ซ่ึงเป็นการผลิตกระแสไฟฟ้าโดย แสดงว่าสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดเท่ากับ ไม่สรา้ งมลพษิ มากนัก [5] 2.56 กโิ ลวตั ต์ สำ� หรบั เครอื่ งยนตท์ มี่ กี ำ� ลงั เบรก เทา่ กบั ทั้งน้ีประเทศไทยเป็นประเทศที่มีพลังงานความ 93 กิโลวตั ต์ [12] รอ้ นทงิ้ คดิ เปน็ รอ้ ยละ 65.3 โดยขอ้ มลู รายงานพลงั งาน นอกจากนยี้ งั มอี กี แบบทเี่ รยี กกวา่ TrilateralORC ทดแทนของประเทศไทยปี พ.ศ. 2558 จากพลังงาน ซ่ึงในการศึกษาของ [13] ได้ท�ำการจ�ำลองการใช้ ทิ้งท้ังหมดท่ีสามารถน�ำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยเป็น Trilateral ORC ท่แี หล่งความรอ้ นเทา่ กบั 120 องศา พลงั งานจากพลังงานแสงอาทติ ย์ ชีวมวล กา๊ ซชีวภาพ เซลเซียส ได้งานสุทธิสูงสุดเท่ากับ 2.3 เมกกะวัตต์ และขยะ [6] โดยพลงั งานดงั กลา่ วสามารถนำ� มาใชเ้ ปน็ โดยใช้ Isobutane เป็นสารท�ำงาน ประสิทธิภาพเชิง พลังงานทดแทนเพื่อให้พลังงานความร้อนกับวัฏจักร ความร้อนเท่ากับรอ้ ยละ 8.16 โออารซ์ ีเพ่อื ผลิตกระแสไฟฟ้า ในสภาพการท�ำงานจริงนั้นไม่สามารถบังคับ ปัจจุบันได้มีการศึกษาวัฏจักรโออาร์ซีแบบ ให้สภาพแวดล้อม และแหล่งความร้อนคงที่ตามที่ได้ Supercritical อาทิ ผลการศกึ ษาของวัฏจักรโออารซ์ ี ออกแบบไว้ได้ เน่ืองจากสภาพแหล่งความร้อน และ [7] ไดท้ ำ� การจำ� ลองโดยใชพ้ ลงั งานความรอ้ นจากแหลง่ สภาพแวดล้อมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ซ่ึงเป็นผลให้ ความร้อนท้งิ ทม่ี าจาก Ranking Cycle ท่ชี ่วงอุณหภมู ิ ระบบไม่สามารถท�ำงานได้ดังเดิม ดังน้ัน ระบบควร 350–500 เคลวิน ในการจ�ำลอง ผลที่ได้คือได้รับ จะสามารถปรับได้ตามสภาพแหล่งทิ้งความร้อน และ พลังงานสูงสุดท่ี 220 กิโลวัตต์ และการศึกษาของ แหล่งความร้อนเพ่ือรักษาให้งานที่ระบบเท่าเดิม H. Yağlı et al. [8] ได้ท�ำการศึกษาวัฏจักรโออาร์ซี โดยจะเรียกกระบวนการดังกล่าวว่า Off-design โดย แบบ Supercritical ที่ใช้ก๊าซชีวภาพให้เป็น การออกแบบดงั กลา่ วมกี ารศกึ ษา เชน่ A. Benato et al. พลังงานความร้อนกับระบบโดยผลที่ได้คือได้พลังงาน

100 วารสารวชิ าการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 [14] ได้แสดงว่าการเปล่ียนแปลงของแหล่งความร้อน ∆TPP = ผลตา่ งของอณุ หภมู ทิ นี่ อ้ ยทส่ี ดุ ระหวา่ งสาร แปรผันตรงต่อพลังงานที่วัฏจักรสามารถท�ำได้ โดย ท�ำงานกับแหล่งความร้อน หรือแหล่งท้ิง ถ้าพลังงานความร้อนของแหล่งความร้อนเพ่ิมขึ้น ความรอ้ น ขออปุ กรณแ์ ลกเปลยี่ นความรอ้ น จะท�ำให้พลังงานท่ีได้จากวัฏจักรเพ่ิมสูงขึ้น และ (°C, K) การศกึ ษาของ Y. Cao และ Y. Dai [15] ได้แสดงว่า ηisen = ประสทิ ธภิ าพไอเซนโทรปกิ การที่พลังงานแหล่งความร้อนสูงขึ้นรวมถึงอุณหภูมิ ηth = ประสิทธิภาพเชงิ ความรอ้ น สภาพแวดลอ้ มสูงขน้ึ จะทำ� ใหไ้ ดง้ านเพ่มิ มากขนึ้ hs = แหล่งความร้อน จากที่ได้กล่าวมาจะเหน็ ไดว้ า่ การนำ� ความรอ้ น cf = แหล่งทงิ้ ความรอ้ น ท้ิงท่ีมีอยู่แล้วสามารถน�ำมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า wf = สารท�ำงานของระบบ ได้ ซงึ่ เปน็ การใชพ้ ลงั งานทม่ี อี ยอู่ ยา่ งจำ� กดั ใหเ้ กดิ ความ cond. = Condenser ของระบบ คุ้มค่า และเพ่ือให้เกิดประสิทธิผลสูงสุดต่อการน�ำไป evap. = Evaporator ของระบบ สรา้ งระบบจรงิ จงึ ทำ� ใหก้ ารศกึ ษานมี้ วี ตั ถปุ ระสงคเ์ พอ่ื tur. = Turbine หรือ Expander ของระบบ ศกึ ษาความเปน็ ไปไดข้ องการนำ� พลงั งานงานความรอ้ น ทง้ิ ท่ีอณุ หภูมชิ ว่ ง 210–250 องศาเซลเซยี ส กลับมาใช้ 2.2 การเลอื กสารทำ� งาน ในการผลิตกระแสไฟฟ้าเพ่ือให้เกิดประโยชน์สูงสุด ของการใช้พลังงานและการปรับแปลงค่าในระบบ ในการจ�ำลองระบบจะมีการใช้หลักการเลือก วัฏจักรโออาร์ซีและเมื่อเกิดการการแปรผันของความ สารท�ำงานที่เหมาสมกับอุณหภูมิที่ 210, 230 และ ร้อนที่ให้กับระบบและสภาพอากาศเพ่ือให้ได้พลังงาน 250 องศาเซลเซยี ส ในการเลอื กสารทำ� งานของวฏั จกั ร สุทธใิ กลเ้ คียงกบั คา่ ท่ีไดอ้ อกแบบไว้ โออารซ์ แี บบ Subcritical โดยหลกั การเลอื กสารทำ� งาน ท่ีใช้จะเลือกโดยให้มีอุณหภูมิวิกฤตเท่ากับอุณหภูมิ 2. ระเบยี บวธิ ีวจิ ยั แหลง่ ความรอ้ น [16] และโดยหลกั การเลอื กสารทำ� งาน ทใี่ ช้กับระบบแบบวฏั จกั รโออาร์ซีแบบ Supercritical 2.1 รายการสญั ลกั ษณ์ จะเลือกให้สารท�ำงานมีอุณหภูมิวิกฤตต่�ำกว่าอุณหภูมิ แหลง่ ความรอ้ น 30–50 องศาเซลเซยี ส ตามการแนะนำ� Ẇ = อตั รางานในระบบ (kW) ของการศึกษาของ J. Hærvig et al. [17] และในสว่ น Q = อัตราถา่ ยเทความรอ้ นในระบบ (kW) ของ Trilatral ORC ยังไม่มีเกณฑ์ในการเลือกสาร h = คา่ Enthalpy ของสารทำ� งาน (kJ/kg) ท�ำงาน โดยจะท�ำการหาเกณฑ์การเลือกสารท�ำงาน ṁ = อตั ราการไหล (kg/s) จากการจ�ำลอง T = อณุ หภูมิ (°C, K) UA = อัตราท่ีบ่งบอกถึงขนาดของอุปกรณ์แลก 2.3 การจ�ำลองระบบ เปล่ยี นความรอ้ น (kW/K) Cmin = ผลคูณที่น้อยที่สุดของ ṁ และ Cp ใน การจ�ำลองระบบประกอบไปด้วย 3 ระบบ อุปกรณ์ แลกเปลี่ยนความร้อน (kW/K) คือระบบของวัฏจักรโออาร์ซีแบบ Subcritical, Supercritical และ Trilateral โดยอุปกรณ์ทาง ความรอ้ นทีใ่ ช้ในวัฏจกั รเปน็ ดังรูปที่ 1

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 101 รปู ที่ 1 อปุ กรณท์ ่ีใช้ในการจ�ำลองวัฏจักรโออารซ์ ี รูปท่ี 4 T-s Diagram การจำ� ลองวฏั จักรโออารซ์ ี Subcritical, Supercritical และ Trilateral [14] Trilateral ORC โดยลักษณะของ T-s Diagram ของระบบ Subcritical, Supercritical และ Trilateral เป็น ระบบวฏั จกั รโออารซ์ ี T-s Diagram จากรปู ที่ 2, ดงั รูปที่ 2, 3 และ 4 3, 4 และอุปกรณท์ างความรอ้ นดงั รปู ที่ 1 กระบวนการ 1 ถึง 2 เป็นกระบวนท่ี Pump รูปท่ี 2 T-s Diagram การจำ� ลองวฏั จักรโออาร์ซี เพิม่ แรงดนั ให้กับสารทำ� งาน Subcritical กระบวนการ 2 ถงึ 3 เป็นกระบวนท่สี ารท�ำงาน ได้รับ พลังงานความร้อนจากแหล่งความร้อนที่ รูปท่ี 3 T-s Diagram การจำ� ลองวัฏจักรโออารซ์ ี Evaporator Supercritical กระบวนการ 3 ถงึ 4 เปน็ กระบวนท่ี Expander ลดความดนั และนำ� งานออกมาจากสารทำ� งาน กระบวนการ 4 ถงึ 1 เป็นกระบวนทส่ี ารทำ� งาน นำ� ความร้อนท้งิ ท่ี Condenser การจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีจะท�ำการก�ำหนด แหล่งความร้อนท่ีเป็นน้�ำมีอุณหภูมิเท่ากับ 210, 230 และ 250 องศาเซลเซียส ท่ีอัตราการไหล เท่ากับ 1 กิโลกรัมต่อวินาที และให้อุณหภูมิของน�้ำ หล่อเย็นเท่ากับ 30 องศาเซลเซียส และเมื่อท�ำการ หล่อเย็นแลว้ มอี ณุ หภูมิเทา่ กบั 40 องศาเซลเซยี ส โดย จะทำ� การหางานสงู สดุ ที่ Pinch Point Temperature, ∆TPP เทา่ กบั 10 องศาเซลเซยี ส, ηisen, pump = 0.75 และ ηisen, tur = 0.80 ดังท่ี J. Radulovic และ N. I. B. Castaneda [18] ไดแ้ นะนำ� โดยกระบวนการจ�ำลอง ออกแบบระบบวัฏจักรโออาร์ซีจะใช้การพัฒนา โปรแกรม MATLAB ในการจำ� ลอง กระบวนการจำ� ลอง แสดงด้วยผงั งาน ดงั รูปท่ี 5

102 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 จากรูปท่ี 5 จะเป็นการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซี การออกแบบจะเป็นการออกแบบเพ่ือน�ำแหล่ง โดยการจำ� ลองนน้ั จะตอ้ งทำ� การกำ� หนดคา่ ขอบเขตของ ความร้อนที่ 210, 230 และ 250 องศาเซลเซียส ไปใช้ ค�ำตอบไม่ว่าจะเป็นความดันท่ี Condenser และ ในการผลิตพลังงานโดยท�ำการก�ำหนดค่า Pinch Evaporator รวมถงึ อณุ หภมู ขิ องสารทำ� งานทอี่ อกจาก Point Temperature ในแต่ละอุปกรณ์แลกเปล่ียน Evaporator ด้วย แล้วใช้กระบวนการ Golden ความร้อนเท่ากับ 10 องศาเซลเซียส และก�ำหนดให้ Section Search Method ในการหาค�ำตอบแล้ว อุณหภูมิสารหล่อเย็นเพิม่ ข้ึนเท่ากบั 10 องศาเซลเซยี ส ตรวจสอบวา่ ∆TPPของแตล่ ะอปุ กรณน์ น้ั มคี า่ ใกลเ้ คยี ง หลงั จากไดร้ บั ความรอ้ น โดยกำ� หนดใหแ้ หลง่ ความรอ้ น 10 องศาเซลเซียส หรือไม่ ถ้าใกล้แล้วก็คือค�ำตอบใน เป็นน�้ำท่ีมีความดันเท่ากับ 10 เมกกะปาสคาล แตล่ ะอตั ราการไหลของสารทำ� งานมาเพอื่ หางานสงู สดุ และอตั ราการไหลเท่ากบั 1 กิโลกรัมตอ่ วินาที ทที่ ำ� ไดใ้ นแตล่ ะสารทำ� งาน และเปน็ อปุ กรณแ์ ลกเปลย่ี น ชนิด Counter Flow 2.4 การจ�ำลองระบบ Off-design รปู ท่ี 5 ผงั งานการจำ� ลอง Design กระบวนการท�ำ Off-design ท�ำการเลือก สารท่ีท�ำงานท่ีน่าสนใจจากการใช้งานจริงแล้วท�ำการ จ�ำลองให้สภาพแวดล้อมและอุณหภูมิของแหล่งความ ร้อนเปล่ียนแปลงไปที่อุณหภูมิของแหล่งความร้อน เปลย่ี นแปลง ±5 องศาเซลเซยี ส และให้อุณหภมู ขิ อง น้�ำหล่อเย็น ±3 องศาเซลเซียส โดยให้ค่าที่ได้จาก วัฏจกั รมีค่าเทา่ เดมิ จากค่าท่ไี ด้ออกแบบไวค้ อื UA ของ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน แล้วให้ค่าความดันที่ Condenser, ความดนั ที่ Evaporator, อณุ หภมู ขิ อง สารท�ำงานท่ีออกจาก Evaporator, Pinch Point Temperature และค่าอื่นๆปรับเปล่ียนไป โดย กระบวนการจำ� ลอง Off-design ระบบวฏั จกั รโออารซ์ ี จะใชโ้ ปรแกรม MATLAB ในการจ�ำลอง กระบวนการ การจ�ำลองจะเป็นไปดงั ผังงาน ดงั รปู ที่ 6 จากรูปท่ี 6 จะเป็นการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซี โดยต้องการให้ใช้ค่าตัวแปรที่ UA ของระบบเหมือน กับท่ีท�ำการออกแบบไว้โดยจะท�ำการเปลี่ยนแปลงค่า อุณหภมู ิของสภาพแวดลอ้ ม เช่น อุณหภมู ิแหล่งความ ร้อน และอุณหภูมิแหล่งทิ้งความร้อนเปล่ียนแปลงไป โดยให้ระบบท�ำการปรับตัวเองเพ่ือให้ได้งานที่เท่าเดิม โดยเริ่มต้นจะท�ำการจ�ำลองระบบว่าเมื่อเกิดสภาวะ Off-design จะส่งผลอย่างไรต่อระบบโดยก�ำหนดค่า เร่มิ ต้น เชน่ คา่ UA ของอปุ กรณ์แลกเปล่ยี นความร้อน อัตราการไหลของสารท�ำงาน และสารหล่อเย็น

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 103 เป็นต้นแล้วท�ำการหาค่างานท่ีได้จากระบบแล้วศึกษา 2.5 ทฤษฎที ี่เกย่ี วขอ้ ง ผลกระทบ ต่อมาจะท�ำการเปล่ียนแปลงอัตราการไหล ของระบบเพื่อให้ได้งานเทา่ กบั คา่ งานทีไ่ ดอ้ อกแบบ สมการทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่ใช้ในการจ�ำลอง แสดงดังสมการที่ (1)-(10) รปู ท่ี 6 ผงั งานการจำ� ลอง Off-design 2.5.1 สมการทใ่ี ชใ้ นการจ�ำลอง ORC cycle กระบวนการทเ่ี กิดท่ี Pump (1) กระบวนการทเี่ กิดท่ี Evaporator (2) กระบวนการทเ่ี กดิ ที่ Expander (3) กระบวนการทเี่ กิดที่ Condenser (4) งานสุทธิของระบบ (5) Heat exchanger UA Log mean temperature difference method (6) (7)

104 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 Thermal efficiency 3. ผลการศึกษาและอภปิ รายผล (8) 3.1 Validation Isentropic efficiency จากการจ�ำลองการท�ำงานของวัฏจักรโออาร์ซี จะทำ� การจำ� ลองเปรยี บเทยี บกบั งานวจิ ยั อนื่ โดยเปรยี บ (9) เทียบกับวัฏจักรโออาร์ซีที่มีขนาด 1 เมกกะวัตต์ [20] ผลจ�ำลองระบบของ ORC ในส่วนของแบบ (10) Supercritical Subcritical และ Trilateral โดยทำ� การ เปรยี บเทยี บกบั ค่าทีน่ �ำมาเปรยี บเทียบ ได้ผลดังตาราง ที่ 2, 3 และ 4 2.5.2 สารทำ� งานทใี่ ชใ่ นการจำ� ลองของวฏั จกั รโออาร์ ตารางที่ 2 ผลการเปรียบเทยี บ Supercritical ORC ค่าของอุณหภูมิและความดันจุดวิกฤตของสาร ท�ำงานที่ใช้ในการจ�ำลองระบบวัฏจักรโออาร์ซีแสดง Parameter [20] Result Error ดงั ตารางที่ 1 value (%) Supercritical ORC 1.44 1.00 ตารางท่ี 1 อุณหภูมิและความดันจุดวิกฤตของสาร T4 (°C) 127.85 133.61 0.08 ทำ� งานจากโปรแกรม NIST REFPROP [19] T6 (°C) 121.14 125.07 1.77 T8 (°C) 75.79 75.50 Name Tcritical (°C) Pcritical (MPa) ηth (%) 18.63 18.96 Octane 296.17 2.50 Benzene 288.87 4.91 ตารางที่ 3 ผลการเปรียบเทียบ Subcritical ORC Cyclohexane 280.45 4.08 Heptane 266.98 2.74 Parameter [20] Result Error Cyclopentane 238.57 4.57 value (%) Isohexane 224.55 3.04 R113 214.06 3.39 Subcritical ORC R141b 204.35 4.21 Pentane 196.55 3.37 T4 (°C) 123.26 122.88 0.10 Isopentane 187.20 3.38 T6 (°C) 135.55 133.97 0.39 R245ca 174.35 3.94 T8 (°C) 75.88 0.05 RE245fa2 171.63 3.43 ηth (%) 75.2 17.06 1.22 R245fa 154.00 3.65 17.27 Isobutane 134.66 3.63

