วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปีที่14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2563

146 วารสารวิชาการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 1. บทนำ� ยางธรรมชาตินิยมใช้ท�ำเป็นกาว Pressure-sensitive งานวิจัยเกี่ยวกับกาวยางธรรมชาติมีอยู่หลาย เนื่องจากมีสมบัติความเหนียวติดกันที่ดี [6]-[8] เรื่องแตส่ ่วนใหญเ่ ป็นกาวชนดิ ทีม่ นี ำ้� เป็นตวั กลาง หรอื นอกจากน้ี ขี้ผ้ึงพาราฟิน (Paraffin Wax) เป็นสารท่ี ใช้ตัวท�ำละลายอินทรีย์ มักมีปัญหาในการแห้งช้า ช่วยปรับความหนืดของกาวได้และท�ำให้กาวเซ็ตตัว ดังนั้นหากต้องการให้กาวแห้งเร็วควรเปล่ียนจากกาว เร็วขึ้น [9] EVA มีโครงสร้างเป็นแบบโคพอลิเมอร์ ทใ่ี ชต้ วั ทำ� ละลายเปน็ กาวหลอมรอ้ น ผวู้ จิ ยั คดิ วา่ การทำ� ไม่เป็นระเบียบ (Random Copolymer) เน่ืองจาก กาวหลอมรอ้ นจากยางธรรมชาตจิ ะทำ� ใหย้ างธรรมชาติ สารชนิดนี้เกิดจากการรวมมอโนเมอร์ 2 ชนิด คือ มีการใชง้ านท่หี ลากหลายมากขึ้น เอธลิ นี มอโนเมอรก์ บั ไวนลิ อะซเี ตตมอโนเมอร์ EVA เปน็ กาวหลอมร้อน (Hot-melt Adhesive) เป็น พอลิเมอร์หลักในการใช้ท�ำกาวหลอมร้อน ซ่ึงมีหลาย กาวที่ใช้งานทอี่ ณุ หภมู ิสูงกวา่ จดุ หลอมเหลว (Melting เกรด เชน่ Elvax 150, Elvax 210, Elvax 220, Elvax Point) และเกิดการติดประสานกับวัสดุเมื่อเย็นลง 250 และ Elvax 260 เป็นต้น แคลเซียมคาร์บอเนต และกลายเป็นของแข็ง ต่างกับกาวชนิดอ่ืนท่ีเกิด ใช้เป็นสารตัวเติมลดต้นทุนและเพิ่มความแข็งของ การติดประสานหรือกลายเป็นของแข็ง เมื่อตัวท�ำ เนือ้ กาว [1], [10] ละลาย (Solvent) หรือน�้ำระเหยออกไป ดังนั้นกาว ในการทำ� วจิ ยั กาวหลอมรอ้ นจากยางธรรมชาตนิ ้ี หลอมร้อนจึงไม่มีตัวท�ำละลาย และเป็นเทอร์โม ใช้ยางแท่ง STR 20 จากการทดลองเบ้ืองต้นพบว่า พลาสติก (Thermoplastic) มีจุดหลอมเหลวในช่วง ยาง STR 20 ไม่สามารถหลอมละลายได้ที่อุณหภูมิ 65-180 องศาเซลเซียส สามารถติดกบั พ้นื ผวิ ท่ไี มเ่ ป็น 200 องศาเซลเซยี ส และมีความหนดื สงู ประมาณ 80 รูพรุน เช่น โลหะได้ดี ใช้เวลาน้อยและสามารถใช้กับ Mooney Unit (MU) ไม่เหมาะทีจ่ ะนำ� มาท�ำเป็นกาว เครื่องจักรแบบอัตโนมัติท�ำให้ประหยัดเงินและเวลา หลอมร้อน จำ� เป็นต้องนำ� ยางธรรมชาติมาบดเป็นเวลา ใช้ในงานรวมเล่มหนังสือ รวมกระดาษ บรรจุภัณฑ์ 9 นาที ความหนดื ลดลงประมาณ 55 MU การบดยาง ติดรองเท้า การยึดติดกระดาษกับแผ่นอลูมิเนียม ท�ำให้น้�ำหนักโมเลกุลลดลงความหนืดลดลง และเติม ฟลอยด์ [1], [2] น�้ำมันพาราฟินและสารตัวเติมแคลเซียมคาร์บอเนต สูตรกาวหลอมร้อนมีหลายสูตรขึ้นอยู่กับผู้ผลิต ลงไปเพ่ือท�ำให้โมเลกุลยางห่างจากกันจะได้หลอม แต่ก็มีส่วนประกอบหลัก ๆ อยู่ 4 ชนิด คือ เอธิลีน ตัวได้ง่ายข้ึน น้�ำมันท�ำให้ความหนืดลดลง โดยน�้ำมัน ไวนิลอะซีเตต (Ethylene Vinyl Acetate, EVA) ละลายอยู่หรือปนอยู่ในโมเลกุล ท�ำให้ยางเคลื่อนไหว สารเพิ่มความเหนียวติด (Tackifying Resin) สารตัว ได้ง่ายข้ึน การเติมน�้ำมัน 50 phr ท�ำให้ความหนืด เติมลดต้นทุน (Fillers) สารป้องกันการเสื่อมสภาพ ลดลงประมาณ 45 MU [11]-[13] สำ� หรบั การทดลอง เน่ืองจากออกซิเจน (Antioxidant) ตัวอย่างสูตรกาว นไ้ี ดป้ รบั ปรงุ สมบตั กิ ารยดึ ตดิ และการหลอมตวั ของกาว จะใชน้ ำ�้ หนกั รวมทงั้ หมดเปน็ รอ้ ยละ 100 โดยใชส้ ดั สว่ น หลอมร้อนจากยางธรรมชาติให้ดีขึ้น ท�ำการทดลอง ดงั นี้ EVA (Elvax 260) รอ้ ยละ 10, EVA (Elvax 250) โดยแปรปริมาณเอธิลีนไวนิลอะซิเตต ข้ีผึ้งพาราฟิน ร้อยละ 35, Tackifying resin รอ้ ยละ 30, แคลเซยี ม และปโิ ตรเลียมเรซนิ เปน็ 25, 50, 100, 125 และ 150 คาร์บอเนต (ACnatlcioiuxmidaCnatrb0o.2n%ate[,1C],aC[3O]3)สรา้อรยเพล่ิมะ phr แลว้ นำ� ไปทดสอบความตา้ นทานแรงเฉอื น (Shear 24.8 และ Strength) ความต้านทานการหลุดลอก(Cleavage ความเหนียวตดิ เป็นสารทีส่ ำ� คัญในการท�ำกาว [4], [5] Peel Strength) ความหนืด (Viscosity) และ ตัวอย่างสารเพิ่มความเหนียวติด เช่น คูมาโรนเรชิน เปรยี บเทยี บสมบตั ิกบั กาว Hot-melt ทางการคา้ ปโิ ตรเลียมเรซิน (Petroresin 120) และโรซิน (Rosin)