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 105 ตารางที่ 4 ผลการเปรียบเทยี บ Trilateral ORC จากผลการจ�ำลองพบว่าสารท�ำงานที่มีอุณหภูมิ วิกฤตต�่ำกว่าแหล่งความร้อนเท่ากับ 40-50 องศา Parameter [20] Result Error เซลเซยี ส จะสามารถใหง้ านสทุ ธสิ งู ทสี่ ดุ ในชว่ งอณุ หภมู ิ value (%) แหล่งความรอ้ นระหวา่ ง 210-250 องศาเซลเซยี ส และ T4 (°C) เมื่อท�ำการเปรียบเทียบกับการวิจัยของ J. Haervig T6 (°C) Trilateral ORC 0.00 et al. [17] เหน็ ได้วา่ มคี วามใกลเ้ คียงกนั โดยจะได้อยู่ T8 (°C) 0.02 ในช่วง 30 องศาเซลเซียส ถึง 50 องศาเซลเซียส ηth (%) 85.00 85.00 0.00 ดงั รูปท่ี 7 0.01 รูปที่ 8 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหวา่ งอตั ราการ 97.38 97.32 ขยายตัวของสารทำ� งานใน Expander และอุณหภมู ิ 75.00 75.00 วกิ ฤตของสารทำ� งาน Supercritical ORC 19.79 19.79 จากตารางที่ 2, 3 และ 4 พบว่าการจ�ำลอง Supercritical ORC มีค่าคลาดเคล่ือนสูงที่สุดร้อยละ 1.77 ต่�ำสุดที่ร้อยละ 0.08 ในส่วนของ Subcritical ORC มีค่าคลาดเคลื่อนสูงท่ีสุดร้อยละ 1.22 ต�่ำสุดที่ รอ้ ยละ 0.05 และ Trilateral ORC มคี า่ คลาดเคลอ่ื น สูงที่สดุ ร้อยละ 0.02 ต�่ำสุดที่ร้อยละ 0.00 3.2 Design 3.2.1 การจ�ำลอง Supercritical ORC ผลของการจ�ำลอง Supercritical ORC ที่ อณุ หภมู เิ ท่ากันได้ผลดงั รปู ท่ี 7, 8 และ 9 รูปที่ 7 กราฟแสดงความสมั พันธ์ระหว่างงานสุทธิและ รูปท่ี 9 กราฟแสดงความสัมพันธร์ ะหว่างความดันท่ี อุณหภมู ิวกิ ฤตของสารท�ำงาน Supercritical ORC Condenser และอุณหภูมิวกิ ฤตของสารทำ� งาน Supercritical ORC โดยเมอ่ื พิจารณาการขยายตัวดงั รูปท่ี 8 จะเห็น ไดว้ า่ เมอื่ ใชส้ ารทำ� งานทม่ี อี ณุ หภมู วิ กิ ฤตสงู ขนึ้ จะทำ� ให้ อัตราการขยายตัวของสารท�ำงานหลังออกจาก Expander นั้นมีค่าเพ่ิมมากขึ้นตามไปด้วย ซึ่งส่งผล ให้ขนาดของ Expander มขี นาดใหญ่ตามไปดว้ ยและ เม่ือพิจารณาความดันท่ี Condenser น้ัน จากรูปที่

106 วารสารวชิ าการและวิจยั มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 9 จะเห็นได้ว่าไม่ควรใช้สารท�ำงานท่ีท�ำให้อุณหภูมิ รูปท่ี 12 กราฟแสดงความสัมพันธร์ ะหวา่ งความดัน วกิ ฤตทท่ี ำ� ใหค้ า่ ความดนั Condenser ตำ่� กวา่ ความดนั ท่ี Condenser และอุณหภมู ิวกิ ฤตของสารท�ำงาน บรรยากาศเพราะอาจจะท�ำมีโอกาสท่ีอากาศร่ัวเข้าไป ผสมกบั สารท�ำงานได้ ทีใ่ ช้ในการจำ� ลอง Supercritical ORC 3.2.2 การจ�ำลอง Subcritical ORC ผลของการจ�ำลอง Supercritical ORC ได้ผล ดงั รูปที่ 10, 11 และ 12 รปู ที่ 10 กราฟแสดงความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งงานสทุ ธิ จากผลการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีแบบ และอุณหภมู วิ ิกฤตของสารทำ� งานทใี่ ช้ในการจำ� ลอง Subcritical ดังรปู ท่ี 10, 11 และ 12 จากแนวโน้มของ งานสทุ ธติ อ่ อณุ หภมู วิ กิ ฤตจะไดว้ า่ การเลอื กสารทำ� งาน Supercritical ORC โดยให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าประมาณอุณหภูมิแหล่ง ความร้อน ถึงน้อยกว่าอุณหภูมิแหล่งความร้อน 40 องศาเซลเซยี ส จะไดง้ านสทุ ธสิ งู ทสี่ ดุ และเมอื่ พจิ ารณา ถึงอัตราการขยายตัวและความดันของ Condenser จะมีแนวโน้มเช่นเดียวกันจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีแบบ Supercritical 4.2.3 การจำ� ลอง Trilateral ORC ผลของการจ�ำลอง Trilateral ORC ได้ผลดัง รูปท่ี 13, 14 และ 15 รปู ท่ี 11 กราฟแสดงความสมั พนั ธ์ระหว่างอัตรา การขยายตัวของสารท�ำงานใน Expander และอณุ หภูมวิ กิ ฤตของสารทำ� งานท่ีใช้ ในการจำ� ลอง Supercritical ORC รปู ที่ 13 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างงานสุทธิ และอุณหภมู วิ ิกฤตของสารทำ� งานทีใ่ ช้ในการจำ� ลอง Trilateral ORC

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 107 โดยการจ�ำลองเปรียบเทียบโดยใช้น�้ำเป็นสาร ทำ� งานพบวา่ การใชน้ ำ�้ เปน็ สารทำ� งานจะทำ� ใหอ้ ตั ราการ ขยายตวั ใน Expander มคี า่ สงู มากเนอ่ื งจากมอี ณุ หภมู ิ วกิ ฤตสงู เมอ่ื เทยี บกบั สารทำ� งานทเ่ี ปน็ สารทำ� ความเยน็ โดยมีคา่ เท่ากับ 373.74 องศาเซลเซยี ส เม่อื พจิ ารณา จากรูปท่ี 14 จะเห็นได้ว่าอัตราการขยายตัวจะสูงเม่ือ อณุ หภูมวิ ิกฤตของสารทำ� งานสงู รูปที่ 14 กราฟแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งอตั รา 3.3 สารจ�ำลองที่เหมาะสมส�ำหรับที่อุณหภูมิ การขยายตวั ของสารท�ำงานใน Expander และ แหล่งความรอ้ น 210-250°C อณุ หภูมวิ กิ ฤตของสารทำ� งานท่ใี ช้ในการจำ� ลอง จากผลของการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีแบบ Trilateral ORC Supercritical, Subcritical และ Trilateral เมื่อ ท�ำการพิจารณาสารท�ำงานที่เหมาะสมได้ผลดังตาราง รูปที่ 15 กราฟแสดงความสัมพนั ธ์ระหว่างความดัน ท่ี 5 ท่ี Condenser และอณุ หภมู ิวิกฤตของสารทำ� งาน ผลของการจำ� ลองเมอ่ื นำ� สารทำ� งานทเี่ หมาะสม โดยพจิ ารณาจากงานสทุ ธสิ งู สดุ ขนาดของอปุ กรณท์ าง ท่ีใช้ในการจ�ำลอง Trilateral ORC ความรอ้ นดงั ตารางที่ 5 แลว้ เมอื่ นำ� เปรยี บเทยี บผลของ จากผลของการจ�ำลองจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซี งานสทุ ธทิ ไี่ ดใ้ นแตล่ ะอณุ หภมู แิ หลง่ ความรอ้ น UA และ แบบ Trilateral จะเห็นได้ว่าย่ิงสารท�ำงานมีอุณหภูมิ อตั ราการขยายตัวของสารทำ� งานใน Expander ไดผ้ ล วกิ ฤตสงู จะทำ� ใหง้ านสทุ ธทิ ไ่ี ดน้ น้ั สงู ตามดว้ ยดงั รปู ที่ 13 ดังรปู ที่ 16, 17, 18 และ 19 และดังรูปท่ี 14 และ 15 แนวโนม้ ของการขยายตัวของ สารท�ำงานมีแนวโน้มเช่นเดียวกับการจ�ำลองวัฏจักร ตารางที่ 5 สารท่ีเหมาะสมในการจ�ำลองวัฏจักร โออารซ์ แี บบ Supercritical และ Subcritical โออาร์ซีที่อุณหภูมิแหล่งความร้อนเท่ากับ โดยเกณฑ์การเลือกสารท�ำงานโดยใช้อุณหภูมิ 210-250°C วิกฤตของสารท�ำงานโดยพิจารณาอัตราการขยายตัว ของสารท�ำงานที่ Expander และ ความดันท่ี Type Ths (°C) (kg/s) Working fluid Tcritical (°C) Condenser ไม่ต�่ำกว่าความดันบรรยากาศจะเห็น ได้ว่าควรเลือกสารท�ำงานที่มีอุณหภูมิวิกฤตระหว่าง 210 3.00 R245fa 154.00 180–210 องศาเซลเซียส ส�ำหรับแหล่งความร้อนท่ี 210–250 องศาเซลเซยี ส Sup. 230 3.00 R245ca 174.35 250 3.60 R141b 204.35 210 2.60 RE245fa2 171.63 Sub. 230 3.00 R245ca 174.35 250 1.60 Pentane 196.55 210 1.60 Isopentane 187.20 TLC. 230 1.80 Pentane 196.55 250 4.20 R141b 204.35

108 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 รปู ท่ี 16 งานสทุ ธิของการจ�ำลองแต่ละอุณหภมู ิ รปู ที่ 18 UAevaporatorของการจ�ำลองแต่ละอุณหภมู ิ จากผลการจำ� ลองพบวา่ การจำ� ลองวฏั จกั รโออาร์ จากผลของการจำ� ลองเมอื่ พจิ ารณาสารทำ� งานที่ ซแี บบ Supercritical ไดง้ านสทุ ธสิ งู สดุ เมอื่ เทยี บกบั ใน เหมาะสมของอุณหภูมิแหล่งความร้อนในช่วง 210 – ชว่ งอณุ หภมู เิ ดยี วกนั ดงั รปู ที่ 16 โดยงานสทุ ธทิ ท่ี ำ� ไดค้ อื 250 องศาเซลเซยี ส พบวา่ ขนาดของ Heat Exchanger 141.72 กิโลวัตต์ สารท�ำงาน R141b ที่อุณหภูมิแหล่ง Evaporator (UA) นนั้ ทก่ี ารจำ� ลองแบบ Supercritical ความรอ้ นเท่ากบั 250 องศาเซลเซยี ส จะมีขนาดใหญ่ที่สุดและรองลงมาจะเป็น Trilateral นอกจากนใี้ นสว่ นของการจำ� ลองวฏั จกั รโออารซ์ ี และ Subcritical ตามลำ� ดบั เนอื่ งจากตวั Supercritical แบบ Subcritical ไดง้ านสทุ ธสิ งู สดุ ดงั รปู ที่ 16 โดยงาน จะเปน็ การเพมิ่ อณุ หภมู ซิ ง่ึ ตอ้ งสงู กวา่ จดุ วกิ ฤตของสาร สุทธทิ ี่ท�ำไดค้ อื 133.40 กโิ ลวตั ต์ สารท�ำงาน Pentane ท�ำงาน ท�ำให้ค่า UA สูง แต่เม่ือเทียบกับ Trilteral ทอ่ี ุณหภูมแิ หล่งความร้อนเท่ากับ 250 องศาเซลเซยี ส แลว้ อณุ หภมู สิ งู สดุ ของสารทำ� งานจะตำ่� วา่ จดุ วกิ ฤตของ ในส่วนของการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีแบบ สารท�ำงาน ทำ� ให้ UA จะต�่ำกวา่ Supercritical และ Trilateral ได้งานสุทธิสูงสุดดังรูปท่ี 16 โดยงานสุทธิ ในส่วนของ Subcritial จะเป็นมีส่วนของการเปล่ียน ที่ท�ำได้คือ 133.82 กิโลวัตต์ สารท�ำงาน R141b ท่ี Phase ไมเ่ ปลีย่ นแปลงอุณภมู ิ ทำ� ใหค้ ่า UA นอ้ ยท่สี ุด อุณหภมู แิ หลง่ ความร้อนเท่ากบั 250 องศาเซลเซยี ส ในสว่ นของขนาด Heat Exchanger Condenser (UA) น้ันพบว่าในการจ�ำลองสูงที่สุดจะเป็นของ Trilateral รองลงมาจะเป็น Supercritical และ Subcritical ตามลำ� ดับ ดังรปู ท่ี 17 และ 18 โดยขนาด ของ UA ข้ึนอยู่กบั ชนดิ ของสารทำ� งานดว้ ย รปู ที่ 17 UAcondeserของการจ�ำลองแตล่ ะอุณหภูมิ

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 109 รปู ท่ี 19 อัตราการขยายตวั ของสารท�ำงาน 3.4 Off-design Expander ของการจ�ำลองแต่ละอุณหภูมิ จากการจ�ำลองดังรูปที่ 19 พบว่าอัตราการ Off-design เป็นการจ�ำลองเพ่ือดูการท�ำงาน ขยายตัวของสารทำ� งานจากการจ�ำลองวัฏจกั รโออาร์ซี ของระบบเม่ือแหล่งความร้อนและแหล่งทิ้งความร้อน แบบ Trilateral จะมีการขยายตัวสูงที่สุด รองลงมา เกิดการเปลี่ยนแปลง โดยท�ำการจ�ำลองให้แหล่ง เป็น Supercritical และ Subcritical ตามล�ำดับ อุณหภูมิความร้อนสามารถเปล่ียนแปลงได้ ±5 องศา เพราะว่าการจ�ำลองแบบ Trilateral จะเป็น Phase เซลเซยี ส และอณุ หภมู แิ หลง่ ทงิ้ ความรอ้ นเปลยี่ นแปลง ภายใน Expander จากจุดท่ีสารท�ำงานเป็น Liquid ได้ ±3 องศาเซลเซยี ส โดยกรณีทเี่ กดิ ขน้ึ แสดงดังตาราง Phase เป็น Mixture Phase ดังรูปท่ี 4 ส่วน ที่ 6 และขนาดอปุ กรณ์เท่าเดิม Subcritical และ Supercritical จะไมเ่ กดิ การเปลย่ี น Phase ใน Expander ตารางท่ี 6 กรณีทเ่ี กิดการเปลยี่ นแปลงอณุ หภูมิแหล่ง โดยรูปที่ 20 พบว่าย่ิงแหล่งความร้อนอุณหภูมิ ความรอ้ นและแหล่งทง้ิ ความร้อน สูงจะท�ำให้ประสิทธิภาพย่ิงสูงตามไปด้วย และจาก ผลการจ�ำลองพบว่าการจ�ำลองวัฏจักรโออาร์ซีแบบ CASE Ths Tcf Supercritical จะไดป้ ระสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ้ นสงู ทสี่ ดุ 1 Tcf - 3 ที่ร้อยละ 16.25 2 Ths - 5 Tcf 3 Tcf + 3 Tcf - 3 4 Tcf 5 Ths Tcf + 3 6 Tcf - 3 7 Tcf Tcf + 3 8 Ths + 5 9 เม่ือพิจารณาแหล่งความร้อนที่ 250 องศา เซลเซียส พบว่า เมื่ออุณหภูมิแหล่งความร้อนและ อุณหภูมิแหล่งทิ้งความร้อนเปล่ียนแปลงไปโดย ผลการจ�ำลองโดยพิจารณาสทุ ธิได้ดังตารางที่ 7 รปู ท่ี 20 Thermal Efficiency ของการจ�ำลอง แตล่ ะอณุ หภูมิ

110 วารสารวิชาการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 ตารางท่ี 7 ผลของงานสุทธิเมื่อเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ตารางที่ 8 ผลของความแตกตา่ งของ Enthalpy ของ แหล่งความร้อนและแหล่งท้ิงความร้อน สารท�ำงานที่ผ่าน Evaporator เมื่อปรับ เปลีย่ นแปลง อัตราการไหลของสารท�ำงานของกรณี การจำ� ลองวฏั จกั รโออารซ์ แี บบ Trilateral Case Tri. Sub. Sup. ẇnet (kW) CASE   Δh23 (kJ/kgK) 1 132.62 132.00 141.68 (kg/s) Adjust. At 4.20 kg/s 2 128.01 127.65 136.33 1 4.09 215.91 210.82 3 123.60 123.46 131.95 2 3.49 238.87 207.88 4 139.07 135.93 148.86 3 3.27 245.37 205.05 5 133.80 133.40 141.72 6 3.81 228.01 212.24 6 128.85 128.02 139.81 โดยจากผลของการจ�ำลองพบว่าเม่ือท�ำการลด 7 144.69 143.37 156.67 อตั ราการไหลของสารทำ� งาน ชว่ ยใหส้ ามารถผลติ งาน 8 139.78 136.40 152.04 สุทธิได้มากยิ่งข้ึน เนื่องจากสารท�ำงานจะมีโอกาศได้ 9 135.29 132.33 147.08 รบั พลังงานนานยิ่งขน้ึ เมอ่ื ผา่ น Evaporator เนอื่ งจาก ไหลช้าลง ท�ำให้ผลต่างของ Enthalpy เพ่ิมมากข้ึน ผลการจ�ำลองดงั ตารางที่ 4 จะได้ว่า กรณีท่ี 1, ในส่วนของสารท�ำงานที่ไหลผ่าน Evaporator จึงท�ำ 2, 3 และ 6 ของการจ�ำลองโออารซ์ แี บบ Trilateral ให้ได้งานเพ่ิมมากข้ึน ดังตารางที่ 9 ซึ่งการอัตราส่วน ที่อัตราการไหลสารท�ำงานกับ 4.2 กิโลกรัมต่อวินาที ลดลงของอัตราการไหลของสารท�ำงานน้อยกว่า และ Supercritical อตั ราการไหลสารทำ� งานกบั 3.6 อตั ราสว่ นการเพมิ่ ของ Δh จงึ ทำ� ใหง้ านสทุ ธเิ พมิ่ สงู ขนึ้ กโิ ลกรมั ตอ่ วนิ าที จะใหง้ านสทุ ธทิ ต่ี ำ่� กวา่ คา่ ทไ่ี ดท้ ำ� การ ดังสมการท่ี 3 ออกแบบ (กรณีที่ 5) แต่การจำ� ลองแบบ Subcritical ทอ่ี ตั ราการไหลสารทำ� งานเทา่ กบั 1.6 กโิ ลกรมั ตอ่ วนิ าที ตารางท่ี 9 ผลของงานสุทธิเม่ือปรับอัตราการไหล จะมีกรณีท่ี 9 ด้วยท่ีไม่สามารถให้งานสุทธิได้เท่ากับ ของสารท�ำงานของกรณีการจ�ำลองวัฏจักร คา่ ทไี่ ดอ้ อกแบบไว้ จะเหน็ ไดว้ า่ เมอ่ื ความรอ้ นของแหลง่ โออารซ์ ีแบบ Trilateral ความร้อนลดลงรวมถึงอณุ หภมู ิแหลง่ ความร้อนเพ่ิมสูง ขนึ้ จะทำ� ให้ได้งานสุทธติ ำ่� ลง CASE Ẇnet ṁwf Ẇnet,increase โดยถ้าต้องการให้กรณีท่ีได้งานท่ีสุทธิลดลงได้ งานกลบั มาเทา่ เดมิ โดยจะทำ� การปรบั คา่ อตั ราการไหล (kW) (kg/s) (kW) ของสารท�ำงาน เช่นของการจ�ำลองแบบโออาร์ซีแบบ 4.09 1.23 Trilateral เพอื่ ใหไ้ ดค้ า่ งานสทุ ธเิ พมิ่ มากขน้ึ ในสว่ นของ 1 133.85 3.49 5.82 กรณีที่ไม่สามารถสร้างงานสุทธิได้เท่าค่าท่ีได้ออกแบบ 3.27 6.65 ไว้ โดยไดผ้ ลดงั ตารางท่ี 8 และ 9 2 133.84 3.81 4.98 3 130.24 6 133.84

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 111 นอกจากนี้ พบวา่ การปรบั อตั ราการไหลของสาร เมื่อพิจารณาอุณหภูมิของแหล่งความร้อนรวม ท�ำงานสามารถเพ่ิมงานสุทธิได้แต่ยังไม่เพียงพอเพ่ือให้ ถึงแหล่งทิ้งความร้อนเปล่ียนแปลงไปจะส่งผลต่องาน งานสุทธิเท่ากับค่าที่ได้ออกแบบไว้ อาจจะต้องท�ำการ โดยในกรณีที่อุณหภูมิแหล่งความร้อนลดลงและกรณี ปรับค่าอ่นื ๆ ทสี่ ่งผลตอ่ ค่างานสทุ ธิ ดงั ตารางที่ 9 ท่ีอุณหภูมิแหล่งท้ิงความร้อนเพิ่มสูงขึ้นจะท�ำให้ได้ อย่างไรก็ตาม ระบบที่จะสามารถรองรับระบบ งานสุทธิลดลง โดยจากการจ�ำลองเปลยี่ นค่าอตั ราการ Off-design อุปกรณ์ท่ีส�ำคัญคือ Variable Speed ไหลของสารท�ำงานเพื่อให้ได้งานสุทธิเพิ่มขึ้นให้ใกล้ Pump เพ่ือให้สามารถรองรับการปรับอัตราการไหล เคยี งคา่ ท่ไี ด้ออกแบบไว้ พบวา่ ในการทดลองจำ� ลองใน และความดันในระบบ อีกทั้งการปรับอัตราการไหล อุณหภูมิแหล่งความร้อนเท่ากับ 250 องศาเซลเซียส ของสารท�ำงานให้ลดลงมากน้อยเพียงใด จะขึ้นอยู่กับ สามารถเพม่ิ งานไดส้ งู ทสี่ ดุ เทา่ กบั 6.65 กโิ ลวตั ต์ จำ� ลอง ชนิดของสารท�ำงานและสภาวะการท�ำงานที่แตกต่าง เป็นวัฏจักรโออาร์ซแี บบ Trilateral กันออกไป จากการศึกษาระบบโรงไฟฟ้าส�ำหรับอุณหภูมิ 210–250 องศาเซลเซยี ส อาจจะเป็นแนวทางหนงึ่ เพื่อ 4. สรุป น�ำระบบนี้ไปใช้ในการสร้างโรงไฟฟ้าเพ่ือใช้ในการน�ำ ความรอ้ นเหลอื ทงิ้ ทมี่ อี ณุ หภมู ใิ นชว่ งดงั กลา่ วมาใชเ้ พอ่ื จากผลของการจำ� ลองวฏั จกั รโออารซ์ ผี ลคอื การ ให้เกดิ ประโยชนท์ างพลงั งานสูงท่สี ุด เลือกสารท�ำงานของการจ�ำลองท่ีอุณหภูมิ 210–250 องศาเซลเซียส ถ้าเป็นกรณีของการจ�ำลองวัฏจักร 5. กิตติกรรมประกาศ โออารซ์ ี Supercritical ควรเลอื กสารทำ� งานทอ่ี ณุ หภมู ิ วิกฤตต่�ำกว่าแหล่งความร้อนเท่ากับ 40–50 องศา ขอขอบพระคุณมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี เซลเซียส ในส่วนของการจ�ำลอง Subcritical เลือก ที่ใหค้ วามอนุเคราะห์ทุนในการท�ำงานวจิ ยั ส�ำเรจ็ ลุลว่ ง สารทำ� งานโดยใหอ้ ณุ หภมู วิ กิ ฤตมคี า่ ประมาณอณุ หภมู ิ ไปด้วยดี แหล่งความร้อน ถึงน้อยกว่าอุณหภูมิแหล่งความร้อน 40 องศาเซลเซียส และการจ�ำลองแบบ Trilateral 6. เอกสารอ้างองิ ควรเลือกสารท�ำงานท่ีมีอุณหภูมิวิกฤตระหว่าง 180-210 องศาเซลเซียส [1] D. Neshumayev, L. Rummel, A. Konist, ในการจำ� ลองนน้ั พบวา่ การจำ� ลองทอ่ี ณุ หภมู ิ 250 A. Ots and T. Parve, “Power plant องศาเซลเซียส ได้งานสุทธิสูงที่สุดในการจ�ำลองแต่ละ fuelconsumption rate during load แบบ โดยการจำ� ลองแบบวฏั จกั รโออารซ์ ี Supercritical cycling,” Applied Energy, vol. 224, ได้งานสุทธิเท่ากับ 141.72 กิโลวัตต์ จากสารท�ำงาน pp. 124–135, Aug. 2018. R141b มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนเท่ากับร้อยละ [2] C. Rewlay-Ngoen, S. Papong and S. 16.25 และในสว่ นของการจ�ำลองแบบวัฏจกั รโออารซ์ ี Sampattagul, “The NPP and Social Asset Subcritical ได้งานสทุ ธิเทา่ กบั 133.40 กโิ ลวัตต์ จาก Impacts of Acidification from Coal-fired สารท�ำงาน Pentane มีประสิทธิภาพเชิงความร้อน Power Plant in Thailand,” Energy เท่ากับร้อยละ 15.70 และ Trilateral ได้งานสุทธิ Procedia, vol. 52, pp. 234–241, 2014. 133.82 กิโลวตั ต์ จากสารท�ำงาน R141b [3] S. N. Sinha and P. K. Nag, “Air Pollution from Solid Fuels,” in Encyclopedia of Environmental Health, Elsevier, 2011,

112 วารสารวิชาการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 pp. 46–52. and optimization of subcritical and [4] L. Palagi, A. Pesyridis, E. Sciubba and L. transcritical organic Rankine cycles using Tocci, “Machine Learning for the R1234ze(E) for 100–200 °C heat sources,” prediction of the dynamic behavior of a Energy Conversion and Management, small scale ORC system,” Energy, vol. vol. 149, pp. 140–154, Oct. 2017. 166, pp. 72–82, Jan. 2019. [11] A. M. Pantaleo, J. Fordham, O. A. [5] A. T. Hoang, “Waste heat recovery from Oyewunmi and C. N. Markides, diesel engines based on Organic Rankine “Intermittent waste heat recovery via Cycle,” Applied Energy, vol. 231, pp. ORC in coffee torrefaction,” Energy 138–166, Dec. 2018. Procedia, vol. 142, pp. 1714–1720, Dec. [6] Department of Alternative Energy 2017 Development and Efficiency, Ministry of [12] R. Cipollone, D. D. Battista and F. Bettoja, Energy, Renewable Energy Outlook: “Performances of an ORC power unit for Thailand, 2017. Waste Heat Recovery on Heavy Duty [7] A. Firth, B. Zhang and A. Yang, Engine,” Energy Procedia, vol. 129, “Quantification of global waste heat and pp. 770–777, 2017. its environmental effects,” Applied [13] M. Yari, A. Mehr, V. Zare, S. Mahmoudi Energy, vol. 235, pp. 1314–1334, Feb. and M. Rosen, “Exergoeconomic 2019 comparison of TLC (trilateral Rankine [8] H. Yağlı, Y. Koç, A. Koç, A. Görgülü and cycle), ORC (organic Rankine cycle) and A. Tandiroğlu, “Parametric optimization Kalina cycle using a low grade heat and exergetic analysis comparison of source,” Energy, vol. 83, pp. 712–722, subcritical and supercritical organic Apr. 2015. Rankine cycle (ORC) for biogas fuelled [14] A. Benato, A. Stoppato, A. Mirandola and combined heat and power (CHP) engine M. D. Medico, “Design and Off-Design exhaust gas waste heat,” Energy, vol. 111, Analysis of an ORC Coupled with a pp. 923–932, Sep. 2016, Micro-Gas Turbine,” Energy Procedia, [9] G. Xu, G. Song, X. Zhu, W. Gao, H. Li and vol. 129, pp. 551–558, 2017. Y. Quan, “Performance evaluation of a [15] Y. Cao and Y. Dai, “Comparative analysis direct vapor generation supercritical ORC on off-design performance of a gas system driven by linear Fresnel reflector turbine and ORC combined cycle under solar concentrator,” Applied Thermal different operation approaches,” Energy Engineering, vol. 80, pp. 196–204, 2015. Conversion and Management, vol. 135, [10] J. Li, Q. Liu, Z. Ge, Y. Duan and Z. Yang, pp. 84–100, 2017. “Thermodynamic performance analyses

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 113 [16] C. He, C. Liu, H. Gao, H. Xie, Y. Li, S. Wu geothermal energy source,” Energy and J. Xu, “The optimal evaporation Conversion and Management, vol. 88, temperature and working fluids for pp. 365–371, 2014. subcritical organic Rankine cycle,” Energy, [19] E. W. Lemmon, M. L. Huber and M. O. vol. 38, no. 1, pp. 136–143, 2012. McLinden, “NIST Standard Reference [17] J. Hærvig, K. Sørensen and T. Condra, Database 23: Reference Fluid “Guidelines for optimal selection of Thermodynamic and Transport working fluid for an organic Rankine cycle Properties-REFPROP, Version 9.1, National in relation to waste heat recovery,” Institute of Standards and Technology, Energy, vol. 96, pp. 592–602, 2016. 2013. [18] J. Radulovic and N. I. B. Castaneda, [20] J. Fischer, “Comparison of trilateral cycles “On the potential of zeotropic mixtures and organic Rankine cycles,” Energy, in supercritical ORC powered by vol. 36, no. 10, pp. 6208–6219, Oct. 2011.

114 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ การจำ� ลองโรงไฟฟา้ ปลอ่ งลมแดดแบบหลงั คาเอยี งขนาด 500 กโิ ลวตั ต์ ทใี่ ช้ความร้อนท้งิ จากอตุ สาหกรรม บณั ฑิต จนั ทร์สวา่ ง* และ อาทติ ย์ คณู ศรสี ขุ สาขาวชิ าวิศวกรรมเครอื่ งกล ส�ำนกั วิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสรุ นารี 111 ถนนมหาวทิ ยาลยั ตำ� บลสรุ นารี อ�ำเภอเมือง จังหวดั นครราชสมี า 30000 รบั บทความ 7 มกราคม 2563 แก้ไขบทความ 30 เมษายน 2563 ตอบรับบทความ 5 พฤษภาคม 2563 บทคัดย่อ โรงไฟฟา้ ปลอ่ งลมแดด (Solar Chimney Power Plant, SCPP) ถกู นำ� เสนอให้เปน็ โรงไฟฟ้าทางเลือก ใหม่ ซ่ึงงานวิจัยโดยทั่วไปน�ำเสนอว่าในเชิงพาณิชย์ถ้าต้องการสร้างควรจะมีความสูงปล่องประมาณ 1 กิโลเมตร ท�ำให้ก่อสร้างได้ยากและมีค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างสูง โรงไฟฟ้าปล่องลมแดดแบบหลังคาเอียง (Sloped Solar Chimney Power Plant, SSCPP) มีลักษณะเด่นคือ หลังคารับแดดท่ีมีความเอียงจะส่งผลให้ระบบสามารถ ใช้ปลอ่ งที่สน้ั กว่า SCPP ซง่ึ ท�ำใหค้ ่าใช้จา่ ยในการลงทนุ ต�ำ่ เม่ือเทียบกับ SCPP นอกจากนี้ จากการศึกษาที่ผ่านมา พบว่าความร้อนท้ิงจากอุตสาหกรรมในประเทศไทยยังมีศักยภาพพอท่ีจะน�ำไปใช้ประโยชน์ งานวิจัยน้ีจึงได้พัฒนา แบบจ�ำลองคณิตศาสตร์เพ่ือออกแบบโรงไฟฟ้าปล่องลมแดดแบบหลังคารับแดดเอียงที่ใช้ความร้อนท้ิงจาก อุตสาหกรรม (Sloped Solar Chimney Power Plant Powered by Industrial Waste Heat, SSCPP-WH) โดยแบบจ�ำลองถูกท�ำ validation เทียบกับข้อมูลการทดลอง จากนั้นหาขนาดของโรงไฟฟ้าที่ท�ำให้ LCOE (Levelized Cost of Electricity) มีค่าต่ำ� ที่สุด พบวา่ LCOE ตำ่� สดุ ประมาณ 0.14 ดอลลาร์สหรัฐต่อกโิ ลวัตต-์ ชว่ั โมง มีระยะเวลาคืนทุนประมาณ 11 ปี ประสิทธิภาพของระบบประมาณร้อยละ 1.3 และประสิทธิภาพของหลังคา รับแดดร้อยละ 36 โดยท่ี SSCPP-WH มีพ้ืนท่ีหลังคารับแดด 49,000 ตารางเมตร ความสูงปล่อง 45 เมตร อัตราสว่ นระหว่างพื้นท่ีหน้าตัดการไหลท่ีทางเข้าหลังคารบั แดดต่อทางออกหลงั คารบั แดด (AR12) เทา่ กับ 14 และ ความร้อนทิ้งท่ีระบบได้รับเท่ากับ 10 เมกกะวัตต์ นอกจากนี้ยังพบว่า ระยะเวลาคืนทุนของ SSCPP ต�่ำกว่า SSCPP-WH ในบางกรณี เพ่อื ใหแ้ นใ่ จว่า SSCPP-WH มีระยะเวลาคืนทนุ ต่�ำกวา่ SSCPP ความรอ้ นทิง้ ทรี่ ะบบได้รับ ต่อความรอ้ นท่ีระบบได้รบั จากแสงอาทิตยต์ อ้ งมีคา่ มากกวา่ 0.34 คำ� สำ� คญั : โรงไฟฟา้ ปลอ่ งลมแดด; หลงั คารบั แดดเอยี ง; พลงั งานแสงอาทติ ย;์ การนำ� ความรอ้ นทงิ้ กลบั มาใชป้ ระโยชน์ * ผนู้ ิพนธป์ ระสานงาน โทร: +669 8584 0996, ไปรษณียอ์ ิเลก็ ทรอนิกส์: [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 115 http://journal.rmutp.ac.th/ Simulation of a 500 kW Sloped Solar Chimney Power Plant Powered by Industrial Waste Heat Bandit Chansawang* and Atit Koonsrisuk School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology 111 University Avenue, Suranaree, Muang, Nakhon Ratchasima, 30000, Thailand Received 7 January 2020; Revised 30 April 2020; Accepted 5 May 2020 Abstract The solar chimney power plant (SCPP) has been proposed as a promising alternative power plant. According to the literature, the chimney for commercial-scale SCPPs should be about 1 km high. The construction of these tall chimneys is very challenging and the construction cost is enormous. The sloped solar chimney power plant (SSCPP) is a variation of the SCPP. One of the SSCPP’s prominent feature is that its collector is sloped, and then its chimney can be shorter than that of the SCPP. This leads to a lower investment cost of SSCPPs compared with that of SCPPs. Also, previous studies show that the industrial waste heat potential of Thailand is considerable and should be investigated. As a result, this study developed a mathematical model for designing a sloped solar chimney power plant powered by industrial waste heat (SSCPP-WH). The model was justified by validation using experimental data. Then several SSCPPs with different geometrical dimensions were simulated to determine a proper dimension that has the lowest levelized cost of electricity (LCOE). It was found that the LCOE is about 0.14 USD/kWh, the payback period is about 11 years, system efficiency of 1.3% and collector efficiency of 36%. for an SSCPP-WH with a collector area of 49,000 m2, chimney height of 45m, flow area ratio between solar collector inlet and solar collector outlet (AR12) of 14 and waste heat of 10 MW. It was also found that the payback period of SSCPP with no supplied waste heat is lower than that of some SSCPP-WHs. To make sure that the payback period for the SSCPP-WH is faster than that of SSCPP with no waste heat, a ratio of the supplied waste heat to the absorbed solar energy of the SSCPP-WH must be greater than 0.34. Keywords : Solar Chimney Power Plant; Sloped Collector; Solar Energy; Waste Heat Recovery * Corresponding Author. Tel.: +669 8584 0996, E-mail Address: [email protected]

116 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 1. บทน�ำ กรณีท่ีระบบไม่ได้รับความร้อนท้ิงประมาณ 20 เท่า และยังพบอีกว่าความร้อนจากแสงอาทิตย์มีอิทธิพล โรงไฟฟ้าปล่องลมแดด มีส่วนประกอบหลักอยู่ ตอ่ สมรรถนะของระบบนอ้ ยเมอ่ื เทยี บกบั ความรอ้ นทไ่ี ด้ 3 ส่วนคอื หลงั คารบั แดด ปล่อง และกังหนั ลม แสดง จาก Condenser ของโรงไฟฟ้า ดังรูปท่ี 1 โดยมีหลักการท�ำงานคือ หลังคารับแดด CSCPP มีข้อจ�ำกดั คอื ต้องสร้างปล่องสูงท�ำให้ (Collector) มีหน้าที่รับรังสีจากดวงอาทิตย์ ส่งผลให้ มีอุปสรรคในการกอ่ สรา้ ง นอกจากน้ี คา่ ใชจ้ ่ายในการ ใต้หลังคารับแดดเกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก ท�ำให้ ก่อสรา้ งปล่องคดิ เปน็ รอ้ ยละ 25 ของคา่ ใช้จ่ายในการ อากาศภายใต้หลังคารับแดดมีอุณหภูมิสูงข้ึน ความ สรา้ งท้ังระบบ [5] จึงมงี านวิจัยโรงไฟฟ้าปลอ่ งลงแดด หนาแน่นอากาศจึงลดลง อากาศจึงลอยตัวสูงขึ้นและ เพือ่ ลดความสงู ปลอ่ ง ดงั นี้ E. Bilgen และ J. Rheault ไหลออกทางปล่อง (Chimney) เกิดลมภายในระบบ [6] ได้ออกแบบปล่องลมแดดส�ำหรับภูมิประเทศที่มี หมุนกังหันลม (Turbine) ที่ต่อเข้ากับเจนเนอเรเตอร์ ละติจูดสูง โดยมีรูปทรงดังรูปท่ี 2 หรืออาจเรียกว่า ไดพ้ ลงั งานไฟฟา้ ออกมา โรงไฟฟา้ ปลอ่ งลมแดดเปน็ โรง โรงไฟฟ้าปล่องลมแดดแบบหลังคารับแดดเอียง ไฟฟ้าที่เป็นมติ รกับส่งิ แวดลอ้ ม และง่ายตอ่ การจัดการ (Sloped Solar Chimney Power Plant, SSCPP) เมอื่ เทยี บกบั โรงไฟฟ้าถ่านหนิ อยา่ งไรก็ตาม โรงไฟฟา้ โดยพ้ืนท่ีหลังคาเท่ากับ 950,000 ตารางเมตร ก�ำลัง ชนิดน้ีมีประสิทธิภาพต่�ำ และปล่องต้องสูงมากหาก ไฟฟา้ 5 เมกกะวตั ต์ พบวา่ กรณที มี่ กี ารเอยี ง Collector ต้องการผลิตไฟฟ้าในระดับเมกกะวตั ต์ [1] ส�ำหรับการติดต้ังบนเนินเขา สามารถท�ำให้ปล่องมี โรงไฟฟา้ ปลอ่ งลมแดดถกู นำ� เสนอโดย Schlaich ขนาดส้ันลงได้เมอื่ เทียบกบั CSCPP และประสทิ ธิภาพ ในปี ค.ศ. 1968 จากนั้นในปี 1980 ได้มีการสรา้ งโรง ระบบน้อยกว่ารอ้ ยละ 0.5 และ F. Cao et al. [7] ได้ ไฟฟ้าขึ้นท่ีประเทศสเปน โดยมีความสูงปล่อง 194.6 สรา้ งแบบจำ� ลองทางคณติ ศาสตรแ์ ละออกแบบ SSCPP เมตร รศั มีปลอ่ ง 5.08 เมตร รศั มหี ลงั คารับแดด 122 ท่ีมีขนาดเพียงพอส�ำหรับผลิตไฟฟ้า 5 เมกกะวัตต์ เมตร และความสูงเฉลยี่ ของหลังคารบั แดด 1.85 เมตร โดยจำ� ลองภายใตส้ ภาพอากาศเมอื งหลานโจว ประเทศ ซง่ึ สามารถสรา้ งกำ� ลงั ไฟฟา้ ได้ 50 กิโลวัตต์ [2] จีน พบว่าตัวแปรที่ส�ำคัญของ SSCPP มีแนวโน้มที่ ลักษณะโรงไฟฟ้าปล่องลมแดดท่ีอธิบายข้างต้น คล้ายกนั และคอ่ นข้างคงท่ตี ลอดทงั้ ปี A. Koonsrisuk อาจเรียกว่า โรงไฟฟ้าปล่องลมแดดที่มีรูปทรงแบบ [8] ท�ำการสร้างแบบจ�ำลองทางคณิตศาสตร์ส�ำหรับ ท่ัวไป (Conventional Solar Chimney Power การประเมินสมรรถนะของ SSCPP ในส่วนของการ Plant, CSCPP) และเนือ่ งจาก CSCPP มปี ระสทิ ธภิ าพ ทดลองส�ำหรับ SSCPP S. Kalash et al. [9] ทำ� การ ตำ�่ จงึ มงี านวจิ ยั เพอื่ เพม่ิ กำ� ลงั การผลติ ของ CSCPP เชน่ ทดลองเพื่อศึกษาสมรรถนะของ SSCPP ตลอดทั้งปี A. Zandian และ M. Ashjaee [3] ได้น�ำเสนอการ พบว่า การเปลี่ยนแปลงความเข้มแสงอาทิตย์และ ออกแบบและจ�ำลองส�ำหรับ CSCPP ท่ีท�ำหน้าท่ีเป็น อุณหภูมิบรรยากาศ ส่งอิทธิพลโดยตรงต่อผลต่าง หอคอยเยน็ แบบธรรมชาติ (Hybrid Cooling Tower ระหว่างอุณหภูมิของอากาศท่ีออกจากหลังคารับแดด Solar Chimney, HCTSC) ส�ำหรับโรงไฟฟ้าขนาด กับอุณหภูมบิ รรยากาศ 250 เมกกะวัตต์ พบวา่ เม่อื ตดิ ตั้ง HCTSC จะทำ� ให้โรง SSCPP มีข้อดีหลายประการจึงมีงานวิจัย ไฟฟา้ มปี ระสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ้ นเพม่ิ ขนึ้ รอ้ ยละ 0.37 ท่ีทำ� การเปรยี บเทยี บระหว่าง CSCPP กับ SSCPP A. ส�ำหรับ Z. Zou และ S. He [4] ได้จ�ำลอง HCTSC Koonsrisuk [10] ไดเ้ ปรยี บเทยี บสมรรถนะทางเทอรโ์ ม พบวา่ เมอื่ ระบบรบั ความรอ้ นทง้ิ จาก Condenser ของ ไดนามกิ สร์ ะหวา่ ง CSCPP กบั SSCPP พบวา่ สมรรถนะ โรงไฟฟ้า จะท�ำใหก้ ังหันลมผลิตกำ� ลงั ไฟฟ้าไดม้ ากกว่า