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 147 2. ระเบยี บวธิ วี จิ ยั ศึกษาผลของการเพ่ิมปริมาณ Wax ต่อสมบัติ กาวหลอมร้อนโดยแปรปรมิ าณ Wax เปน็ 25, 50, 75, 2.1 วัสดุ 100, 125 และ 150 phr โดยก�ำหนดให้ Resin คงที่ ท่ี 25 phr และ EVA คงทท่ี ี่ 150 phr ดงั ตารางท่ี 2 เอธลิ นี ไวนลิ อะซเี ตต (Ethylene Vinyl Acetate, EVA) เกรด Elvax 220 มีปริมาณไวนิลอะซีเตต ตารางที่ 2 สตู รกาวหลอมร้อนโดยแปรปรมิ าณ Wax ประมาณร้อยละ 28 มีจุดหลอมเหลวที่ 70 องศา เซลเซียส มีความแข็ง 50 Shore A จ�ำหน่ายโดย สารเคมี 1 สูตรที่ นำ�้ หนกั แหง้ (phr) 6 บริษัทดูปองด์ ประเทศไทย ข้ีผึ้งพาราฟิน (Paraffin 23 4 5 100 Wax หรือ Wax) ปโิ ตรเรซนิ เกรด 120 (Petroresin 50 120 หรือ Resin ท�ำหน้าท่ีเป็น Tackifying Resin) STR 20 100 100 100 100 100 50 แนค้ำ� มลนัเซพียามรคาาฟรนิ บ์ อ(Pเนaตra(fCfianlcOiuilmหCรอืarbOoiln) aแtลeะ, ยCาaงCแOท3่ง) 150 STR 20 จ�ำหน่ายโดยบริษัท ซีม่อนยางพารา จ�ำกัด Oil 50 50 50 50 50 25 150 CaCO3 50 50 50 50 50 Wax 25 50 75 100 125 2.2 การเตรียมกาว Hot-melt Resin 25 25 25 25 25 สูตรกาวท่ีใช้ในการทดลองมีส่วนผสมดังนี้ EVA 150 150 150 150 150 ยางแทง่ STR 20, Wax, Resin, และ EVA ในการทดลอง แปรปริมาณสารเปน็ 25, 50, 75, 100, 125 และ 150 ศึกษาผลของการเพ่มิ ปริมาณ Resin ตอ่ สมบตั ิ phr (ส่วนในยาง 100 ส่วน) ตามสูตรก�ำหนดให้ กาวหลอมร้อน โดยแปรปรมิ าณ Resin 25, 50, 75, ยางแทง่ STR 20 เปน็ 100 สว่ น สารเคมตี วั อนื่ ๆ ทเี่ ตมิ 100, 125 และ 150 phr โดยก�ำหนดให้ Wax คงทท่ี ่ี เปน็ ปรมิ าณสว่ นในยาง 100 สว่ น (Part Per Hundred 25 phr และ EVA คงทท่ี ี่ 150 phr ดังตารางท่ี 3 Rubber, phr) การศึกษาผลของการเพม่ิ ปรมิ าณของ EVA ตอ่ ตารางท่ี 3 สูตรกาวหลอมร้อนโดยแปรปริมาณ Resin สมบัติกาวหลอมรอ้ น โดยแปรปริมาณ EVA เป็น 25, 50, 75, 100, 125 และ 150 phr โดยกำ� หนดให้ Wax สารเคมี 1 สตู รท่ี น�ำ้ หนักแห้ง (phr) 6 และ Resin คงท่ที ี่ 25 phr ดังตารางที่ 1 23 4 5 100 50 STR 20 100 100 100 100 100 50 ตารางที่ 1 สตู รกาวหลอมรอ้ นโดยแปรปรมิ าณ EVA Oil 50 50 50 50 50 25 150 สารเคมี 1 สูตรที่ นำ�้ หนักแหง้ (phr) CaCO3 50 50 50 50 50 150 2345 Wax 25 25 25 25 25 6 Resin 25 50 75 100 125 STR 20 100 100 100 100 100 100 EVA 150 150 150 150 150 Oil 50 50 50 50 50 50 CaCO3 50 50 50 50 50 50 ข้นั ตอนการผสมกาวหลอมรอ้ น เริ่มต้นโดยการ Wax 25 25 25 25 25 25 ผสมยาง STR 20 กับน�้ำมันพาราฟินและแคลเซียม คารบ์ อเนตในเครอ่ื งบดยางสองลกู กลงิ้ เปน็ เวลา 9 นาที Resin 25 25 25 25 25 25 EVA 25 50 75 100 125 150

148 วารสารวิชาการและวิจยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 รดี เปน็ แผน่ หลงั จากนนั้ ตดั ยาง STR 20 ชนิ้ เลก็ ๆ ขนาด ไว้ 1 วนั ทอี่ ณุ หภมู หิ อ้ งใหก้ าวเซต็ ตวั แลว้ นำ� ไปทดสอบ ประมาณ 0.5x0.5 เซนติเมตร เพือ่ ลดเวลาการละลาย สมบตั ิ ในการทดสอบแตล่ ะคร้งั ใช้ชน้ิ ตวั อย่าง 3 ชน้ิ ใช้ ของยางใน Wax ใหอ้ ณุ หภมู ิ Wax ท่ี 160-170 องศา เครอื่ งทดสอบแรงดงึ (Universal Testing Machine) เซลเซียส ปริมาณ Wax ดังตารางที่ 2 คอ่ ย ๆ เติมยาง ยี่ห้อ LLOYD รุ่น LR 10K ตั้งค่าความเร็วการดึงช้ิน ลงไปจนยางละลายหมด เติม Resin ปริมาณ Resin ทดสอบที่ 12.70 มลิ ลเิ มตรตอ่ นาที ดังตารางที่ 3 เติม EVA ปริมาณ EVA ดังตารางท่ี 1 ปลอ่ ยทง้ิ ไว้ใหเ้ ย็นทอี่ ุณหภมู ิห้อง น�ำไปสังเกตลักษณะ รปู ที่ 2 ลักษณะชิน้ ทดสอบความต้านทาน ท่ัวไป น�ำกาวท่ีได้ไปทดสอบความต้านทานแรงเฉือน การหลดุ ลอก (Shear Strength) ความต้านทานการหลุดลอก (Cleavage Peel Strength) ความหนดื (Viscosity) 2.5 การทดสอบความหนดื (Viscosity) 2.3 ก า ร ท ด ส อ บ ค ว า ม ต ้ า น ท า น แร ง เ ฉื อ น น�ำยางกาวหลอมร้อนที่เตรียมมา 100 กรัม (Shear Strength) มาวัดความหนืดด้วยเครื่องวัดความหนืดของของเหลว Brook Field รุ่น LVDV-III Ultra RY78173 เลือก เตรยี มแผน่ ไมอ้ ดั ตามมาตรฐานกำ� หนดสองแผน่ แกนหมุนท่ีเหมาะสมเบอร์ 4 เลือกความเร็วที่ 60 ดงั รปู ท่ี 1 นำ� กาวตวั อยา่ งทไ่ี ดม้ าใหค้ วามรอ้ นทอ่ี ณุ หภมู ิ รอบต่อนาที น�ำกาวหลอมร้อนใส่บีกเกอร์ และท�ำให้ 60 องศาเซลเซียส ติดกับไม้ ตามมาตรฐาน ASTM หลอมเหลวทอ่ี ณุ หภูมิ 150 องศาเซลเซียส น�ำบกี เกอร์ D2339 ตั้งท้ิงไว้ 1 วัน ท่ีอุณหภูมิห้องให้กาวเซ็ตตัว