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 117 ของ SSCPP ดีกวา่ CSCPP พรอ้ มทั้งแสดงขนาดพนื้ ท่ี ถา้ พจิ ารณาก�ำลังไฟฟา้ ทผ่ี ลิตไดม้ ากทสี่ ดุ มุมเอียงของ ของหลังคารับแดดที่ดีที่สุด และระบุว่าประสิทธิภาพ หลงั คารบั แดดควรมคี า่ มากกวา่ ละตจิ ดู ของภมู ปิ ระเทศ สูงข้ึนเมื่อความสูงของระบบสูงขึ้นท้ัง CSCPP และ ประมาณ 25–38 องศา SSCPP F. Cao et al. [11] เปรยี บเทยี บและวเิ คราะห์ จากข้อมูลข้างต้น พบว่า SSCPP มีข้อดีที่ สมรรถนะของ CSCPP และ SSCPP ภายใตภ้ มู ปิ ระเทศ ส�ำคัญคือ ความสูงปล่องต่�ำมากเมื่อเทียบกับ CSCPP ของเมืองหลานโจว ประเทศจีน พบว่า SSCPP ท่ีมี และ SCPP จะมสี มรรถนะดขี น้ึ ถา้ มกี ารนำ� ความรอ้ นทง้ิ มุมเอียงของหลังคารับแดด 60 องศา พื้นท่ีหลังคา มาใช้ประโยชน์ อีกทั้งระบบมีขั้นตอนการผลิตกระแส รบั แดด 950,000 ตารางเมตร จะไดก้ ำ� ลงั จากกงั หนั ลม ไฟฟา้ ไมซ่ บั ซอ้ น และเปน็ มติ รกบั สงิ่ แวดลอ้ ม นอกจากน้ี สงู ทส่ี ดุ และสงู กวา่ CSCPP ทง้ั นป้ี ระสทิ ธภิ าพของระบบ อุตสาหกรรมในประเทศไทยยังมีความร้อนทิ้งท่ีมี ประมาณร้อยละ 0.8 ด้านค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง ศกั ยภาพในการนำ� มาใชป้ ระโยชน์ [16] X. Zhou et al. [12] ระบุว่า SSCPP จะมีคา่ ใชจ้ า่ ยใน งานวิจัยนี้จึงสนใจที่จะศึกษาการผลิตกระแส การสรา้ งปล่องประหยัดกวา่ CSCPP แตจ่ ะมีค่าใช้จา่ ย ไฟฟ้าโดยใชป้ ลอ่ งลมแดดแบบหลังคาเอียงขนาด 500 การสร้าง Collector เอยี งสงู กว่า CSCPP รวมท้ังค่า กิโลวัตต์ ท่ีใช้ความร้อนท้ิงจากอุตสาหกรรมร่วมกับ ใช้จ่ายในการปรับระดับพื้นผิวที่ไม่สม�่ำเสมอของภูเขา ความร้อนที่ได้รบั จากแสงแดด แสดงดังรูปท่ี 3 โดยมี ในกรณีสร้างด้านข้างภูเขา T. P. Fluri et al. [13] แนวคิดที่จะลดความสูงปล่อง พร้อมทั้งวิเคราะห์เชิง วิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์ส�ำหรับ CSCPP ท่ีมีก�ำลัง เศรษฐศาสตร์เพ่ือหา Dimension ที่เหมาะสม ผลท่ี การผลติ 100 เมกกะวตั ต์ และมขี นาดตาม J. Schlaich คาดว่าจะไดร้ บั คือ มีเทคโนโลยที างเลอื กในการสร้าง et al. [14] จากการวเิ คราะหพ์ บวา่ ค่าใช้จา่ ยเกยี่ วกับ โรงผลติ ไฟฟ้าขนาด 500 กโิ ลวตั ต์ ปล่องประกอบด้วยค่าใช้จ่ายในการสร้างผนังปล่อง รปู ท่ี 1 แผนภาพโรงไฟฟ้าปลอ่ งลมแดดแบบท่วั ไป ร้อยละ 80 ค่าใช้จ่ายเกี่ยวกบั รากฐานร้อยละ 14 และ ค่าใชจ้ ่ายเกี่ยวกบั Stiffener ร้อยละ 6 และยงั ระบวุ ่า (CSCPP) [8] LCOE ของระบบเท่ากบั 0.27 ยโู รต่อกิโลวตั ต์-ชั่วโมง ในส่วนมุมเอียงของหลังคารับแดดท่ีเหมาะสม สำ� หรบั SSCPP E. Bilgen และ J. Rheault [6] แนะนำ� ว่า หากพิจารณารังสีดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบหลังคา รบั แดดทมี่ ากทส่ี ดุ มมุ เอยี งควรจะมคี า่ นอ้ ยกวา่ ละตจิ ดู ของภมู ปิ ระเทศประมาณ 5–7 องศา E. P. Sakonidou et al. [15] ระบุว่าหากพิจารณาอัตราการไหลของ อากาศในระบบทม่ี คี า่ สงู สดุ มมุ เอยี งของหลงั คารบั แดด ควรจะมีค่ามากกว่าละติจูดของภูมิประเทศประมาณ 20–25 องศา ซึ่งข้อมูลของสองงานวิจัยข้างต้นมี แนวโนม้ สอดคล้องกบั งานวจิ ัยของ F. Cao et al. [11] ท่ีพบว่า หากพิจารณาการได้รับรังสีดวงอาทิตย์ของ หลังคารับแดดมากท่ีสุดมุมเอียงควรจะมีค่าน้อยกว่า ละติจูดของภูมิประเทศประมาณ 2–8 องศา และ

118 วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 รปู ท่ี 2 แผนภาพโรงไฟฟ้าปลอ่ งลมแดด โดยที่ Q คือ อัตราการถ่ายเทความร้อนจากอุปกรณ์ แบบหลงั คาเอียง (SSCPP) แลกเปล่ียนความร้อนสู่อากาศท่ีไหลผ่าน และก�ำหนด ให้ต�ำแหน่งทางเข้าหลังคารับแดด (ทางออกอุปกรณ์ รปู ท่ี 3 แผนภาพโรงไฟฟ้าปลอ่ งลมแดด แลกเปลยี่ นความรอ้ น) ทางออกหลงั คารบั แดด ทางออก แบบหลังคาเอยี งท่ีใช้ความร้อนทงิ้ ของกังกนั ลม และ ทางออกปล่อง คือ Subscripts ‘1’, จากอตุ สาหกรรม (SSCPP-WH) ‘2’, ‘3’ และ ‘4’ ตามลำ� ดบั หรือสามารถดูจากรปู ที่ 1 เม่ืออากาศไหลผ่านอุปกรณ์แลกเปล่ียนความ 2. แบบจำ� ลองคณิตศาสตร์ ร้อนจะเกิดการสูญเสียความดัน ดังน้ันความดันของ อากาศตำ� แหน่งท่ี 1 สามารถค�ำนวณไดด้ ังนี้ [4] 2.1 อปุ กรณแ์ ลกเปลีย่ นความรอ้ น (2) เมื่อพิจารณารูปท่ี 3 อุณหภูมิของอากาศที่ โดยที่ K คือ สัมประสิทธิ์การสูญเสียความดันของ ออกจากอปุ กรณแ์ ลกเปลยี่ นความรอ้ นสามารถคำ� นวณ อุปกรณ์แลกเปล่ียนความร้อนโดยอ้างอิงมาจาก ได้ดงั ดงั น้ี Z. Zou และ S. He [4] ซึ่งเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยน ความรอ้ นแบบ Fin Tube (1) 2.2 รงั สีดวงอาทติ ย์ทแี่ ผล่ งบนผวิ เอียง ขอ้ มลู เกย่ี วกบั คา่ รงั สดี วงอาทติ ยข์ องภมู ปิ ระเทศ เป็นคา่ รงั สีดวงอาทติ ยท์ แ่ี ผ่ลงบนผวิ ราบ แตง่ านวจิ ยั นี้ มีการเอียงหลังคารับแดด จึงต้องมีแบบจ�ำลองที่ใช้ ปรับค่ารังสีที่แผ่ลงบนผิวราบเป็นค่ารังสีท่ีแผ่ลงบน ผิวเอียง ดงั นี้ [17] รังสีดวงอาทิตย์ที่แผ่ลงบนผิวราบประกอบไป ด้วย Beam Radiation และ Diffuse Radiation ดงั น้ี (3) ในส่วนของรังสีที่แผ่ลงบนผิวเอียงประกอบไป ด้วย Beam Radiation, Diffuse Radiation และ Reflect Radiation ดงั นี้ (4) เมอื่ It,b, It,d และ It,r สามารถค�ำนวณได้จาก

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 119 (5) ความร้อนที่หลังคาได้รับจากดวงอาทิตย์ก็คือค่ารังสีที่ (6) แผ่ลงบนพ้ืนเอียงในหัวข้อที่ 2.2 จากนั้นจ�ำลองเก่ียว (7) กับการถ่ายเทความร้อนส�ำหรับหลังคารับแดดและ ซึ่งรายละเอียดของการค�ำนวณหา Ib และ Id สามารถ พื้นดิน ซ่งึ คา่ รังสที ถี่ ูกดดู ซบั โดยพื้นผิวหลงั รับแดดและ พบได้ใน [17] และค่า Rb, Rd และ Rr คือ อตั ราสว่ น พ้นื ผวิ ดินคำ� นวณโดยใชแ้ บบจำ� ลองอยา่ งง่ายดังน้ี [18] ระหว่างรังสีดวงอาทิตย์ที่แผ่ลงบนพ้ืนเอียงต่อรังสีดวง อาทติ ยท์ ี่แผ่ลงบนพืน้ ราบ ซึง่ สามารถค�ำนวณได้ดงั น้ี (12) (8) (13) (9) โดยที่ Sc และ Sp คือ รังสีทถ่ี ูกดูดซบั โดยหลงั คาและ (10) พนื้ ดนิ ตามล�ำดับ โดยท่ี β คือ มมุ เอยี งของพืน้ ดนิ ดงั รูปที่ 2 δ, ϕ และ ω คอื Declination Angle ละติจดู ของภูมปิ ระเทศ และ รูปท่ี 4 แผนภาพสมดลุ ความรอ้ นของหลังคารบั แดด Hour Angle ตามลำ� ดบั รปู ที่ 4 คอื แผนภาพและการสมดลุ ความรอ้ นของ เม่ือแทนสมการที่ (5) – (7) ลงในสมการท่ี (4) หลังคารับแดด เม่ือพิจารณาจะได้สมการสมดุลความ จะได้สมการที่ใช้ในการค�ำนวณหาค่ารังสีท่ีแผ่ลงบน รอ้ นสำ� หรับหลังคา คอื ผิวเอยี งดงั น้ี (11) (14) สมการสมดุลความร้อนสำ� หรบั พ้นื ดิน คอื 2.3 หลังคารับแดด (15) งานวิจัยที่สร้างแบบจ�ำลองคณิตศาสตร์เก่ียว และความร้อนท่ีระบบสามารถใช้ไดค้ �ำนวณไดด้ งั นี้ กับโรงไฟฟ้าปล่องลมแดด ส่วนใหญ่จะก�ำหนดให้ ประสิทธิภาพหลังคารับแดดเป็นค่าคงท่ี แต่งานวิจัยนี้ ต้องการสร้างแบบจ�ำลองคณิตศาสตร์ส�ำหรับท�ำนาย ประสิทธิภาพหลังคารับแดด ซ่ึงจะท�ำให้แบบจ�ำลอง มีความสมจริงมากยิ่งข้ึน การสร้างแบบจ�ำลองจะ พิจารณาความร้อนที่หลังคารับแดดได้รับจากดวง อาทิตย์ และความร้อนที่หลังคารับแดดสูญเสีย

120 วารสารวิชาการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 (16) โดยที่ โดยที่ (24) (17) และ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเหนือหลังคา (25) รบั แดดสามารถคำ� นวณได้ดงั น้ี [19] สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากพื้นดิน (18) ใตห้ ลังคาลงสู่ดิน [20] คอื โดยท่ี V คือ ความเร็วลมของภูมปิ ระเทศ สมั ประสทิ ธกิ์ ารถา่ ยเทความรอ้ นระหวา่ งหลงั คา (26) กบั พน้ื ดิน คำ� นวณได้จาก [19] โดยที่ และ t คือเวลาในรอบวนั ส�ำหรับการจ�ำลองเก่ียวกับปล่องลมแดดแบบ (19) หลังคาเอียงจะใช้แบบจ�ำลองของ A. Koonsrisuk [10] ซ่ึงท�ำนายความดัน และอุณหภูมิ ต�ำแหน่งท่ี 1 สัมประสิทธ์ิการถ่ายเทความร้อนจากหลังคา และ 2 ดงั น้ี สู่อากาศใตห้ ลงั คาคำ� นวณได้ดงั นี้ [19] (27) (20) (28) โดยที่ 2.4 Junction Box (21) ในกรณีของการท�ำ Validation ข้อมูลส�ำหรับ และ การท�ำ Validation มาจากผลการทดลองส�ำหรับ SSCPP ทไ่ี มม่ กี ารติดตั้งกังหนั เพ่อื ก�ำเนดิ กระแสไฟฟ้า (22) [9] ดังนั้นความดันต�ำแหน่งท่ี 3 จึงใช้ Bernoulli’s Equation ในการทำ� นาย ซง่ึ จัดรปู ไดด้ ังนี้ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากพื้นดิน ใต้หลังคาสอู่ ากาศใต้หลงั คาคำ� นวณได้ดังน้ี [19] (23)

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 121 (29) (35) และอุณหภูมิของอากาศต�ำแหน่งที่ 3 ค�ำนวณโดยใช้ โดยความหนาแน่นต�ำแหน่งต่าง ๆ สามารถหาได้จาก สมการสมดุลพลงั งานสามารถจัดรูปไดด้ งั น้ี กฎของกา๊ ซอุดมคติ (30) (36) โดยท่ี Uj=Ut และกำ� หนดให้ (T2+T3)/2 คอื อณุ หภมู ิ ทีผ่ วิ ของ Junction Box (37) อย่างไรก็ตาม ในงานวิจัยนี้ จ�ำลองเกี่ยวกับ SSCPP ท่ีมีก�ำลังการผลิตขนาด 500 กิโลวัตต์ การ (38) ทำ� นายความดนั และอณุ หภมู ติ ำ� แหนง่ ท่ี 3 จงึ ใชส้ มการ ท่ีผ่านการท�ำ Validation มาแล้วในงานวิจัยของ A. (39) Koonsrisuk [10] ดงั นี้ 2.6 ประสทิ ธิภาพหลังคารบั แดด (31) ประสิทธิภาพหลังคารับแดดสามารถค�ำนวณได้ (32) ดังนี้ 2.5 ปลอ่ ง (40) ผลต่างความดันและอุณหภูมิ ระหว่างต�ำแหน่ง 2.7 ประสทิ ธิภาพระบบ ทางเขา้ กับทางออกปล่องสามารถค�ำนวณไดด้ ังนี้ [21] ประสิทธิภาพระบบสามารถค�ำนวณได้ดงั น้ี (33) (41) โดยท่ี 3. วธิ กี ารจำ� ลอง (34) ในการศึกษาจะเป็นการจ�ำลองเพื่อหาแนวทาง ในการลดความสูงปล่อง พร้อมทั้งศึกษาอิทธิพลของ ตัวแปรต่าง ๆ ส่วนแรกของการจ�ำลองเป็นการหา ค่ารังสีดวงอาทิตย์ท่ีแผ่ลงบนพ้ืนเอียงโดยใช้สมการท่ี (3) – (11) และหาค่าพลังงานท่ีหลังคาและพื้นดิน