วางใต้แกนหมุนแลว้ เดนิ เครื่อง อ่านคา่ ที่ไดบ้ นหน้าปัด แล้วน�ำไปทดสอบสมบัติ ในการทดสอบแต่ละครั้งใช้ เครอื่ ง บันทึกผล ชน้ิ ตวั อย่าง 3 ชน้ิ ใช้เคร่อื งทดสอบแรงดงึ (Universal Testing Machine) ยีห่ ้อ LLOYD รุ่น LR 10K ตง้ั ค่า 3. ผลการศกึ ษาและอภปิ รายผล ความเรว็ การดงึ ชิ้นทดสอบที่ 12.70 มลิ ลเิ มตรตอ่ นาที 3.1 ผลของสมบัติความต้านทานแรงเฉือน รูปที่ 1 ลักษณะชนิ้ ทดสอบความต้านทานแรงเฉอื น (Shear Strength) ของกาว Hot-melt 2.4 การทดสอบความต้านทานการหลุดลอก ผลสมบัติความต้านทานแรงเฉือน (Shear (Cleavage Peel Strength) Strength) โดยการแปรปรมิ าณสาร EVA, Wax และ Resin เป็น 25, 50, 75, 100, 125, 150 และ 175 เตรยี มแผน่ ไมอ้ ดั ตามมาตรฐานกำ� หนดสองแผน่ จากรูปท่ี 3 ปริมาณ EVA มีผลต่อค่าความต้านทาน ดงั รปู ท่ี 2 นำ� กาวตวั อยา่ งทไี่ ดม้ าใหอ้ ณุ หภมู ทิ ่ี 60 องศา แรงเฉอื น คอื เมอ่ื ปรมิ าณ EVA เพม่ิ ขน้ึ คา่ ความตา้ นทาน เซลเซยี ส ตดิ กบั ไม้ ตามมาตรฐาน ASTM D3807 ตง้ั ทง้ิ แรงเฉือนมีแนวโน้มเพ่ิมขึ้น แสดงว่า EVA ท�ำให้กาว มีความแข็งแรงเพ่ิมมากข้ึน เนื่องจากยาง STR 20

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 149 เปน็ ยางทไ่ี มม่ ขี ว้ั (Non-polar) แต่ EVA มขี วั้ สงู (Polar) มคี วามแขง็ แรงเพม่ิ มากขน้ึ และทีป่ รมิ าณ Resin 150 เพราะมีหมู่ไวนิลอะซีเตต ท�ำให้สามารถยึดติดกับไม้ phr ท�ำให้กาวมีความต้านทานแรงเฉือนสูงสุด คือ ซง่ึ มีขว้ั ไดด้ ี [14], [15] ที่ปรมิ าณ EVA 150 phr ทำ� ให้ 82.49 ปอนดต์ อ่ ตารางนวิ้ เปรียบเทยี บกาวทางการคา้ กาวมีความต้านทานแรงเฉือนสูงสุด คือ 58.5 ปอนด์ มีค่าความต้านทานแรงเฉือน ท่ี 98.09 ปอนด์ต่อ ต่อตารางนิ้ว จึงก�ำหนดให้ EVA คงท่ีท่ี 150 phr ตารางนิ้ว ถ้าใช้ปริมาณมากกว่านี้ท�ำให้สมบัติกาวอาจ ซึ่งเป็นปริมาณที่ดีที่สุด ถ้าใช้ปริมาณมากกว่าน้ีท�ำให้ จะดีข้ึน แต่จะท�ำให้ปริมาณการใช้ยางซึ่งเป็นวัตถุดิบ สมบัติกาวอาจจะดีข้ึน แต่จะท�ำให้ปริมาณการใช้ยาง หลกั ลดลง นอกจากน้ี Resin ช่วยเพ่ิมความเขา้ กนั ของ ซึ่งเป็นวัตถุดิบหลักลดลง และได้ทดลองแปรปริมาณ ยางกับ EVA โดยมคี วามเร็วในการละลายเพิ่มข้นึ และ Wax ตอ่ ไป ลดความหนดื ของของผสมลง สอดคลอ้ งกบั การทดลอง ของ Y. J. Park และ H. J. Kim [2] พบว่า Resin หรือ รูปท่ี 3 ความสมั พันธ์ของปริมาณ EVA, Wax และ สาร Tackifier จะทำ� ให้กาวหลอมร้อนมีความแขง็ แรง Resin กับคา่ ความต้านทานแรงเฉอื น มากขน้ึ เพม่ิ ความเหนยี วตดิ และชว่ ยลดความหนดื ของ กาวหลอมร้อนได้ [2] ดงั นน้ั สตู รที่เหมาะสม คอื EVA เมื่อปริมาณ Wax เพม่ิ ขน้ึ ค่าความตา้ นทานแรง 150 phr, Wax 25 phr และ Resin 150 phr เฉือนมแี นวโน้มลดลง แสดงว่า Wax ท�ำให้กาวมคี วาม แข็งแรงลดลง และท่ีปริมาณ Wax 25 phr ท�ำใหก้ าวมี 3.2 ผลของสมบตั คิ วามตา้ นทานการหลดุ ลอก ความต้านทานแรงเฉือนสูงสุด คือ 56.43 ปอนด์ต่อ (Cleavage Peel Strength) ของกาว ตารางนิ้ว จึงก�ำหนดให้ EVA คงที่ที่ 150 phr และ Hot-melt ปริมาณ Wax คงทที่ ี่ 25 phr ซึง่ เปน็ ปรมิ าณท่ดี ที สี่ ุด ถ้าใช้น้อยกว่าน้ีท�ำให้การหลอมตัวของกาวไม่ดี ได้ จากรูปท่ี 4 ปริมาณ EVA มีผลต่อค่าความ ทดลองแปรปริมาณ Resin ต่อไป ตา้ นทานการหลุดลอก คือ เมอ่ื ปรมิ าณ EVA เพม่ิ ข้ึนค่า เมื่อปริมาณ Resin เพ่ิมขึ้นค่าความต้านทาน ความตา้ นทานการหลดุ ลอก มแี นวโนม้ เพม่ิ ขนึ้ เลก็ นอ้ ย แรงเฉอื นมแี นวโน้มเพม่ิ ขึน้ แสดงว่า Resin ท�ำให้กาว สอดคลอ้ งกบั คา่ ความต้านทานแรงเฉือน เม่ือปริมาณ Wax เพ่ิมขึ้นค่าความต้านทาน การหลุดลอก มีแนวโน้มลดลงเล็กน้อย สอดคล้องกับ คา่ ความต้านทานแรงเฉอื น เมื่อปริมาณ Resin เพิ่มข้ึนค่าความต้านทาน การหลดุ ลอก มแี นวโนม้ เพมิ่ ขนึ้ เลก็ นอ้ ย แสดงวา่ Resin ทำ� ใหก้ าวมคี วามแขง็ แรงเพม่ิ ขนึ้ เลก็ นอ้ ย เมอื่ เทยี บสตู ร กาวทเี่ ตรยี มขนึ้ กบั กาวทางการคา้ พบวา่ มสี มบตั คิ วาม ตา้ นทานการหลุดลอก สตู รกาวหลอมรอ้ น ทม่ี ีปรมิ าณ Resin 150 phr มีความต้านทานการหลุดลอก 2.06 กิโลนิวตันตอ่ เมตร มคี า่ ใกล้เคยี งกบั กาวทางการค้า มี คา่ ความตา้ นทานการหลดุ ลอก 2.33 กโิ ลนวิ ตนั ตอ่ เมตร

150 วารสารวิชาการและวิจยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 รปู ที่ 4 ความสมั พันธ์ของปรมิ าณ EVA, Wax และ เม่ือปริมาณ Resin เพ่ิมข้ึนค่าความหนืดมี Resin กบั คา่ ความตา้ นทานการหลุดลอก แนวโนม้ ลดลง เน่อื งจาก Resin เปน็ สารท่มี คี วามหนืด ที่ 62 cps เมื่อผสมในกาวจะท�ำให้กาวมีความหนืด 3.3 สมบัติด้านความหนืด (Viscosity) ของ ลดลงตามปริมาณท่ีผสมลงไป เมื่อเปรียบเทียบสูตร กาว Hot-melt กาวหลอมรอ้ นทเี่ ตรยี มขนึ้ เองกบั กาวทางการคา้ พบวา่ สตู รกาวหลอมรอ้ น ที่มปี ริมาณ EVA 150 phr, Wax จากรูปที่ 5 พบวา่ ปรมิ าณ EVA มผี ลต่อคา่ ความ 25 phr และ Resin 150 phr มีค่าความหนืด ที่ 514 หนืดคือ เมื่อปรมิ าณ EVA เพ่มิ ขนึ้ ค่าความหนดื มแี นว cps มีค่าใกล้เคียงกับกาวทางการค้า มีค่าความหนืด โนม้ เพิ่มข้นึ เนอ่ื งจาก EVA เกรด Elvax 220 เปน็ เกรด ท่ี 668 cps ถา้ ใช้ Resin ปริมาณมากกวา่ นคี้ ่าความ ทม่ี คี วามหนดื สูงจากการวดั ดว้ ยเครือ่ งได้ค่าความหนดื หนดื เรมิ่ คงที่ สูงเกิน 3,000 cps เมื่อผสมในกาวท�ำให้กาวมีความ หนืดสูงขึ้นตามปริมาณที่ผสมลงไป ปริมาณ EVA ที่ รปู ที่ 5 ความสมั พนั ธ์ของปริมาณ EVA, Wax และ เหมาะสมในสตู รกาว คอื 150 phr ถา้ ใสน่ อ้ ยกวา่ นกี้ าว Resin กบั ค่าความหนืด ทไ่ี ดจ้ ะนม่ิ มากเกนิ ไปทอี่ ณุ หภมู หิ อ้ ง ถา้ ใช้ EVA ปรมิ าณ มากกว่าน้ีทำ� ใหค้ วามหนืดเพมิ่ ข้นึ ตอ้ งปรับปรงุ ใหก้ าว 3.4 เปรียบเทียบกับกาว Hot-melt ทาง มคี วามหนดื ลดลงโดยการเตมิ Wax หรอื Resin การค้า เมอื่ ปรมิ าณ Wax เพม่ิ ขน้ึ คา่ ความหนดื มแี นวโนม้ ลดลงเนื่องจาก Wax เป็นสารท่ีมีความหนืด 59 cps สูตรกาวหลอมร้อนจากยางธรรมชาติที่ดี เมื่อผสมในกาวหลอมร้อนจะท�ำให้กาวมีความหนืดต่�ำ ประกอบด้วยยางแท่ง STR 20 100 phr, น้�ำมัน ลงตามปรมิ าณทผี่ สมลงไป โดยทว่ั ไปปรมิ าณ Wax เพม่ิ พาราฟิน 50 phr, แคลเซียมคารบ์ อเนต 50 phr, Wax ทำ� ใหค้ วามหนดื ของพอลเิ มอรล์ ดลง [9], [16] เนอ่ื งจาก 25 phr, Resin 150 phr และ EVA 150 phr เน่อื ง Wax มขี นาดโมเลกลุ ทเี่ ลก็ กวา่ พอลเิ มอร์ ปรมิ าณ Wax การทดลองเบื้องต้นพบว่าแท่ง STR 20 ไม่สามารถ ที่เหมาะสมในสูตรกาว คือ 25 phr ถ้าใส่ในปริมาณ หลอมละลายได้ที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส แม้ มากกว่าน้ีท�ำให้สมบัติกาวไม่ดี ถ้าใช้น้อยกว่านี้ท�ำให้ ใช้เวลา 1 ช่ัวโมง และแท่ง STR 20 มีความหนืดสูง การหลอมตัวของกาวไม่ดี ประมาณ 80 MU ไมเ่ หมาะทจ่ี ะนำ� มาทำ� เปน็ กาวหลอม รอ้ น วธิ แี กป้ ญั หาโดยการเตมิ นำ้� มนั พาราฟนิ เพอื่ ใหย้ าง

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 151 นิ่มลง ผลของน�้ำมันต่อสมบัติของยาง น�้ำมันท�ำให้ Wax ใช้เพอ่ื ให้ยางละลาย ท�ำให้กาวมีความแข็ง ความหนืดลดลง โดยน้�ำมันละลายอยู่หรือปนอยู่ใน กาวหลอมได้ง่าย Wax ท�ำใหค้ วามหนดื ลดลงแต่สมบตั ิ โมเลกุลท�ำให้โมเลกุลยางเคลื่อนไหวได้ง่าย [11]-[13] ทไี่ ดไ้ ม่ดี จงึ เลอื กใช้ Wax ที่ 25 phr นอกจากนี้ Wax ถ้าใช้น้�ำมันพาราฟินน้อยกว่า 50 phr จะท�ำให้ยาง ยงั สามารถชว่ ยปอ้ งกนั การเสอ่ื มสภาพของยาง STR 20 ละลายไดช้ ้าที่อณุ หภมู ิ 160–170 องศาเซลเซียส หรือ จากโอโซนได้ [17], [18] ไมล่ ะลายเลย นำ้� มนั ทใี่ ชใ้ นการทดลองนก้ี ำ� หนดใหค้ งท่ี Resin ท�ำหน้าท่ีเป็นสารเพ่ิมความเหนียวติด ที่ 50 phr ถ้าใส่มากเกนิ ไปจะท�ำให้สมบตั ิกาวไมด่ ี ถ้า (Tackifier) ใช้เพ่ิมความเหนียวติดของกาว เพิ่มความ ใสใ่ นปรมิ าณนอ้ ยก็ทำ� ใหย้ างไม่สามารถละลาย แข็งแรงของกาว และท�ำให้กาวหลอมได้ง่ายยิ่งข้ึน แคลเซียมคาร์บอเนตใส่เพ่ือลดต้นทุนปริมาณที่ Resin ท�ำให้กาวที่ได้มีความหนืดลดลงและสมบัติ ใสล่ งไป 50 phr ถา้ ใส่ในปริมาณมากกว่าน้ที �ำให้สมบตั ิ การยึดตดิ ของกาวดีข้นึ จึงเลือกใช้ Resin ท่ี 150 phr การเหนียวติดไม่ดี นอกจากน้ี Resin อาจจะทำ� ใหย้ าง STR 20 กับ EVA EVA ท�ำให้กาวแข็งข้ึนและเพ่ิมความเหนียวติด เขา้ กันได้ดขี น้ึ เพราะว่าปิโตรเลียมเรซิน (Resin) มีสวน จากการทดลอง EVA ทเี่ หมาะสมอยใู่ นคอื 150 phr โดย ที่เป็นอลิฟาติกซ่ึงไม่มีขั้วสามารถเข้ากับยาง STR 20 ใหส้ มบตั คิ วามตา้ นแรงเฉอื นดแี ตค่ วามหนดื ยงั สงู จงึ ได้ ไดด้ ี และมสี ว่ นทเ่ี ปน็ อโรมาตกิ ทมี่ ขี ว้ั ซง่ึ สามารถเขา้ กบั ท�ำการปรับปรงุ โดยการใช้ Wax และ Resin EVA ไดด้ ี [4], [5] เมื่อน�ำกาวหลอมร้อนจากการทดลอง