122 วารสารวชิ าการและวิจยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 ได้รับจากรังสีดวงอาทิตย์โดยใช้สมการที่ (12) และ ณ เวลาท่ีเก็บข้อมูลการทดลองของเมือง Damascus (13) ตามล�ำดบั ถดั จากนน้ั แก้สมการท่ี (1), (2), (14), ซงึ่ ในวารสารทใ่ี ช้อา้ งองิ ไมไ่ ด้ระบุ (15), (16), (27), (28), (31), (32), (33), (35), (36), (37), (38) และ (39) โดยใชว้ ธิ ี Newton – Raphson รปู ท่ี 5 แผนภาพขั้นตอนการจำ� ลอง Method ซ่งึ มตี ัวแปรท่ไี ม่ทราบค่าคอื p1, T1, ρ1, p2, รูปที่ 6 การเปรียบเทยี บอณุ หภมู อิ ากาศท่อี อกจาก T2, ρ2, p3, T3, ρ3, T4, ρ4, Tc, Tp, ṁ และ q˝ เม่อื หลงั คารับแดดและความเรว็ ลมที่ฐานปลอ่ งระหว่างผล ก�ำหนดให้ Ẇext = 500 กิโลวัตต์ โดย Flowchart ของกระบวนการจ�ำลองแสดงดังรูปท่ี 5 และจ�ำลอง การจำ� ลองกบั ข้อมูลจากการทดลอง ภายใต้เงื่อนไขสภาพอากาศของอ�ำเภอเมือง จังหวัด นครราชสีมา ท่ีมีค่ารังสีดวงอาทิตย์เฉลี่ยตลอดปี เท่ากับ 622.92 วตั ตต์ ่อตารางเมตร [22] และอณุ หภมู ิ บรรยากาศ 28 องศาเซลเซียส [23] นอกจากน้ี ใน การจ�ำลองเพื่อศึกษาอิทธิพลของตัวแปรต่างๆที่ส่ง ผลต่อความสูงปล่องส�ำหรับสร้างก�ำลังไฟฟ้า 500 กิโลวัตต์ ได้ก�ำหนดให้ Geometry Baseline มี พื้นท่ีรับแดดเท่ากับ 40,000 ตารางเมตร เส้นผ่าน ศนู ยก์ ลางปลอ่ ง 20 เมตร และมมุ เอยี งพนื้ ดนิ 45องศา 4. ผลการจำ� ลองและการอภิปราย 4.1 Model Validation ในหัวข้อน้ีเป็นการท�ำ Validation เทียบกับ ผลการทดลองจากงานวจิ ัยของ S. Kalash et al. [9] ซ่ึงท�ำการทดลองที่เมือง Damascus ประเทศ Syria ณ วนั ที่ 15 กมุ ภาพนั ธ์ พ.ศ. 2555 ซง่ึ เปน็ ฤดหู นาวของ ภูมิประเทศ โดยตัวแปรท่ีท�ำการเปรียบเทียบก็คือ อุณหภูมิของอากาศท่ีออกจากหลังคารับแดด และ ความเรว็ ของอากาศทางเขา้ ปลอ่ ง ผลกาทำ� Validation พบว่า แบบจ�ำลองคณิตศาสตร์มีความคลาดเคล่ือน จากผลการทดลองประมาณรอ้ ยละ 10 แสดงดงั รปู ที่ 6 ซ่ึงความคลาดเคลื่อนอาจเกิดจากในการจ�ำลองใช้ ความเร็วลมเฉลย่ี ตลอดทั้งเดอื น ของเมอื ง Damascus ท�ำให้ผลลัพธ์คลาดเคลื่อนจากผลการทดลอง ขณะ ท่ีผลการทดลองเป็นข้อมูลที่วัดจริง ณ เวลาท่ีท�ำการ ทดลอง ดังนั้นหากต้องการให้ผลการจ�ำลองใกล้เคียง กับผลการทดลองมากยิ่งข้ึน ควรมีข้อมูลความเร็วลม

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 123 4.2 สมรรถนะของ SSCPP และ SSCPP-WH 4.2.2 อในิทหธวั ิพขลอ้ ขนอเี้ ปงน็ Aกcาoรllศกึ ษาอทิ ธพิ ลของพน้ื ทหี่ ลงั คา 4.2.1 อิทธพิ ลของ AR12 รบั แดด แสดงดงั รปู ที่ 8 กำ� หนดใหม้ มุ เอยี งของพน้ื และ ในหัวข้อน้ีเป็นการศึกษาอิทธิพลของการ เส้นผ่านศูนย์กลางปล่องมีค่าเท่ากับ 45 องศา และ เปลี่ยนแปลงอัตราส่วนระหว่างพ้ืนที่หน้าตัดการไหล 20 เมตร ตามล�ำดับ และ AR12 ของ SSCPP และ ที่ทางเข้าหลังคารับแดดต่อทางออกหลังคารับแดด SSCPP-WH มคี ่าเทา่ กบั 2 และ 14 ตามล�ำดบั จากผล (AR12) แสดงดงั รปู ที่ 7 โดยกำ� หนดให้ มมุ เอยี งของพนื้ การจ�ำลองพบว่า เม่ือเพ่ิมพ้ืนที่หลงั คารบั แดดสง่ ผลให้ เส้นผ่านศนู ยก์ ลางปล่อง และพ้ืนทีห่ ลังคารับแดดมคี า่ ระบบสามารถใช้ปล่องท่ีมีความสูงลดลง เน่ืองมาจาก เทา่ กับ 45 องศา 20 เมตร และ 40,000 ตารางเมตร ระบบได้รับพลังงานจากแสงแดดมากขึ้น อย่างมีนัย ตามล�ำดับ พบว่า เม่ือ AR12 มีค่าเพิ่มขึ้น SSCPP สำ� คญั นอกจากนย้ี งั พบอกี วา่ เมอ่ื ปรมิ าณความรอ้ นทงิ้ (Q = 0 เมกกะวตั ต)์ จะใชป้ ลอ่ งทม่ี คี วามสงู เพมิ่ ขนึ้ และ ที่เข้าสู่ระบบมากขึ้น ระบบสามารถใช้ปล่องท่ีมีความ เมอ่ื AR12 เทา่ กบั 2 ระบบจะใชป้ ลอ่ งสน้ั ทสี่ ดุ เกดิ จาก สูงลดลงได้เช่นกัน นอกจากน้ีจะเห็นว่าบางเงื่อนไขไม่ การสูญเสียความดันอันเน่ืองมาจากการเปล่ียนแปลง จ�ำเป็นต้องใช้ปล่อง และหากเพ่ิมพื้นที่หลังคารับแดด พื้นท่ีหน้าตัดการไหลดังพจน์ที่ 3 ฝั่งขวาของสมการ มากข้ึนจะสามารถลดการจ่ายความร้อนท้ิง และลด ที่ (27) อย่างไรกต็ าม สำ� หรับ SSCPP ไมส่ ามารถใช้ค่า ความเอียงของพ้ืนได้ AR12 = 1 ได้ เนอ่ื งมาจากการก�ำหนดคา่ ดังกลา่ วจะ ส่งผลให้ ṁ มีค่าสงู มาก ท�ำให้ T2-T1 มีค่าติดลบ [8] รูปท่ี 8 ความสัมพันธร์ ะหว่างความสูงปลอ่ งกับ ในสว่ นของ SSCPP-WH (Q = 5, 7.5 และ 10 เมกกะ พน้ื ที่หลังคารับแดด ส�ำหรบั ระบบทีไ่ ดร้ บั ความรอ้ น วตั ต)์ จะใชป้ ล่องทม่ี คี วามสงู ลดลง เนอ่ื งจากทางเข้ามี พ้ืนท่ีหน้าตัดกว้างขึ้นท�ำให้ความเร็วของอากาศลดลง ท้งิ ค่าตา่ ง ๆ ความดนั สญู เสยี ทอ่ี ปุ กรณแ์ ลกเปลยี่ นความรอ้ นจงึ มคี า่ ลดลง แตท่ ง้ั สองกรณรี ะบบจะใชค้ วามสงู ปลอ่ งคอ่ นขา้ ง คงที่เม่อื AR12 มีคา่ ตัง้ แต่ 14 ข้ึนไป ดงั นนั้ ในหัวขอ้ ถัดไป SSCPP และ SSCPP-WH จงึ ใชค้ ่า AR12 เท่ากบั 2 และ 14 ตามล�ำดับ จากขนาดของระบบในรูปท่ี 8 เมื่อน�ำมาหา ประสิทธภิ าพหลังคารับแดดจะได้ดังรปู ที่ 9 รูปที่ 7 ความสัมพันธ์ระหว่างความสูงปลอ่ ง กับ AR12 ส�ำหรับระบบท่ีไดร้ บั ความร้อนทงิ้ ค่าตา่ ง ๆ

124 วารสารวิชาการและวิจยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 รปู ท่ี 9 ประสิทธิภาพหลงั คารบั แดด ปริมาณคอนกรีตเสริมเหล็กท่ีใช้สร้างปล่อง จากรูปท่ี 9 พบว่าประสิทธิภาพหลังคารับแดด ประเมินจากความหนาผนังปล่องโดยให้มีค่าเท่ากับ ลดลงเม่ือเพ่ิมพื้นท่ีหลังคารับแดด เนื่องมาจากพ้ืนที่ 0.3 เมตร ในกรณีปลอ่ งสูงไม่เกิน 450 เมตร สำ� หรับ การถ่ายเทความร้อนสูงข้ึนระบบจึงมีโอกาสสูญเสีย ปล่องที่สูงเกนิ 450 เมตร ความยาว 450 เมตร นับจาก ความร้อนมากข้ึน นอกจากนี้จะเห็นว่า ประสิทธิภาพ ปลายปล่องคิดความหนาผนังปล่องเป็น 0.3 เมตร หลังคารับแดดลดลงเม่ือความร้อนทิ้งที่ระบบได้รับ ส่วนเกินให้เพ่ิมความหนาเป็นแบบเชิงเส้นโดยท่ีทุก ๆ เพ่ิมข้ึน เนื่องจากระบบมีอุณหภูมิสูงขึ้นจากการแลก 1 เมตร ความหนาต้องเพ่ิมขึ้นจากเดิม 1.2545 เปล่ียนความร้อนท่ีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนก่อน มิลลิเมตร จนถึงฐานปลอ่ ง [14] แล้ว อากาศจึงรับความร้อนจากแสงแดดได้ลดลง ตารางท่ี 1 แสดงราคาต่อหน่วยของวัสดุและ ประสิทธิภาพของหลังคารับแดดส�ำหรับระบบท่ีไม่น�ำ อุปกรณ์แต่ละชนิด ในส่วนของค่าขนส่งและราย ความรอ้ นทง้ิ มาใชง้ านมคี า่ ประมาณรอ้ ยละ 40 ซง่ึ มคี า่ ละเอียดอนื่ ๆ สามารถประเมนิ ได้ดงั น้ี ตำ�่ กว่างานวิจยั ของ E. Bilgen และ J. Rheault [6], A. ค่าก่อสร้างปล่องหลังคารับแดดและค่าขนส่ง Koonsrisuk [8] และ X. Zhou et al. [12] ที่ก�ำหนด คดิ เป็นร้อยละ 100, 25 และ 5 ของราคาวัสดุท้งั หมด ประสทิ ธิภาพหลงั คารับแดดเท่ากับร้อยละ 56 ตามลำ� ดบั ค่าใช้จ่ายเก่ียวกับฐานรากปล่องและ 4.3 การวเิ คราะห์เชงิ เศรษฐศาสตร์ Circumferential Stiffener คดิ เปน็ ร้อยละ 17.5 และ 7.5 ของราคาวัสดุที่ใชส้ ร้างปลอ่ ง [13] การหาคา่ ใชจ้ า่ ยในการลงทนุ จะพจิ ารณาโดยใช้ คา่ ใช้จา่ ยเกีย่ วกับ PCU (Power Conversion ขนาดของโรงไฟฟ้าท่ีมีก�ำลังการผลิต 500 กิโลวัตต์ Unit) กำ� หนดให้มคี า่ ประมาณ 600 ดอลลาร์สหรฐั ต่อ ในรปู ท่ี 8 ซงึ่ แสดงถงึ การเปลย่ี นแปลงขนาดของชน้ิ สว่ น กโิ ลวตั ต์ หลัก (ความสูงปล่อง และ พ้ืนที่หลังคารับแดด) โดย จากขอ้ มลู ขา้ งตน้ สามารถนำ� มาสรา้ งเปน็ สมการ ปรมิ าณวสั ดุและสามารถประเมินไดด้ งั นี้ เพอื่ หาคา่ ใชจ้ า่ ยการลงทุนของแต่ละสว่ นดงั นี้ ปรมิ าณเหลก็ ทใี่ ชก้ อ่ สรา้ งหลงั คารบั แดดตอ่ พน้ื ที่ ค่าใช้จา่ ยสำ� หรับหลงั คารบั แดด คือ หลังคาคิดเปน็ 18.1 กโิ ลกรมั ตอ่ ตารางเมตร [24] ปริมาณคอนกรีตเสริมเหล็กส�ำหรับสร้างผนัง (42) ด้านข้างหลังคารับแดด ประเมินโดยก�ำหนดให้ผนังมี ความหนา 0.3 เมตร เมื่อ Vwคa่าllใคชือจ้ ่าปยรสมิ ำ� าหตรรบั ขปอลงอ่ผงนงัคคอื อ นกรตี (43) เทมง้ั อ่ื หVมcดhiขคออื งรปะรบมิ บาคต�ำรนผนวณงั ปไลดอ่้ดงงั คนอี้ นกรตี และคา่ ใชจ้ า่ ย

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 125 โดยที่ APO คือ หน่วยไฟฟา้ ท่ีผลติ ไดใ้ นแต่ละปี (44) ตารางท่ี 1 ราคาวัสดุและอปุ กรณ์ Subject/Component Prices Unit รูปท่ี 10 ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง LCOE กบั Glass 0.482 USD/m2 พืน้ ทหี่ ลงั คารับแดด ส�ำหรับระบบทีไ่ ด้รบั Steel 0.558 USD/kg Reinforced concrete 133 USD/m3 ความร้อนท้ิงคา่ ต่าง ๆ PCU 600 USD/kW จากรปู ท่ี 10 พบว่า LCOE มคี า่ ลดลงเมื่อพน้ื ท่ี Heat exchanger 38.11 USD/kW หลังคารับแดดและความร้อนทิ้งที่ระบบได้รับมีค่า มากขึ้น และเมอ่ื นำ� ไปหาระยะเวลาคืนทุนโดยก�ำหนด ถัดจากนั้น เม่ือทราบค่าใช้จ่ายท้ังหมดแล้วก็ ราคาขายไฟฟ้าต่อหนว่ ยเทา่ กบั 0.189 ดอลลารส์ หรัฐ สามารถคำ� นวณหาคา่ Levelized Cost of Electricity ต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง ซ่ึงเป็นค่าไฟฟ้าท่ีรัฐรับซ้ือจาก (LCOE) ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างค่าใช้จ่ายทั้งหมด ผู้ผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ท่ีติดตั้งแหล่งผลิตใน ของโครงการแบบรายปี กับ พลังงานไฟฟ้าท่ีผลิตได้ สามจังหวัดชายแดนภาคใต้ จะไดด้ งั รูปที่ 11 ต่อปีของโรงไฟฟา้ โดยคา่ ใช้จ่ายเก่ยี วกบั คา่ ด�ำเนินการ และค่าซ่อมบ�ำรุงตลอดอายุโครงการ 25 ปี ค�ำนวณ รปู ท่ี 11 ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งระยะเวลาคนื ทุน ไดด้ ังน้ี [13] กับพน้ื ที่หลังคารับแดด สำ� หรับระบบทไี่ ด้รับ (45) ความรอ้ นทิ้งคา่ ตา่ ง ๆ โดยท่ี Aถ1ัดคจือากคน่าั้นด�ำคเน�ำินนกวาณรแหลาะเงคิน่าลซง่อทมุนบร�ำารยงุ ใปนีขปอีแงรคก่า ซ่อมบำ� รงุ รวมกับค่าใชจ้ ่ายในการลงทนุ ดงั นี้ (46) และก�ำหนดให้ระยะเวลาการท�ำงานของโรงไฟฟ้า เท่ากบั 2,920 ชัว่ โมงต่อปี (8 ช่ัวโมงต่อวัน) จะได้ (47)

126 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 จากรูปที่ 11 พบว่าระยะเวลาคืนทุนลดลงเม่ือ การศึกษาอิทธิพลการเปล่ียนแปลงอัตราส่วน พน้ื ทห่ี ลงั คารบั แดดมากขน้ึ นอกจากนี้ เมอื่ นำ� ขอ้ มลู ใน ระหว่าง พ้นื ท่หี น้าตัดการไหลทีท่ างเขา้ หลงั คารบั แดด รูปท่ี 11 มาหาค่าอตั ราส่วนระหวา่ งปรมิ าณความรอ้ น ต่อ ทางออกหลังคารับแดด (AR12) พบว่า โรงไฟฟ้า ทงิ้ ทไี่ ดร้ บั ตอ่ ปรมิ าณความรอ้ นจากดวงอาทติ ยจ์ ะไดด้ งั ปล่องลมแดดแบบหลังคาเอียงกรณีท่ีไม่มีการน�ำความ รปู ท่ี 12 ซงึ่ เมอ่ื พจิ ารณาจดุ ตดั กนั ของเสน้ กราฟระหวา่ ง ร้อนท้ิงมาใช้งานและมีการน�ำความร้อนท้ิงมาใช้งาน เสน้ ของ Q = 0 เมกกะวัตต์ กับเส้นอ่ืน ๆ ในรปู ที่ 11 ควรจะมคี ่า AR12 เทา่ กบั 2 และ 14 ตามลำ� ดบั การ พบว่าจุดดังกล่าวจะมีอัตราส่วนระหว่างปริมาณ ศกึ ษาอทิ ธพิ ลของการเปลยี่ นแปลงพนื้ ทหี่ ลงั คารบั แดด ความร้อนทิ้งที่ได้รับต่อปริมาณความร้อนจากดวง พบวา่ ความสูงปลอ่ งสามารถลดลงได้ เม่ือพ้นื ทห่ี ลังคา อาทิตย์ใกล้เคียงกัน ซึ่งหมายความว่า ถ้าต้องการใช้ รับแดดและความร้อนท้ิงท่ีระบบได้รับมีค่าเพิ่มข้ึน SSCPP ที่มีการนำ� ความรอ้ นท้งิ มาใช้งาน ระบบต้องมี นอกจากน้ียังพบว่า ประสิทธิภาพของหลังคารับแดด ความรอ้ นท้งิ มากกวา่ 0.34 เท่าของปรมิ าณความรอ้ น ส�ำหรับระบบที่น�ำความร้อนทิ้งมาใช้งานมีค่าประมาณ จากดวงอาทติ ย์ จงึ จะมรี ะยะเวลาคนื ทนุ ทต่ี ำ�่ กวา่ ระบบ ร้อยละ 36 -38 และประสทิ ธภิ าพหลงั คารับแดดจะมี ท่ไี มน่ �ำความรอ้ นทิง้ มาใช้ คา่ ลดลง เมอื่ พน้ื ทหี่ ลงั คารบั แดดและปรมิ าณความรอ้ น ทิ้งที่ได้รับเพิม่ ขึ้น รปู ท่ี 12 ความสมั พนั ธร์ ะหว่าง Q/ItAcoll กับ โรงไฟฟ้าปล่องลมแดดแบบหลังคาเอียงท่ีน�ำ พื้นทหี่ ลังคารบั แดด ส�ำหรับระบบทีไ่ ดร้ บั ความร้อนทิ้งมาใช้งาน ควรจะมีอัตราส่วนระหว่าง ความร้อนท้ิงท่ีได้รับต่อความร้อนจากรังสีดวงอาทิตย์ ความร้อนทงิ้ คา่ ต่างๆ มากกว่า 0.34 จงึ จะมีระยะเวลาคืนทุนมากกวา่ ระบบ ทีไ่ มน่ ำ� ความร้อนท้งิ มาใช้งาน 5. สรุป ระบบที่ได้รับความร้อนท้ิง 10 เมกกะวัตต์ มี พื้นท่หี ลังคารบั แดดเทา่ กบั 49,000 ตารางเมตร ความ งานวิจัยน้ีท�ำการออกแบบโรงไฟฟ้าปล่องลม สูงปล่องเท่ากับ 45 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลางปล่องท่ี แดดแบบหลงั คารบั แดดเอียงขนาด 500 กิโลวตั ต์ ที่ใช้ ฐาน 20 เมตร มุมเอยี งพน้ื ดนิ 45 องศา AR12 เท่ากบั ประโยชน์จากความรอ้ นทิง้ โดยใช้สมการคณติ ศาสตร์ 14 ระบบจะมปี ระสทิ ธิภาพประมาณรอ้ ยละ 1.3 และ ในการจำ� ลอง จากผลการจำ� ลองสามารถสรุปไดด้ ังนี้ ค่า LCOE ประมาณ 0.14 ดอลลาร์สหรฐั ตอ่ กิโลวตั ต-์ ชั่วโมง ซ่ึงเมื่อเทียบกับอัตราการรับซื้อไฟฟ้าของรัฐ ส�ำหรับแหล่งผลิตที่ถูกติดต้ังในสามจังหวัดชายแดน ภาคใต้ เทา่ กบั 0.189 ดอลลารส์ หรฐั ตอ่ กโิ ลวตั ต-์ ชว่ั โมง พบว่า ระบบสามารถสร้างกำ� ไรได้ โดยมีระยะเวลาคนื ทนุ ประมาณ 11 ปี

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 127 Nomenclature ϕ latitude ρ density (kg/m3) A flow area (m2) ρg ground reflectance τ transmissivity Acoll roof area (m2) v kinematic viscosity (m2/s) C cost (USD), cost per unit (USD/unit) ω sunset angle γ specific heat ratio cp specific heat capacity at constant Subscripts pressure (J/kg K) 1 position at collector inlet 2 position at collector outlet D diameter (m) 3 position at chimney inlet g gravitational acceleration (m/s2) 4 position at chimney outlet b bottom, beam radiation h heat transfer coefficient (W/m2K), height (m) chi chimney coll collector I solar irradiation (W/m2) d diffuse radiation f fluid k thermal conductivity (W/mK) c collector cover hor horizontal L collector length (m) j Junction box p heat shortage layer ṁ mass flow rate, kg/s r reflect radiation, reduction Nu Nusselt number t title, top p pressure (Pa) 6. กติ ติกรรมประกาศ q˝ available heat (W/m2) ผวู้ จิ ยั ขอขอบคณุ มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยสี รุ นารี Q industrial waste heat (MW) ที่สนบั สนนุ ทุนวิจัยและสถานทีใ่ นการทำ� วจิ ยั ครัง้ นี้ R ideal gas constant (J/kg K) Ra Rayleigh number r radius (m), collector length (m) S absorbed solar radiation (W/m2) T absolute temperature (K) t thickness (m) U heat transfer coefficient (W/m2K) V velocity (m/s) Ẇext power extracted by turbine (W) Greek symbols α absorptivity, thermal diffusivity β sloped angle, expansion coefficient (1/K) ε emittance δ declination angle η efficiency

128 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 7. เอกสารอา้ งอิง 2366, Jun. 2011. [8] Koonsrisuk A, “Mathematical modeling [1] EnviroMission Limited. (2017, December of sloped solar chimney power plants,” 6). Solar Chimney Power Plant. [Online]. Energy, vol. 47, no. 1, pp. 582–589, Available: http://www.enviromission. Nov. 2012. com.au [9] S. Kalash, W. Naimeh and S. Ajib, [2] W. Haaf, “Solar Chimneys: Part II: “Experimental investigation of the solar Preliminary Test Results from the collector temperature field of a sloped Manzanares Pilot Plant,” International solar updraft power plant prototype,” Journal of Solar Energy, vol. 2, no. 2, Solar Energy, vol. 98, pp. 70–77, Dec. pp. 141-161, Jan. 1984. 2013. [3] A. Zandian and M. Ashjaee, “The thermal [10] A. Koonsrisuk, “Comparison of efficiency improvement of a steam conventional solar chimney power plants Rankine cycle by innovative design of and sloped solar chimney power plants a hybrid cooling tower and a solar using second law analysis,” Solar Energy, chimney concept,” Renewable Energy, vol. 98, pp. 78–84, Dec. 2013. vol. 51, pp. 465–473, Mar. 2013. [11] F. Cao, L. Zhao, H. Li and L. Guo, [4] Z. Zou and S. He, “Modeling and “Performance analysis of conventional characteristics analysis of hybrid cooling- and sloped solar chimney power plants tower-solar-chimney system,” Energy in China,” Applied Thermal Engineering, Conversion and Management, vol. 95, vol. 50, no. 1, pp. 582–592, Jan. 2013. pp. 59–68, May 2015. [12] X. Zhou, S. Yuan and M.A. dos S. [5] A. Mourtada, A.N. Arkahdan and Y.M. Bernardes, Sloped-collector solar Karout, “Solar chimney electricity from updraft tower power plant performance,” thesun,”in 2012InternationalConference International Journal of Heat and Mass on Renewable Energies for Developing Transfer, vol. 66, pp. 798–807, Nov. 2013. Countries (REDEC), Beirut, Lebanon, [13] T. P. Fluri, J. P. Pretorius, C. V. Dyk, T. V. Nov. 2012, pp. 1–8. Backström D. G. Kröger and G. P. A. G. [6] E. Bilgen and J. Rheault, “Solar chimney V. Zijl, “Cost analysis of solar chimney power plants for high latitudes,” Solar power plants,” Solar Energy, vol. 83, Energy, vol. 79, no. 5, pp. 449–458, Nov. no. 2, pp. 246–256, Feb. 2009. 2005. [14] J. Schlaich, R. Bergermann, W. Schiel [7] F. Cao, L. Zhao and L. Guo, “Simulation and G. Weinrebe, “Sustainable Electricity of a sloped solar chimney power plant Generation with Solar Updraft Towers,” in Lanzhou,” Energy Conversion and Structural Engineering International, Management, vol. 52, no. 6, pp. 2360–

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 129 vol. 14, no. 3, pp. 225–229, Aug. 2004. vol. 22, no. 3, pp. 277–288, 1998. [15] E. P. Sakonidou, T. D. Karapantsios, A. I. [20] M. A. dos S. Bernardes, A. Voß and G. Balouktsis and D. Chassapis, “Modeling Weinrebe, “Thermal and technical of the optimum tilt of a solar chimney analyses of solar chimneys,” Solar for maximum air flow,” Solar Energy, Energy, vol. 75, no. 6, pp. 511–524, Dec. vol. 82, no. 1, pp. 80–94, Jan. 2008. 2003. [16] Waste Heat Recovery Guide, EnConLab. [21] A. Koonsrisuk and T. Chitsomboon, EnConLab, Bangkok, King Mongkut’s “Effects of flow area changes on the University of Technology Thonburi, 2017. potential of solar chimney power plants,” [17] J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar Energy, vol. 51, pp. 400–406, Mar. 2013. engineering of thermal processes, [22] Department of Alternative Energy Hoboken: John Wiley, 2013. Development and Efficiency, Ministry of [18] M. -H. Huang, L. Chen, Y. –L. He, J. –J. Energy, Total radiation potential (Solar Cao and W. –Q. Tao, “A two-dimensional power from measurements), 2017. simulation method of the solar chimney [23] The average temperature in each month power plant with a new radiation of each province. (2017, December 7). model for the collector,” International [Online]. Available: http://www.e-report. Communications in Heat and Mass energy.go.th/weather.html Transfer, vol. 85, pp. 100-106, Jul. 2017. [24] F. Cao, H. Li, L. Zhao and L. Guo, [19] N.PasumarthiandS.A.Sherif,“Experimental “Economic analysis of solar chimney and theoretical performance of a power plants in Northwest China,” demonstration solar chimney model- Journal of Renewable and Sustainable PartI:Mathematicalmodeldevelopment,” Energy, vol. 5, no. 2, p. 021406, Mar. 2013. International Journal of Energy Research,

130 วารสารวชิ าการและวิจัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ การทดสอบสมรรถนะของเครอื่ งขยายไอแบบสโครล ส�ำหรับโรงไฟฟา้ โออาร์ซีขนาด 1 กโิ ลวตั ต์ ธนิต หนิ ไลเลศิ และ อาทติ ย์ คูณศรีสุข* สาขาวชิ าวิศวกรรมเครอื่ งกล, ส�ำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีสุรนารี 111 ถนนมหาวิทยาลัย ต.สุรนารี อ.เมือง จ.นครราชสมี า 30000 รบั บทความ 5 มกราคม 2563 แกไ้ ขบทความ 1 พฤษภาคม 2563 ตอบรบั บทความ 5 พฤษภาคม 2563 บทคดั ย่อ โรงไฟฟ้าโออาร์ซีเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ผลิตไฟฟ้าจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต�่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม หากโรงไฟฟ้าประเภทนี้มีขนาดเล็กจะมีราคาลงทุนสูงจนไม่คุ้มค่าในการลงทุนเชิงพาณิชย์ คอมเพรสเซอรป์ ระเภทสโครลเปน็ อปุ กรณท์ ถี่ กู ผลติ และนำ� ไปใชง้ านเปน็ จำ� นวนมากในงานประเภททำ� ความเยน็ และ ปรับอากาศและมีความน่าเช่ือถือ ดังนั้น การน�ำคอมเพรสเซอร์ประเภทสโครลมาใช้งานในลักษณะตรงกันข้ามเป็น เคร่ืองขยายไอจะช่วยลดราคาลงทุนของโรงไฟฟ้าโออาร์ซีขนาดเล็กให้ต่�ำลงได้ ในงานวิจัยนี้จึงเลือกคอมเพรสเซอร์ ประเภทสโครลที่ใช้ในระบบปรับอากาศรถยนต์ที่ถูกผลิตขึ้นในไทย 2 ตัว มาดัดแปลงเป็นเครื่องขยายไอส�ำหรับ โรงไฟฟ้าโออาร์ซีขนาด 1 กิโลวัตต์ โดยได้ท�ำการศึกษาเปรียบเทียบสมรรถนะของคอมเพรสเซอร์ท้ัง 2 ตัวโดยใช้ อุณหภูมิแหล่งความร้อน 100-150 องศาเซลเซียส โดยพบว่า ก�ำลังงานกลรวมท่ีเครื่องขยายไอตัวใหญ่ (110 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อรอบ) สร้างได้มากกว่าตัวเล็ก (85.7 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อรอบ) ร้อยละ 18-35 และให้ ประสิทธิภาพไอเซ็นทรอปิค และก�ำลังงานกลท่ีร้อยละ 37-76 และ 806-1,926 วัตต์ ตามล�ำดับ นอกจากน้ี ยังศึกษาอิทธิพลของการติดวาล์วกันกลับ และเปรียบสมรรถนะของกรณีที่ไม่ติดวาล์ว พบว่าหลังจากติดวาล์ว กันกลับ ประสิทธิภาพไอเซ็นทรอปิคของเครื่องขยายไอเพ่ิมข้ึนเฉลี่ยร้อยละ 18 ในขณะท่ีก�ำลังงานกลรวมลดลง ร้อยละ 4-22 ค�ำส�ำคญั : โรงไฟฟา้ โออาร์ซี; คอมเพรสเซอร์ชนิดสโครล; ขนาดปรมิ าตรกวาด; วาล์วกนั กลับ * ผู้นพิ นธป์ ระสานงาน โทร: +66 4422 4411, ไปรษณียอ์ เิ ล็กทรอนิกส:์ [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 131 http://journal.rmutp.ac.th/ Experimental Testing of Scroll Expander Performance for a 1 kW ORC Power Plant Thanit Hinlailoed and Atit Koonsrisuk* School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology 111 University Avenue Muang, Nakhon Ratchasima 30000 Received 5 January 2020; Revised 1 May 2020; Accepted 5 May 2020 Abstract The ORC power plant is a promising technology to generate electricity from low-temperature heat sources. However, implementation of the ORC for low capacity electricity generation is unattractive at the commercial level. Scroll compressors are massively produced to be used in refrigeration and air-conditioning applications. Using a scroll compressor in reverse, as an expander, can reduce the investment cost of low-capacity ORC power plants. In this study, 2 scroll compressors that are available in the automotive air-conditioning market of Thailand were modified and used as the expander of a 1 kW ORC power plant. The performances of these 2 scrolls were compared and the plant performance was investigated. A heat source temperature from 100°C to 150°C was supplied to the plant. It was found that the gross power is higher by 18-35% for the larger expander (110 cc/rev) than for the smaller expander (85.7 cc/rev). The larger one provides the isentropic efficiency of 37-76% and the gross power of 806-1,926 W. In addition, the effects of check valve installation were examined and compared with those of the tests without check valve installation. It was revealed that the isentropic efficiency increases by 18% while the gross power decreases by 4-22% when the check valve was installed. Keywords : ORC Power Plant; Scroll Compressor; Swept Volume; Check Valve * Corresponding Author. Tel.: +66 4422 4411, E-mail Address: [email protected]

132 วารสารวชิ าการและวิจยั มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 1. บทน�ำ โรงไฟฟา้ โดยเฉพาะ จงึ ยงั ไมท่ ราบเง่ือนไขการใช้งานท่ี ท�ำให้ไดป้ ระสิทธิภาพสงู ต้งั แต่แรก ก่อนนำ� ไปใช้งานจงึ โรงไฟฟ้า ORC เป็นเทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าจาก ตอ้ งทดสอบหาอทิ ธพิ ลตา่ ง ๆ ทส่ี ง่ ผลตอ่ สมรรถนะของ แหลง่ ความรอ้ นอณุ หภมู ติ ำ่� ทน่ี า่ เชอ่ื ถอื ในประเทศไทย Expander เพื่อหาเงอื่ นไขการใชง้ านทเี่ หมาะสมกอ่ น มีการใช้โรงไฟฟ้า ORC กับแหล่งความร้อนจากการ C. Liu et al. [7] ศึกษาอิทธิพลของอุณหภูมิ เผาชีวมวล ขยะ และความร้อนใต้พิภพ กระจายอยู่ แหล่งความร้อนในช่วง 90-150 องศาเซลเซียส และ ท่ัวประเทศ [1] อย่างไรก็ตาม หากโรงไฟฟ้าชนิดนี้มี อทิ ธพิ ลของโหลดทางไฟฟา้ ตกครอ่ ม Expander พบวา่ ขนาดเล็กกว่า 50 กิโลวัตต์ งบลงทุนต่อหน่วยไฟฟ้า ประสิทธิภาพของ Expander แปรผกผันกับอุณหภูมิ ท่ีผลิตได้จะมีค่าสูงจนไม่คุ้มค่าท่ีจะลงทุน [2] หนึ่ง แหลง่ ความรอ้ น โดย Expander มปี ระสิทธิภาพสูงสดุ ในอุปกรณ์ท่ีมีราคาสูงคือส่วน Turbine ซ่ึงมีสัดส่วน ท่รี ้อยละ 43 นอกจากน้ี ประสทิ ธิภาพ Expander จะ ประมาณร้อยละ 25-40 ของงบลงทนุ [3] แปรผกผันกับโหลด และโรงไฟฟ้าให้ก�ำลังไฟฟ้าสุทธิ มีงานวิจัยจ�ำนวนหนึ่งได้ศึกษาความเป็นไปได้ สูงสดุ ที่ 700 วตั ต์ ในการน�ำคอมเพรสเซอร์ (Compressor) รถยนต์มา P. Ginies et al. [10] ได้ศึกษาอิทธิพลของ ดัดแปลงเป็นอุปกรณ์ท่ีท�ำหน้าท่ีคล้าย Turbine คือ Scroll Compressor แบบที่ติดและไม่ติด Check สร้างก�ำลังงานกลจากการเคล่ือนตัวของสารท�ำงาน Valve พบว่าการติดเพ่ิม Check Valve ท�ำให้ โดยทำ� ใหแ้ รงดนั ลดลงไปดว้ ยในขณะเดยี วกนั ซึง่ เรยี ก Operating Pressure Ratio ใกล้เคียงกับ Design ว่าเครอ่ื งขยายไอหรอื Expander ซงึ่ การดัดแปลงน้ัน Pressure Ratio และยังชว่ ยลดภาระโหลดทางกลของ ท�ำได้ง่าย และประเภทของ Compressor ท่ีน�ำมา Compressor ในตอนเรมิ่ ทำ� งานไดร้ อ้ ยละ 20 เนอื่ งจาก ดัดแปลงแล้วได้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าสูงมักเป็น Check Valve นีช้ ว่ ยลดแรงดันกระชากในระบบ และ ประเภท Scroll Compressor [4]-[7] ซึ่งมีราคา เพม่ิ ความนุ่มนวลในการท�ำงานของ Compressor ได้ ถูกกว่า Turbine ที่ผลิตมาใช้ส�ำหรับโรงไฟฟ้า ORC นอกจากนี้ H. Xi et al. [11] ได้ทำ� การศึกษา โดยเฉพาะประมาณ 20 เท่า [8] อิทธิพลของขนาด Expander ต่อสมรรถนะของ T. Saitoh et al. [4] ได้ศึกษาเกี่ยวกบั Scroll โรงไฟฟ้าขนาด 1 กิโลวัตต์ โดยได้ทดสอบ Scroll Expander ท่ดี ดั แปลงมาจาก Compressor รถยนต์ Expander ทด่ี ดั แปลงมาจาก Compressor รถยนต์ สำ� หรบั โรงไฟฟา้ ORC ทใ่ี ชก้ บั แหลง่ ความรอ้ นอณุ หภมู ิ 2 ขนาด ได้แก่ตัวท่ีมีปริมาตรกวาด เท่ากับ 66 และ 140 องศาเซลเซียส พบว่าได้ประสิทธิภาพโรงไฟฟ้า 86 ลกู บาศกเ์ ซนตเิ มตรตอ่ รอบ พบวา่ ตวั ทม่ี ขี นาดใหญ่ ร้อยละ 6.5-7.5 และได้ประสิทธิภาพ Expander กว่า ให้ประสทิ ธิภาพโรงไฟฟ้าทส่ี ูงข้ึนร้อยละ 2.5 แต่ ร้อยละ 65 โดยเมอ่ื เปรียบเทยี บกบั งานทใี่ ช้ Turbine ให้ประสิทธิภาพของ Expander ที่ต�่ำลงประมาณ แบบซื้อส�ำเร็จรูปของ G.B. Abadi et al. [9] ท่ีใช้ ร้อยละ 20 แหล่งความร้อน อุณหภูมิ 80-120 องศาเซลเซียส เพื่อต่อยอดจากงานวิจัยท่ีกล่าวมาจึงน�ำไปสู่ พบวา่ ไดป้ ระสทิ ธภิ าพโรงไฟฟา้ และ Turbine ทร่ี อ้ ยละ จุดประสงค์ของงานวิจัยน้ี เพ่ือทดสอบสมรรถนะของ 6-7 และรอ้ ยละ 60-70 ตามลำ� ดบั จะเหน็ วา่ Expander Scroll Expander สำ� หรบั โรงไฟฟา้ ORC โดยศึกษา ทดี่ ดั แปลงจาก Compressor รถยนต์ มีประสทิ ธภิ าพ อทิ ธิพลของ Scroll Expander 2 ขนาด ได้แก่ 85.7 ท่ีใกลเ้ คยี งกับ Turbine สำ� เรจ็ รปู และ 110 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อรอบ อีกทั้งศึกษา อย่างไรก็ตาม Expander ที่ดัดแปลงมาจาก อทิ ธพิ ลของการติดต้ัง Check Valve โดยใชโ้ รงไฟฟา้ Compressor รถยนต์ไม่ได้ออกแบบมาส�ำหรับ

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 133 ORC ขนาด 1 กิโลวัตต์ เป็นชดุ ทดสอบ ภายใต้เงื่อนไข อณุ หภูมิของแหล่งความร้อน 100-150 องศาเซลเซยี ส และใช้ R245fa เปน็ สารทำ� งาน รปู ท่ี 1 แผนผงั ชดุ ทดลอง Thermal Oil Loop และ ORC Loop 2. ชดุ ทดสอบ 3. Scroll Expander ซง่ึ เปน็ อปุ กรณท์ ด่ี ดั แปลง มาจาก Compressor รถยนต์ ทำ� หนา้ ทสี่ กดั กำ� ลงั ออก ในการศึกษานจ้ี ะใชโ้ รงไฟฟ้า ORC เพ่ือทดสอบ จากสารทำ� งานและเปลย่ี นเปน็ ก�ำลงั งานกล Scroll Expander ดังต่อไปนี้ 4. Condenser มีหน้าที่ทิ้งความร้อนเพื่อให้ สารทำ� งานเกิดการควบแนน่ จากไอนำ�้ สู่ของเหลว 2.1 โรงไฟฟ้า 5. Receiver เพ่ือใช้ในการเก็บสารท�ำงานใน สถานะของเหลว และช่วยรักษาเสถียรภาพในการ จากรปู ที่ 1 ชดุ ทดลองทใี่ ชใ้ นการทดสอบ Scroll ทำ� งานของป๊มั ไม่ใหส้ ารท�ำงานขาดตอน Expander จะประกอบดว้ ยอปุ กรณช์ ดุ โรงไฟฟ้า ORC 6. Regenerator ใชส้ ำ� หรบั ชว่ ยเพมิ่ ประสทิ ธภิ าพ (ORC Loop) ชดุ แหลง่ ความรอ้ นจำ� ลอง (Thermal Oil ของโรงไฟฟา้ โดยนำ� ความรอ้ นของสารทำ� งานทย่ี งั รอ้ น Loop) ซึง่ จะประกอบไปด้วย อปุ กรณ์หลักในฝงั่ ORC อยู่หลังออกจาก Expander มาอุ่นสารท�ำงานให้ร้อน Loop จะประกอบด้วย ระดับหนึง่ ก่อนเขา้ Evaporator 1. ORC Pump ท�ำหน้าที่ปั๊มสารท�ำงานให้ ในชดุ Thermal Oil Loop ทท่ี ำ� หนา้ ท่ีจำ� ลอง เคล่อื นทีใ่ นระบบโรงไฟฟา้ แหลง่ ความร้อนของโรงไฟฟา้ มรี ายละเอียดดงั น้ี 2. Evaporator ท�ำหน้าท่ีรับความร้อนและ 1. Thermal Oil Pump ท�ำหน้าท่ีขับเคล่ือน เปลยี่ นสถานะของสารทำ� งาน R245fa ในโรงไฟฟา้ จาก นำ้� มนั รอ้ น (Thermal Oil) ซงึ่ เปน็ ตวั กลางพาความรอ้ น ของเหลวใหก้ ลายเป็นไอ