และ กาว ตารางท่ี 4 เปรียบเทียบสมบัติกาวหลอมร้อนจากยาง หลอมร้อนทางการค้ามาทดลองเปรียบเทียบสมบัติ ธรรมชาติ และกาวทางการคา้ แสดงดังตารางที่ 4 ซึ่งกาวทีเ่ ตรียมไดม้ คี วามต้านทาน แรงเฉอื น และความตา้ นทานการลอกหลดุ ต่ำ� กว่ากาว สูตรกาว ทางการค้าเล็กน้อย เนื่องมาจากยาง STR 20 เป็นยาง ที่ไม่มีขั้ว (Non-polar) ท�ำให้การยึดติดของยาง STR การทดสอบ การหลอมรอ้ น กาวหลอมรอ้ น 20 กบั ไมซ้ ง่ึ มขี วั้ ไมค่ อ่ ยดี แตก่ าวหลอมรอ้ นทางการคา้ จากยาง STR 20 ทางการค้า มีส่วนท่ีเป็น EVA เพียงอย่างเดียวซ่ึง EVA มีข้ัวสูง ลักษณะทั่วไป (Polar) เพราะมีหมูไ่ วนิลอะซเี ตต ท�ำใหส้ ามารถยดึ ติด พื้นผวิ เปน็ แท่งแข็ง เปน็ แท่งแขง็ กบั ไม้ซ่งึ มขี ้วั ได้ดี [14], [15] แตก่ ารมียาง STR 20 อาจ สี จะทำ� ใหก้ าวหลอมรอ้ นยดึ ตดิ กบั พลาสตกิ ทไี่ มม่ ขี วั้ ไดด้ ี กลนิ่ ผวิ เรยี บ ผิวเรยี บ เช่น พลาสติกพีพี และพลาสตกิ พีอเี ป็นต้น สภาพการ ราคากาวกาวหลอมร้อนท่ีขายในปัจจุบันราคา หลอมเหลว สีน้ำ� ตาลแก่ สีขาว ประมาณ 200 บาทตอ่ กโิ ลกรมั การคดิ ราคากาวหลอม รอ้ นจากยางธรรมชาติเบื้องตน้ แสดงดงั ตารางที่ 5 ความหนืด (cps) ไมม่ กี ล่ินรบกวน ไมม่ ีกล่นิ รบกวน ความตา้ นทานแรง เฉอื น (lbf/in2) หลอมเหลวได้ดีใน หลอมเหลวได้ดีใน ความต้านทานการ ชว่ งตง้ั แต่อุณหภูมิ ช่วงต้งั แต่อุณหภมู ิ ลอกหลุด (kN/m) 85 -110ºC 85 -110ºC 514 668 82.49 98.08 2.06 2.33

152 วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 ตารางที่ 5 ราคาของสารแตล่ ะชนิด กระบวนการผลิตกาวหลอมร้อนจากกยาง ธรรมชาติ ผสมยาง STR 20 กับน้�ำมันพาราฟินและ สว่ นประกอบ น�ำ้ หนัก ราคาต่อหน่วย ราคาแตล่ ะองค์ แคลเซียมคาร์บอเนตในเครื่องบดยางสองลูกกล้ิง (กก.) (บาท/กก.) ประกอบ หลังจากน้ันตัดยาง STR 20 ชิ้นเล็ก ๆ ให้อุณหภูมิ Wax ท่ี 160-170 องศาเซลเซยี ส คอ่ ย ๆ เตมิ ยางลงไป STR 20 100 60 6,000 จนยางละลายหมด เติม Resin และ เตมิ EVA ปล่อย ทงิ้ ไว้ใหเ้ ยน็ ท่ีอุณหภมู หิ อ้ ง ไดเ้ ปน็ กาว hot-melt จาก Oil 50 38 1,900 ยางธรรมชาติ CaCO3 50 18 900 5. กติ ตกิ รรมประกาศ Wax 25 20 500 ขอขอบคุณทุนสนับสนุนการวิจัยจากส�ำนักงาน Resin 150 35 5,250 กองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) EVA 150 70 10,500 6. เอกสารอ้างอิง รวม 525 - 25,050 [1] A. Pizzi and K. L. Mittal, Handbook of Adhesive Technology, Revised and จากตางรางจะเหน็ ไดว้ า่ ราคากาวหลอมรอ้ นจาก Expanded, Taylor & Francis, 2003. ยางธรรมชาติ ราคาประมาณ 25,050/525 = 48 บาท [2] Y. J. Park and H. J. Kim, “Hot-melt ตอ่ กโิ ลกรมั ตน้ ทนุ ผนั แปรอนื่ ๆในการผลติ กาวจากยาง adhesive properties of EVA/aromatic ธรรมชาติประมาณ 52 บาท ทำ� ใหต้ ้นทนุ รวม เทา่ กับ hydrocarbon resin blend,” Int. J. Adhes. 48+52 = 100 บาทตอ่ กโิ ลกรมั ถา้ คดิ ราคาขายกโิ ลกรมั Adhes., vol. 23, no. 5, pp. 383-392, 2003. ละ 150 บาท ดังนน้ั กำ� ไรกโิ ลกรัมละ 150–100 = 50 [3] Y. J. Park, H. S. Joo, H. J. Kim and Y. K. บาทต่อกิโลกรัม ไม่สามารถประเมินราคาต้นทุนของ , “Adhesion and rheological properties กาวทางการค้าได้เน่ืองจากไม่ทราบส่วนประกอบของ of EVA-based hot-melt adhesives,” Int. สูตรกาว J. Adhes. Adhes., vol. 26, no. 8, pp. 571- 576, 2006. 4. สรุป [4] H. H. Shih and G. R. Hamed, “Peel adhesion and viscoelasticity of poly ความต้านทานแรงเฉือนเพิ่มข้ึนตามปริมาณ (ethylene-co-vinyl acetate)-based hot ของ EVA และ Resin ความต้านทานแรงเฉือนลดลง melt adhesives. I. The effect of tackifier ตามปริมาณของ Wax ความต้านทานการลอกหลุด compatibility,” J. Appl. Polym. Sci., เพิ่มขึ้นตามปริมาณของ EVA และ Resin ความ vol. 63, no. 3, pp. 323-331, 1997. ต้านทานการลอกหลุดตามปริมาณของ Wax ความ [5] M. L. Barrueso-Martínez, T. P. Ferrándiz- หนดื เพม่ิ ขนึ้ ตามปรมิ าณของ EVA ความหนดื ลดลงตาม Gómez, C. M. Cepeda-Jiménez, J. ปริมาณของ Wax และ Resin Sepulcre-Guilabert and J. M. Martín- สูตรกาวหลอมร้อนจากยางธรรมชาติท่ีดี ประกอบด้วยยางแท่ง STR 20 100 phr, น�้ำมัน พาราฟนิ 50 phr, แคลเซยี มคารบ์ อเนต 50 phr, Wax 25 phr, Resin 150 phr และ EVA 150 phr

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 153 Martínez, “Influence of the vinyl acetate with polymeric soybean oil of different content and the tackifier nature on the molecular weights,” Rubber Chem. rheological, thermal, and adhesion Technol., vol. 90, no. 4, pp. 667-682, 2017. properties of EVA adhesives,” J. Adhes. [13] Z. S. Petrović, M. Ionescu, J. Milić and Sci. Technol., vol. 15, no. 2, pp. 243-263, J. R. Halladay, “Soybean oil plasticizers 2001. as replacement of petroleum oil in [6] B. T. Poh, P. G. Lee and S. C. Chuah, rubber,” Rubber Chem. Technol., vol. 86, “Adhesion property of epoxidized natural no. 2, pp. 233-249, 2013. rubber (ENR)-based adhesives containing [14] P. Jansen and B. G. Soares, “Effect of calcium carbonate,” Express Polym. Lett., compatibilizer and curing system on the vol. 2, no. 6, pp. 398-403, 2008. thermal degradation of natural rubber/ [7] B. T. Poh and Y. Y. Chang, “Viscosity and EVA copolymer blends,” Polym. peel strength of SMR 10-based pressure- Degradation Stab., vol. 52, no. 1, pp. sensitive adhesives,” Polym. Plast. 95-99, 1996. Technol. Eng., vol. 45, no. 11, pp. 1251- [15] A. Sasikala and A. Kala, “Thermal Stability 1256, 2006. and Mechanical Strength Analysis of [8] B. T. Poh and C. L. Chee, “Effect of EVA and Blend of EVA with Natural coumarone-indene resin on adhesion Rubber,” Materials Today: Proceedings, property of SMR 20-based pressure- vol. 5, no. 2, Part 3, pp. 8862-8867, 2018. sensitive adhesives,” International [16] H. H. Kim and S.-J. Lee, “Effect of crumb Journal of Polymeric Materials and rubber on viscosity of rubberized asphalt Polymeric Biomaterials, vol. 56, no. 3, binders containing wax additives,” Con. pp. 247-255, 2007. Build. Mat., vol. 95, pp. 65-73, 2015. [9] J. P. Kalish et al., “An analysis of the role [17] D S.-S. Choi, S.-H. Im, J.-H. Park and J. S. of wax in hot melt adhesives,” Int. J. Kim, “Analysis of wax solubility of rubber Adhes. Adhes., vol. 60, pp. 63-68, 2015. vulcanizates using wax solution in [10] L. L. Li and J. L. White, “Rheological toluene and molten wax,” Polym. Test., behavior of highly filled epdm compounds vol. 28, no. 7, pp. 696-701, 2009. with calcium carbonate, carbon black, [18] A. Dorigato, M. V. Ciampolillo, A. Cataldi, silica and zinc oxide,” Rubber Chem. M. Bersani and A. Pegoretti, “Polyethylene Technol., vol. 69, no. 4, pp. 628-636, 1996. wax/epdm blends as shape-stabilized [11] R. F. Grossman, The Mixing of Rubber, phase change materials for thermal Springer Netherlands, 2012. energy storage,” Rubber Chem. Technol., [12] Z. S. Petrović, J. Milić, M. Ionescu and vol. 90, no. 3, pp. 575-584, 2017. J. R. Halladay, “EPDM rubber plasticized

154 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ Effect of Pre-treatment on Quality of Cassava Chips Prawta Chantaro1* Parisut Chalermchaiwat2 and Thepkunya Harnsilawat3 1 Food Science and Technology Program, Faculty of Science and Technology, Surat Thani Rajabhat University 2 Food and Nutrition Program, Department of Home Economics, Faculty of Agriculture Kasetsart University 3 Department of Product Development, Faculty of Agro-Industry, Kasetsart University 1 272 Surat-Nasan Rd., Muang, Surat Thani, Thailand 84100 2, 3 50 Ngam Wong Wan Rd., Chatuchak, Bangkok, Thailand 10900 Received 20 November 2019; Revised 6 May 2020; Accepted 13 May 2020 Abstract This research was to look at cassava root as an alternative raw material for snack chip production. However, cassava chips showed higher hardness compared to potato chips. The aim was to study the effect of pre-treatment