134 วารสารวชิ าการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 2. Heater Tank มีหน้าท่ีให้ความร้อนแก่ 2.2 เครอื่ งมอื วดั คณุ สมบตั ติ า่ งๆของโรงไฟฟา้ Thermal Oil ดว้ ยฮตี เตอร์ไฟฟ้าขนาด 20 กโิ ลวัตต์ 3. Expansion Tank ทำ� หน้าทเี่ ก็บสำ� รอง และ ในการศกึ ษานี้ ผวู้ จิ ยั ไดต้ ดิ ตงั้ เครอ่ื งมอื วดั สำ� หรบั เป็นพ้นื ทีใ่ ห้ Thermal Oil ขยายตัวเมอ่ื อณุ หภมู สิ ูงข้ึน วัด อณุ หภมู ิ ความดนั อัตราการไหล แรงบดิ ความเร็ว ซึง่ ชุดทดลองท่สี ร้างจะมลี กั ษณะตามรูปท่ี 2 รอบ และกำ� ลงั ไฟฟ้า โดยระบุไวใ้ นตารางที่ 1 ตารางที่ 1 รายละเอียดทางเทคนคิ ของเครอื่ งมอื วดั Parameter Description Range, Accuracy Thermocouple Type T -40-350 ± 0.5˚C Pressure gage Bourdon 0-25 bar ± 1% tube Read, ± 0.1 bar Flowmeter Rotameter 0–52 L/h, ± 4% Read, ± 0.5 L/h Torque meter Strain gage 0-10 N-m, ± 0.2% Full scale Tachometer Laser 2-9999.9 rpm ± pointer 0.05%, ± 0.1 rpm Clamp meter True RMS DC Voltage: 0–600 A multimeter ± 1.5% Read, ± 5 digits DC Current: 0–600 V ± 1% Read, ± 5 digits DC Power: 0–100 kW ± 1.5% Read, ± 5 digits รปู ท่ี 2 ก) ORC Loop และ ข) Thermal Oil Loop 2.3 การดดั แปลง Scroll Expander ในการศึกษาน้ไี ดเ้ ลือก Expander จ�ำนวน 2 รุ่น ได้แกย่ หี่ ้อ Sanden ร่นุ TRSA09และ TRSA11 ซ่ึงมี ขนาด 85.7 และ 110 ลูกบาศกเ์ ซนตเิ มตรต่อรอบ โดย เหตุท่ีเลือกเน่ืองจากมีงานวิจัยที่เคยศึกษา [6] และ พบว่าประสิทธิภาพดี อีกทั้งยี่ห้อน้ีมีโรงงานผลิตใน ประเทศไทย และใช้งานในรถยนต์หลายรุ่น (Honda Civic ปี 2000, CRV ปี 2003) จึงง่ายตอ่ การหาข้อมลู

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 135 รูปที่ 3 ทศิ ทางการไหลของสารท�ำงาน ภายใน รูปที่ 5 การตอ่ Expander เข้ากบั Generator Scroll Expander ดว้ ยระบบส่งก�ำลังแบบสายพาน ในการดัดแปลง Compressor ให้ท�ำหน้าที่ 2.4 ชุดสง่ ก�ำลงั Expander ต้องสลับเส้นทางเข้า-ออกของสารท�ำงาน ดงั รูปท่ี 3 กล่าวคอื เพ่ือให้ชุดทดสอบสามารถถอดเปล่ียน - สารทำ� งานไหลเขา้ ทช่ี อ่ งออกของ Compressor Expander ท่นี ำ� มาทดลองได้ จึงต้องทำ� การออกแบบ - ขยายตัวภายในช่องระหว่าง Orbiting กับ ให้ฐานวาง Expander ยึดด้วยสกรู และระบบส่ง FixedScrolls ทำ� ใหไ้ ดง้ านออกมา กำ� ลังแบบสายพานที่ปรบั ความตงึ ได้ ท�ำใหส้ ามารถนำ� - สารทำ� งานไหลออกทชี่ อ่ งเขา้ ของ Compressor Expander หลาย ๆ แบบไปตดิ ตัง้ ได้ ส�ำหรบั คุณสมบัติ จากรูปที่ 3 พบว่ามี Check Valve ขวางอยู่ ของ Expander, Evaporator, Condenser และ ORC ที่บริเวณ Suction Port เพ่ือให้สารท�ำงานไหลย้อน Pump จะระบุไว้ในตารางท่ี 2 กลบั ไดต้ ้องถอด Check Valve ออกดังรูปที่ 4 ข) โดย เมื่อถอดออกแล้ว สารท�ำงานจะสามารถไหลเข้าไปใน ตารางท่ี 2 คณุ สมบตั ขิ องอปุ กรณ์และสารท�ำงาน Suction Port เพ่ือขยายตัวใน Expander ได้ Modified scroll expander รปู ท่ี 4 ก) ภายในของหอ้ งสารทำ� งาน ข) ต�ำแหน่ง ติดตง้ั Check Valve ค) ภายนอกของ Expander Model TRSA09 TRSA11 Swept Volume (cc/rev) 85.7 110 Pulley diameter (mm) 106 110 Lubricant Sanden SP-10 Pressure ratio 6 O-ring seal material Polyurethane Transmission ratio 2:1 Evaporator & condenser Model KAORI K50S Type of heat exchanger Blaze plate Heat transfer area (m2) 1.275 Capacity Range (kW) 17.58

136 วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 ตารางที่ 2 คุณสมบตั ขิ องอุปกรณ์และสารทำ� งาน (ต่อ) Isentropic และ ก�ำลังงานกล เพื่อเลือก Expander ตัวที่มคี ่าดังกลา่ วสูงกวา่ ไปทดลองในตอนที่ 2 ORC pump Grundfos CR 1S-33 ตอนท่ี 2 นำ� Expander ตัวที่ดีกวา่ จากตอนที่ 1 Model Multi-stage centrifugal มาศึกษาอิทธิพลของการติดอุปกรณ์ Check Valve Type of pump ดังรปู ที่ 6 โดยจะตดิ 2 แบบไดแ้ ก่ 1. ตดิ ท่ี Suction Max. Pressure (m) 173 Adapter ก่อนเข้าสู่ Expander และ 2. ติดที่ Max. Flowrate (m3/h) 150 Discharge Adapter หลังออกจาก Expander (ดัง Motor power (kW) 1 รูปท่ี 4) และทำ� การปรับอุณหภมู แิ หล่งความร้อน และ Driving system Variable Speed Drive ความถี่ Pump อยา่ งละ 3 คา่ เหมอื นตอนท่ี 1 และนำ� O-ring seal material EPDM ผลลพั ธม์ าเปรียบเทยี บกนั Working fluid ASHRAE number HFC-R245fa รูปท่ี 6 Check Valve Assembly Type of working fluid Isentropic fluid Critical temperature (˚C) 2.6 ตัวแปรบ่งชี้สมรรถนะ Critical pressure (MPa) 154.01 Liquid density (kg/m3) 3.651 ส�ำหรับตัวแปรท่ีใช้ในการบ่งชี้สมรรถนะของ ASHRAE safety class 1338 โรงไฟฟ้าจะได้มีการนยิ ามไว้เปน็ สมการดงั ต่อไปน้ี GWP B1 การหากำ� ลงั งานกลรวมน้นั หาได้จากสมการที่ (1) ODP 1030 (1) 0 โดยท่ี Pgross = กำ� ลังงานกล (W) 2.5 วิธกี ารทดลอง Ngen = ความเรว็ รอบการหมนุ ของ Generator ที่ ต่อพ่วงกับ Expander (rpm) ในการศึกษานี้ จะศกึ ษาอิทธพิ ลของ 4 ตัวแปร τgen = ทอร์กของเพลาขบั Generator (N-m) ได้แก่ อุณหภูมแิ หล่งความร้อนขาเข้า ความถ่กี ารป้อน การค�ำนวณกำ� ลังงานสุทธิเปน็ ไปตามสมการที่ (2) กระแสไฟฟา้ ของ ORC Pump ขนาดของ Expander และอิทธิพลของการติดตั้ง Check Valve โดยใช้ (2) R245fa เปน็ สารท�ำงาน โดยการทดลองจะแบง่ ป็น 2 ตอนดงั นี้ ตอนท่ี 1 ทำ� ปรบั อณุ หภูมิแหลง่ ความร้อน 3 ค่า ได้แก่ 100, 130 และ 150 องศาเซลเซียส ปรบั ความถ่ี การป้อนกระแสจาก Inverter เข้าสู่ Pump 3 ค่า ประกอบด้วย 40, 45 และ 50 เฮริ ตซ์ ซึ่งความเรว็ รอบ ของ Pump และอัตราการไหลของสารท�ำงาน แปรผัน ตรงกับอัตราการไหล และปรับขนาด Expander 2 ขนาด ไดแ้ ก่ 85.7 และ 110 ลกู บาศกเ์ ซนตเิ มตรตอ่ รอบ จากน้ันเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้ ได้แก่ ประสิทธิภาพ

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 137 โดยที่ โดยท่ี Ppump = กำ� ลงั งานที่ Pump ใช้ (W) hexp,in = Enthalpy ของสารท�ำงานกอ่ นเข้า ประสทิ ธภิ าพ Isentropic ของ Expander หาไดจ้ าก Expander (kJ/kg) สมการท่ี (3) hexp,out = Enthalpy ของสารทำ� งานหลังออก Expander (kJ/kg) (3) hs,exp,out = Enthalpy ของสารท�ำงานหลงั ออก Expander เมอ่ื กระบวนการอดั ตวั เปน็ แบบ Isentropic Expansion (kJ/kg) ตารางท่ี 3 ผลการจำ� ลองทัง้ หมดท่ีศกึ ษา Variations Th(ea˚tCso)urce Pump frequency P(Wgro)ss (PWne)t (QWin) h(is%en,e)xp his(e%n,pu)mp 85.7cc, w/o 100 (Hz) 493 25 4,354 33.7 6.5 130 40 794 124 5,632 35.0 13.3 110cc, w/o 150 45 761* -170* 4,672* 15.1* 16.9* 100 50* 632 184 4,880 61.3 8.2 130 40 902 244 6,898 44.7 9.8 150 45 1,423 540 8,333 38.4 17.1 50 708 240 5,776 71.1 7.3 40 1,097 439 5,779 56.1 8.4 45 1,593 706 10,530 55.7 15.2 50 1,034 578 11,612 37.3 8.7 40 1,165 525 9,838 42.9 10.4 45 806* -91* 4,180* 14.9* 3.5* 50* 806 370 5,935 64.5 5.5 40 1,314 674 7,453 58.4 8.7 45 1,740 874 11,650 41.1 15.8 50 870 538 6,763 76.8 7.2 40 1,450 812 9,229 64.5 12.0 45 1,926 1,048 11,749 49.4 26.8 50

138 วารสารวชิ าการและวิจัย มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 ตารางท่ี 3 ผลการจ�ำลองทัง้ หมดทศี่ ึกษา (ต่อ) Variations Th(ea˚tCso)urce Pump frequency P(Wgro)ss (PWne)t (QWin) h(is%en,e)xp his(e%n,pu)mp (Hz) 40 681 271 5,811 85.2 8.3 130 45 1,261 670 6,971 68.1 10.3 110cc, 50 1,442 646 8,809 46.5 21.2 Before 40 716 288 6,227 92.9 9.0 150 45 1,245 628 8,151 74.0 9.6 50 1,762 865 9,811 63.3 15.7 40 753 321 4,823 73.1 7.7 130 45 1,100 419 6,518 53.4 10.6 110cc, 50 1,636 744 11,109 48.0 20.2 After 40 737 307 6,243 91.6 11.2 150 45 1,126 475 7,517 75.3 8.2 50 1,651 959 13,455 58.5 14.4 * สารทำ� งานทไี่ หลผา่ น Expander มสี ถานะเปน็ ของเหลว ทำ� ใหก้ ำ� ลงั งานกลที่ Expander สรา้ งไดน้ อ้ ยมาก ผลการ ทดลองสว่ นนจี้ ะไมถ่ กู หยิบไปพล็อตกราฟ ประสิทธิภาพ Isentropic ของ Pump คำ� นวณโดยใช้ 3. ผลการศกึ ษาและอภิปรายผล สมการที่ (4) จากการทดลองท้ัง 2 ตอนจะน�ำไปสู่ผลลัพธ์ (4) 2 ส่วน ได้แก่ อิทธิพลของ Expander และอิทธิพล โดยท่ี ของการติด Check Valve โดยแสดงผลการทดลอง hpump,in = Enthalpy ของสารทำ� งานกอ่ นเขา้ ORC ท้ังหมดไว้ในตารางท่ี 3 และน�ำผลที่ได้มาพล็อต Pump (kJ/kg) เปน็ กราฟสำ� หรับวิเคราะห์ซ่งึ แบง่ เป็น 2 สว่ นดังนี้ hpump,out = Enthalpy ของสารทำ� งานหลงั ออก ORC Pump (kJ/kg) 3.1 อิทธพิ ลของขนาด Expander hs,pump,out = Enthalpy ของสารทำ� งานหลงั ออก ORC Pump เม่ือกระบวนการขยายตัวเป็น จากการทดลองในตอนท่ี 1 เมอ่ื นำ� ข้อมลู ทไ่ี ดไ้ ป แบบ Isentropic Compression (kJ/kg) พลอ็ ตกราฟ จะได้ผลการทดลองดังรูปที่ 7-10 จากรูปที่ 7 ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ของ กำ� ลังไฟฟ้าท่สี ่งให้กับ Pump ในแกน X กำ� ลังงานกล รวมทโ่ี รงไฟฟา้ ORC ผลติ ไดใ้ นแกน Y พบวา่ เมอื่ ความถี่

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 139 ในการจา่ ยไฟให้ Pump มากขนึ้ นนั้ ทำ� ใหค้ วามเรว็ รอบ รปู ท่ี 8 ความสมั พนั ธข์ องประสทิ ธิภาพ Isentropic และอัตราการไหลของ Pump สูงข้ึน ส่งผลให้รอบ ของ Expander กบั อุณหภมู ิแหลง่ ความร้อน การหมุนและแรงบดิ ท่ี Expander สงู ขึน้ จากสมการ และความถ่ี Pump ที่ (1) จึงท�ำให้ก�ำลังงานกลรวมเพิ่มขึ้น โดยพบว่ายิ่ง อุณหภูมิสูง ก�ำลังงานที่ได้ก็ย่ิงสูง และพบอีกว่า 110 ทำ� งานในสถานะ Mixture จะไมด่ ีเทา่ สถานะ Vapor ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อรอบ จะให้ก�ำลังงานมากกว่า จึงท�ำให้ประสิทธิภาพ Isentropic มีค่าลดลง โดย ขนาด 85.7 ลกู บาศกเ์ ซนตเิ มตรต่อรอบ เฉล่ยี ร้อยละ ปญั หานจี้ ะเกดิ มากขน้ึ ในกรณอี ณุ หภมู แิ หลง่ ความรอ้ น 17 กลา่ วคือ ย่งิ อณุ หภูมขิ องแหล่งความรอ้ นและอตั รา 100 องศาเซลเซยี ส ซง่ึ ทคี่ วามถ่ี 50 เฮริ ตซ์ ท่อี ัตราการ การไหลของสารทำ� งานเพมิ่ ขน้ึ จะสง่ ผลใหก้ ำ� ลงั งานกล ไหลสูงสุด สารท�ำงานขณะเข้า Expander จะอยู่ใน เพ่ิมขึ้นเชน่ กนั สถานะของเหลวเกอื บท้ังหมด ทำ� ใหไ้ ม่สามารถใช้งาน Expander ไดอ้ ยา่ งมปี ระสทิ ธภิ าพในช่วงดงั กล่าว ซง่ึ รปู ที่ 7 ความสมั พันธ์ของกำ� ลังงานกลรวมกบั สามารถดูเพิม่ เติมไดใ้ นตารางที่ 3 ในชว่ งอุณหภมู ิและ อณุ หภูมแิ หล่งความร้อน และความถี่ Pump ความถ่ดี ังกล่าว จากรูปที่ 8 ประสิทธิภาพ Isentropic ของ จากงานวิจัยท่ีทดสอบ Expander ท่ีประเภท Expander พบว่า Expander ท้งั 2 ตัวน้นั มีคา่ ปรสทิ ธิ เดียวกัน พบว่าประสิทธิภาพ Isentropic อยู่ในช่วง ภาพแปรผันตามอุณหภูมิและแปรผกผันกับความถี่ที่ รอ้ ยละ 22–65 [4]-[7] จากงานวจิ ัยน้ีพบว่าไดผ้ ลลพั ธ์ จ่ายให้ Pump ท่รี อ้ ยละ 34–77 ซงึ่ สงู กว่า และเมื่อน�ำไปเปรียบเทียบ เมอ่ื ความถม่ี าก อตั ราการไหลของสารทำ� งานใน กับงานท่ีใช้ Turbine ซ้ือส�ำเร็จท่ีมีราคาสูง (มีค่าท่ี ระบบจะมากขนึ้ เมอื่ อณุ หภมู ขิ องแหลง่ ความรอ้ นตำ่� จะ รอ้ ยละ 60–70 [9]) พบวา่ มปี ระสทิ ธภิ าพใกล้เคยี งกัน ส่งผลให้สารท�ำงานที่ไหลมาน้ันแลกเปล่ียนความร้อน โดยเหตุผลเกิดด้วยปัจจัยต่าง ๆ เช่น การออกแบบ ที่ Evaporator ไดไ้ มเ่ พยี งพอตอ่ การเปลยี่ นเฟสเปน็ ไอ ระบบท่อทเ่ี ลอื กใช้ diameter ใหญก่ ว่า (ใช้ทอ่ ขนาด ส่งผลให้สถานะของสารท�ำงานก่อนเข้า Expander 1 น้ิวโดยเฉลีย่ ) เมื่อเทยี บกับงานของ H. Xi et al. [11] เปน็ Mixture ซงึ่ ความสามารถในการขยายตวั ของสาร พบวา่ ใช้ Copper Tube ขนาด 0.5 น้ิว โดยขนาดท่อ ทใี่ หญ่จะส่งผลตอ่ Pressure Loss ในระบบที่น้อยลง และมกี ารเตมิ นำ�้ มนั Compressor เขา้ ไปรอ้ ยละ 5 ของ