on the physical, chemical and sensorial characteristics of cassava chips. Fresh cassava slices (1 mm thickness) were soaked in sodium bicarbonate (NaHCO3) solution at different concentrations (un-soaked, 0, 1 and 2% w/w) for 5 min. Then, cassava slices were fried in palm oil at 160ºC for 4 min and were seasoned with paprika powder before being baked at 180ºC for 10 min. The chemical, physical and sensorial qualities were investigated. The results revealed that the bulk density of cassava chips decreased significantly from 0.496 to 0.401 g/cm3 when fresh cassava slices were soaked in 2% NaHCO3. The breaking force of cassava chips also decreased from 558.97 to 231.50 g whereas fat content increased from 22.85 to 30.69% when soaked in 2% NaHCO3. Increasing the concentration of NaHCO3 decreased the lightness (L*) of cassava chips. Pre-treatment did not have a significant effect on the sensory scores of cassava chips. Keywords : Cassava Chips; Pre-treatment; Frying; Quality * Corresponding Author. Tel.: +667 791 3333 ext. 1260, E-mail Address: [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 155 1. Introduction higher hardness value when compared Thailand’s snack market was 36 with potato chips. Therefore, the objective billion baht in 2018 and its growing rate was to study the effect of pre-treatment within the snack market was 6% [1]. on the qualities of cassava chips. The The five main segments of snacks in pre-treatment methods consisted of Thailand include extruded snacks (35%), soaking in water and sodium bicarbonate potato chips (30%), prawn crackers (NaHCO3) solutions. NaHCO3 increased (10%), dry peas and nuts (10%) and the volume expansion of extruded black others (15%). Potato chips were the beans [8] and enhanced the texture, fastest growing segment of all [1], [2]. density and expansion ratio of puffed Mazurek et al. [3] also reported that the corn-fish snack [9]. There were a few most popular chip products were potato prior studies on the effects of processing chips. cassava chips [10], [11], and there were Cassava (Manihot esculenta) is the several previous research studies which third largest source of food carbohydrates looked at the effects of processing potato for humans [4] and it is one of Thailand’s chips [12] – [17], banana [18], carrot [19] most important economic crops. Thailand and cereal products [20]. was the world’s largest cassava exporter with a production of 33 million tons in 2. Materials and Methods 2016, which is 67% of the global market 2.1 Materials [5]. Cassava roots are very rich in starch Fresh cassava roots, palm oil and contain small amounts of calcium, (Morakot, Thailand) and seasoning phosphorus and vitamin C [6]. In 2017, powder (i-chef, Thailand) were purchased Thailand produced 107,103 tons of from a local market in Surat Thani fresh potatoes whereas demand for fresh Province, Thailand. Fresh cassava roots potato as a raw material for producing were kept at 4°C prior to processing. potato-based products was about 150,000 tons [7]. As a result, Thailand has been 2.2 Pre-treatments for Producing imported potatoes from China, Canada Cassava Chips and Germany for use in its food industry. Cassava roots were peeled and Moreover, the price per kilogram then washed with tap water. Further, of cassava root is much cheaper than cassava roots were sliced to a thickness potatoes; namely about 10 times cheaper. of 1 mm. These slices were soaked in The aim of this research was to look at sodium bicarbonate (NaHCO3) solution cassava root as an alternative raw material at various concentrations (0, 1 and 2% for the production of snack chips. w/w) for 5 min. The ratio of cassava to However, the cassava chips showed a NaHCO3 solution was 1:3. The excess