140 วารสารวชิ าการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 มวลสารท�ำงาน ซึ่งชว่ ยหลอ่ ลื่นให้ Scroll Expander สร้างความดันได้ 11 บาร์ ซ่งึ เปน็ คา่ สงู สดุ เมอื่ เทยี บกบั อีกปัจจัยที่ส่งผลคือการสูญเสียความร้อนสู่บรรยากาศ การทดลองอื่นทงั้ หมด ท่ีผนังของ Expander เนื่องด้วยใน Expander มี ในการศึกษาเชิงตัวเลขของงานวิจัย [12], [13] วสั ดุ O-ring Seal ท่ที ำ� มาจาก Polyurethane ซ่งึ ทน นยิ มใชป้ ระสทิ ธภิ าพ Isentropic เปน็ คา่ ทคี่ งที่ แตจ่ าก อณุ หภมู ไิ ด้ประมาณ 160 องศาเซลเซยี ส เพื่อปอ้ งกัน รูปท่ี 8 และ 9 จะเหน็ ว่าประสิทธิภาพของ Isentropic การเสียหายของ Seal ดังกล่าวระหว่างทดลองจึงให้ ของ Expander และ Pump เปล่ียนแปลงอยา่ งมนี ัย Scroll Expander ได้ระบายความร้อนระหว่างการ สำ� คญั เช่นจากรปู ท่ี 8 ประสทิ ธิภาพ Isentropic ของ ท�ำงานโดยเลย่ี งการหมุ้ ฉนวน เหมือนสภาพการใชง้ าน Expander ท่ีเมื่อความถ่ีเปลี่ยนจาก 40 เฮิรตซ์ เป็น ปกติเม่อื เป็น Compressor 50 เฮริ ตซ์ มคี า่ ประสทิ ธิภาพลดลงเฉลีย่ ถึงรอ้ ยละ 20 ดังน้ันการใช้สมมุติฐานว่าประสิทธิภาพ Isentropic ท้ังของ Pump หรือ Expander เป็นค่าคงท่ีในการ จ�ำลองเชิงตวั เลขควรใชง้ านอย่างระมัดระวัง รปู ท่ี 9 ความสัมพันธ์ของประสทิ ธภิ าพ Isentropic รปู ท่ี 10 ความสมั พนั ธ์ของก�ำลงั งานสุทธิกับอุณหภูมิ ของ Pump กับอณุ หภูมิแหล่งความรอ้ น แหล่งความร้อน และความถี่ Pump และความถี่ Pump จากรูปท่ี 10 จะเห็นว่าก�ำลังงานสุทธิท่ีได้มี จากรปู ท่ี 9 พบวา่ Pump จะมปี ระสิทธภิ าพสงู แนวโน้มคล้ายกับก�ำลังงานกลรวมรูปที่ 8 คือมีค่า เมอ่ื ทำ� งานทคี่ วามถส่ี งู และอณุ หภมู สิ งู สาเหตเุ นอ่ื งจาก เพ่ิมแปรผันตามอุณหภูมิแหล่งความร้อนและความถ่ี Pump ตัวน้ีมี Design Head ที่ 173 เมตร หรือ Pump ที่เพิม่ ขึ้น เนื่องด้วย Pump ทใ่ี ช้ในงานวิจยั น้ี ประมาณ 17 บาร์ (ดังตารางที่ 2) และในย่านการ มีประสิทธิภาพสูงข้ึนเมื่อใช้งานท่ีความถี่สูงดังรูปท่ี ทดสอบของงานวิจัยนี้อยู่ที่ 4–11 บาร์ ซ่ึงพบว่า 10 และพบวา่ มชี ดุ ขอ้ มูลทีผ่ ิดปกติ คอื ทีอ่ ณุ หภมู ิ 100 ความดันจะมากข้ึนตามความถี่ท่ีจ่ายให้ Pump เมื่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเกิดจากปัญหาสารท�ำงานเป็น ความดันที่ใช้ทดสอบมีค่าเข้าใกล้ค่า Design จึงท�ำให้ ของเหลวกอ่ นเขา้ Expander มีประสิทธภิ าพสงู ขึ้น และพบว่าค่าประสิทธิภาพสงู สุด ท่ีท�ำได้อยู่ที่ร้อยละ 26.8 ท่ีเงื่อนไข 50 เฮิรตซ์ 110 ลูกบาศก์เซนติเมตร, 150 องศาเซลเซียส ซ่ึง Pump

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 141 3.2 อิทธิพลของการตดิ ตั้ง Check Valve เคยอย่ดู ังรปู ท่ี 3 และ 4 ทำ� ให้ปรมิ าตรของสารทำ� งาน ทอี่ ย่ใู นห้องตา่ ง ๆ ในตัวเรอื น Expander น้นั ใกล้เคียง จากการทดลองในตอนท่ี 2 จะไดผ้ ลลพั ธด์ งั รปู ท่ี สภาพเดิมตอนเป็น Compressor ส่งผลให้ก�ำลังงาน 11, 12 และตารางท่ี 4 กลท่ีผลิตได้มีค่ามากกว่าเม่ือเทียบกรณีติดหลังออก จากรปู ท่ี 11 ความสัมพันธ์ของก�ำลังงานกลทไ่ี ด้ Expander เฉลีย่ ร้อยละ 1.3 จาก Expander พบว่าได้ก�ำลังงานกลที่ได้จากทั้ง 3 รูปแบบเรียงจากมากไปน้อยเรียงได้ดังนี้ 1. ไม่ติด รูปที่ 12 ความสมั พนั ธ์ของประสิทธภิ าพ Isentropic Check Valve ได้ก�ำลังมากสุดที่ 806-1,926 วัตต์, ของ Expander กับอุณหภมู แิ หล่งความร้อน และ 2. ติดก่อนเข้า Expander ซ่ึงน้อยกว่าไม่ติดร้อยละ 4-17.8 และ 3. ตดิ หลงั ออก Expander ได้นอ้ ยกวา่ ความถ่ี Pump ไมต่ ดิ รอ้ ยละ 6-22.3 จากรูปท่ี 12 ประสิทธิภาพ Isentropic ของ เหตุผลท่ีก�ำลังงานกลลดลงเนื่องจาก Check Expander พบว่าสามารถเรียงล�ำดับประสิทธิภาพ Valve เพม่ิ Pressure Loss ในระบบท่อ จึงเกดิ การ ท่ีไดจ้ ากทงั้ 3 แบบจากมากไปนอ้ ยไดด้ งั นี้ 1. ตดิ ก่อน สูญเสยี พลังงานของสารท�ำงานมากขึ้น จากตารางที่ 3 เข้า Expander ซึง่ มากกวา่ แบบไมต่ ดิ รอ้ ยละ 13-51, พบว่า Pressure Loss ทเี่ กดิ ระหว่างทอ่ หลังออกจาก 2. ตดิ หลงั ออกจาก Expander ซง่ึ ไดม้ ากกวา่ แบบไมต่ ดิ Pump ถึงทางเขา้ Expander เฉลี่ยร้อยละ 9.1 และ 3. แบบไม่ติดได้ตำ่� สดุ ตามลำ� ดบั สาเหตุท่ีเป็นเช่นนี้ เน่ืองจากการติด Check Valve รปู ที่ 11 ความสมั พนั ธข์ องกำ� ลังงานกลรวมกบั ท�ำให้ Pressure Ratio ตกคร่อม Expander มีค่า อณุ หภมู ิแหลง่ ความรอ้ น และความถ่ี Pump เข้าใกล้ค่า Design Pressure Ratio ซึ่งเท่ากับ 6 ในกรณตี ิด Check Valve จะมีอยูใ่ นชว่ ง 0.2-1 (ดังตารางท่ี 2) พบวา่ กรณที ี่ติด Check Valve กอ่ น บาร์ ในขณะทกี่ รณไี ม่ติดอยู่ที่ 0.2-0.8 บาร์ ซึ่งมีการ Expander ที่ 150 องศาเซลเซียส ได้ประสิทธิภาพ สูญเสียความดันน้อยกว่าอย่างมนี ัยส�ำคัญ Isentropic สูงสุด โดยเฉพาะอยา่ งย่งิ ท่คี วามถ่ี Pump ผลทท่ี ำ� ใหก้ ารตดิ Check Valve หลงั Expander ต�่ำ ๆ ที่ 40 เฮิรตซ์ เนื่องจากมี Pressure Ratio ได้ก�ำลังน้อยกว่าแบบติดก่อนเป็นเพราะการติดก่อน ใกล้เคียง 6 และ Vapor Quality สูงเน่ืองจาก เข้านนั้ มีสภาพใกลเ้ คยี งตำ� แหน่งเดมิ ท่ี Check Valve สารท�ำงานที่อัตราการไหลต�่ำได้รับความร้อนจาก Evaporator อย่างเต็มท่ี

142 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 4. สรปุ 5. กิตติกรรมประกาศ จากการศึกษาอิทธิพลของการปรับความถ่ี ขอขอบคุณ เงินอุดหนุนการวิจัย มหาวิทยาลัย Pump อิทธิพลของอุณหภูมิแหล่งความร้อน พบว่า เทคโนโลยสี รุ นารี รหสั โครงการ SUT7-707-59-12-18 ก�ำลังงานกลที่โรงไฟฟ้าสร้างได้แปรผันตามความถี่ ทใ่ี หท้ นุ สนบั สนนุ และเจา้ หนา้ ทส่ี ว่ นอาคารเครอ่ื งมอื ที่ Pump และอุณหภูมิของแหล่งความร้อนที่เพ่ิมข้ึน ชว่ ยเหลอื และใหค้ ำ� แนะนำ� จนงานวจิ ยั นจ้ี นสำ� เรจ็ ลลุ ว่ ง เป็นไปตามกฏเทอร์โมไดนามิกส์ แต่ประสิทธิภาพ Isentropic ของ Expander กลับมีแนวโน้มที่แปร 6. เอกสารอา้ งองิ ผกผนั กบั ความถี่ Pump ทมี่ ากขนึ้ เนอ่ื งดว้ ยปญั หาเรอื่ ง สถานะของสารทำ� งานที่เป็น Mixture [1] Department of Alternative Energy จากการศึกษาอิทธิพลของขนาด Expander Development and Efficiency. (2017, ท้งั 2 ขนาดพบว่า Expander ขนาด 110 ลกู บาศก์ September 26). Annual Report 2016 เซนตเิ มตรต่อรอบ มปี ระสิทธิภาพ Isentropic อยใู่ น (ISSN: 1686-5170). [Online]. Available: ชว่ งรอ้ ยละ 37-76 มกี ำ� ลงั งานกลรวมและสทุ ธอิ ยใู่ นชว่ ง http://webkc.dede.go.th/testmax/node/ 806–1,926 วัตต์ และ 370-1,048 วัตต์ 3420 ในขณะเดียวกัน ที่ Expander ขนาด 85.7 [2] V. Songngaam. (2019, June 13). Organic ลกู บาศกเ์ ซนตเิ มตรตอ่ รอบ มปี ระสทิ ธภิ าพ Isentropic Rankine Cycle–ORC (KMT ed.). [Online]. อยใู่ นชว่ งรอ้ ยละ 34-71 มกี ำ� ลงั งานกลรวมและสทุ ธอิ ยู่ Available: http://www.ecct-th.org/acf/ ในช่วง 493–1,593 วตั ต์ และ 25-706 วตั ต์ จะเห็นวา่ virat_s_Organic%20Rankine%20Cycle% Expander ทม่ี ขี นาดใหญก่ วา่ มสี ามารถสรา้ งกำ� ลงั งาน 20edit%20KMT.pdf กลได้สูงกวา่ ที่ร้อยละ 18-35 [3] P. Garg, M. S. Orosz and P. Kumar, จากน้นั ได้นำ� Expander ขนาด 110 ลกู บาศก์ “Thermo-economic evaluation of ORCs เซนติเมตรต่อรอบ มาศึกษาอิทธิพลของการติด for various working fluids,” Applied Check Valve พบวา่ การติด Check Valve กอ่ นเข้าสู่ Thermal Engineering, vol. 109, pp. Expander ได้ประสิทธิภาพ Isentropic อยู่ในช่วง 841–853, 2016. รอ้ ยละ 47-93 ได้ก�ำลงั งานกลรวมในช่วง 681-1,762 [4] T. Saitoh, N. Yamada and S.-I. Wakashima, วตั ตแ์ ละการตดิ Check Valve หลงั ออกจาก Expander “Solar Rankine Cycle System Using ได้ประสทิ ธภิ าพ Isentropic อยู่ในชว่ งร้อยละ 48-92 Scroll Expander,” Journal of Environment ได้ก�ำลังงานกลรวมในช่วง 737-1,651 วัตต์ ซ่ึงเม่ือ and Engineering, vol. 2, no. 4, pp. 708– เปรยี บเทียบทง้ั 2 กรณี เข้ากบั กรณที ไ่ี มไ่ ดต้ ิด พบวา่ 719, 2007. การติด Check Valve ให้ประสิทธิภาพ Isentropic [5] D. Manolakos, G. Kosmadakis, S. Kyritsis ของ Expander ที่สูงขึ้นเฉล่ียร้อยละ 18 ในขณะที่ and G. Papadakis, “Identification of ก�ำลังงานกลรวมลดลงร้อยละ 4-22 สาเหตุเนื่องจาก behaviour and evaluation of performance การติด Check Valve ท�ำให้เกิดความดันสูญเสียจึง of small scale, low-temperature Organic ท�ำใหก้ ำ� ลงั งานที่ไดล้ ดลง Rankine Cycle system coupled with a RO desalination unit,” Energy, vol. 34, no. 6, pp. 767–774, Jun. 2009.

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 143 [6] B. Twomey, “Analysis of Low Temperature ports,” in Proceedings of Seventh Organic Rankine Cycles for Solar International Conference on Compressors Applications,” Ph.D. dissertation, Dept. and their Systems 2011, City University Mechanical Eng., Univ. of Queensland, London, England, 2011, pp. 477–488. Brisbane, Australia, 2015. [11] H. Xi, M.-J. Li, H.-H. Zhang and Y.-L. He, [7] C. Liu, S. Wang, C. Zhang, Q. Li, X. Xu and “Experimental studies of organic E. Huo, “Experimental study of micro- Rankine cycle systems using scroll scale organic Rankine cycle system expanders with different suction based on scroll expander,” Energy, volumes,” Journal of Cleaner Production, vol. 188, p. 115930, Dec. 2019. vol. 218, pp. 241–249, 2019. [8] Air square. (2016, May 16). E15H022A-SH [12] C. He, C. Liu, H. Gao, H. Xie, Y. Li, S. Wu datasheet (R7 10.05.18). [Online]. and J. Xu, “The optimal evaporation Available: https://airsquared.com/wp- temperature and working fluids for content/uploads/2015/05/e15h022a-sh. subcritical organic Rankine cycle,” Energy, pdf vol. 38, no. 1, pp. 136–143, 2012. [9] G. B. Abadi, E. Yun and K. C. Kim, [13] J. Li, Q. Liu, Z. Ge, Y. Duan and Z. Yang, “Experimental study of a 1 kW organic “Thermodynamic performance analyses Rankine cycle with a zeotropic mixture and optimization of subcritical and of R245fa/R134a,” Energy, vol. 93, transcritical organic Rankine cycles using pp. 2363–2373, Dec. 2015. R1234ze(E) for 100–200 °C heat sources,” [10] P. Ginies, C. Ancel and D. Gross, “Scroll Energy Conversion and Management, compressors and intermediate valve vol. 149, pp. 140–154, 2017.

144 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ กาวหลอมรอ้ นจากยางธรรมชาติ ศวิ โรฒ บญุ ราศร*ี คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวทิ ยาลัยแม่โจ้ 63 หมู่ 4 ถนนเชียงใหม-่ พร้าว ตำ� บลหนองหาร อำ� เภอสันทราย จังหวดั เชยี งใหม่ 50290 รับบทความ 1 สิงหาคม 2562 แก้ไขบทความ 29 เมษายน 2563 ตอบรบั บทความ 13 พฤษภาคม 2563 บทคัดยอ่ งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการท�ำกาวหลอมร้อนจากยางธรรมชาติ (ยางแท่ง STR 20) เพื่อปรับปรุง สมบัติการยึดติดและการหลอมตัวของกาวหลอมร้อนจากยางธรรมชาติให้ดีข้ึนเพ่ือให้ได้สูตรกาวที่เหมาะสม ทำ� การทดลองโดยแปรปรมิ าณเอธลิ ีนไวนิลอะซิเตต ข้ผี ้ึงพาราฟิน และปโิ ตรเลยี มเรซนิ เปน็ 25, 50, 100, 125 และ 150 phr (สว่ นในยาง 100 สว่ น) พบว่าสตู รกาวท่ีดีที่สุดประกอบดว้ ย ยางแท่ง STR 20 100 phr ข้ีผ้ึงพาราฟิน 25 phr เอธิลีนไวนิลอะซิเตต 150 phr ปิโตรเลียมเรซิน 150 phr ส�ำหรับกระบวนการท�ำกาวหลอมร้อน เร่ิมต้น จากควบคุมใหอ้ ณุ หภมู ิของขีผ้ งึ้ พาราฟินอยทู่ ่ี 160–170 องศาเซลเซยี ส หลงั จากนัน้ ตัดยาง STR 20 เปน็ ช้ินเลก็ ๆ แลว้ ค่อย ๆ เติมยางลงไปในขผี้ ึง้ พาราฟนิ ท่ีหลอมเหลวจนยางละลายหมด แล้วเตมิ ปโิ ตรเลียมเรซินและเอธิลนี ไวนลิ อะซิเตต ตั้งทิง้ ไว้ให้เย็นอณุ หภูมิห้อง จากการทดสอบกาวหลอมรอ้ นพบว่า กาวทไ่ี ด้มีลักษณะสีน�ำ้ ตาล มีความแขง็ และผิวเรียบดี ไม่มีกล่ินรบกวน มีค่าความหนืด 514±14 เซนติพอยส์ ท่ีอุณหภูมิ 150 องศาเซลเซียส มีค่า ความต้านทานแรงเฉือน 82.5±1.4 ปอนด์ต่อตารางน้ิว มีค่าความต้านทานการหลุดลอก 2.06±0.02 กิโลนิวตัน ตอ่ เมตร คำ� ส�ำคัญ : ยางธรรมชาต;ิ กาวหลอมร้อน * ผู้นิพนธ์ป ระสานงาน โทร: +669 0519 4926, ไปรษณยี อ์ เิ ล็กทรอนกิ ส์: [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 145 http://journal.rmutp.ac.th/ Hot-melt Adhesive Production from Natural Rubber Siwarote Boonrasri* Faculty of Engineering and Agro-industry, Maejo University 63 Moo 4 Chiangmai-Phrao Road, Nong Han Subdistrict, San Sai District, Chiang Mai Province 50290 Received 1 August 2019; Revised 29 April 2020; Accepted 13 May 2020 Abstract The purpose of this research was to study hot-melt adhesives from natural rubber (Standard Thai Rubber 20, STR 20). In order to improve the adhesion and melting properties of hot-melt adhesive to get the best glue formula from STR 20, the ethylene vinyl acetate content (EVA), paraffin wax (Wax) and petroleum resin (Resin) were varied from 25, 50, 100, 125 and 150 phr (Part Per Hundred Rubber). It was found that the best adhesive formulas consisted of 100 phr of STR 20, 25 phr of wax, 150 phr of EVA and 150 phr of resin. For preparing hot-melt adhesive, first, the wax was heated and maintained at 160-170 ºC, then cut the STR 20 into small pieces and slowly added the rubber into the melted wax until the rubber was completely melted. And then added resin and EVA and cooled to room temperature, finally, the results show that hot-melt adhesive was dark brown, hard and odorless, smooth texture and easy to melt with 514±14 centipoises of Viscosity at 150 ºC, 82.49±1.4 lbf/in2 of shear strength and 2.06±0.02 kN/m of cleavage peel strength. Keywords : Natural Rubber; Hot-melt Adhesive * Corresponding Author. Tel.: +669 0519 6962, E-mail Address: [email protected]