156 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 water was wiped away with a clean cloth. and kept in a plastic bag until their quality The pre-treatment cassava slices were analysis. The detailed protocol employed fried in palm oil at 160°C for 4 min with for producing cassava chips is shown in the cassava to palm ratio being 1:10. Fig. 1. Then, cassava chips were seasoned with paprika powder (the ratio of cassava 2.3 Chemical Analysis chips to paprika powder was 100:2) and Moisture content: The moisture baked at 180°C for 10 min in an oven. content of cassava chips was measured Finally, the cassava chips were cooled following the method of AOAC [21]. Briefly, ground samples (3 g) were dried to a constant weight in a hot air oven (Redline, Binder, German) at 105°C. The moisture content was calculated from the weight difference between the original and dried samples. Fat content: The total fat content of the cassava chips was extracted with petroleum ether for 4 h in a Soxtec auto extraction unit (2050 Soxtec Tecator, Denmark) and gravimetrically determined. Fig. 1 Flow chart indicating the 2.4 Physical Analysis protocol involved in producing Bulk density: The bulk density of the cassava chips was calculated by cassava chips dividing the weight (g) by the volume of the samples (cm3). Water activity (aw): Ground samples were placed in a cup and water activity (aw) was measured by using a water activity meter (CH-8303, Rotronic, Switzerland). Color measurement: The color of the samples was measured in the L*, a* and b* mode of CIE (angle 10°, illuminant D65) by using a color meter (CR-400, Konica Minolta, Japan).

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 157 Texture measurement: A texture moisture content and water activity (aw) analyzer (CT3, Brookfield, Germany) of cassava chips are shown in Table 1. was used to determine the breaking force Fresh cassava slices were soaked in of cassava chips. The samples were sodium bicarbonate (NaHCO3) solution at placed on a modified TA-TPB fixture various concentrations (0, 1 and 2% w/w) and a knife edge (60 mm width) probe, for 5 min. The pre-treatment cassava moving at a speed of 0.5 mm/s over a slices were fried in palm oil at 160°C for distance of 10 mm, was used to break the 4 min and baked at 180°C for 10 min. cassava chips. The breaking force was The concentration of NaHCO3 solution expressed in grams-force. used did not exceed 2% because it would have affected the taste of the cassava 2.5 Sensory Analysis chips. The results revealed that moisture The 9-point hedonic scale was content in cassava chips are significantly used to evaluate the acceptability of the different (p<0.05) with soaking fresh cassava chips. Fifty untrained panelists cassava slices in 2% NaHCO3 solution. made up of students at Surat Thani The moisture content of cassava chips Rajabhat University were asked to rate ranged from 0.96 – 1.42%. their liking of quality attributes including The total fat contents of cassava appearance, flavor, crispness, taste and chips as affected by the pre-treatment overall liking of each sample (1 = dislike method are shown in Table 1. The results extremely, 5 = neither dislike nor like and showed that soaking fresh cassava slices 9 = like extremely). in a higher concentration of NaHCO3 resulted in higher fat content. The total 2.6 Statistical Analysis fat content in cassava chips increased The experiments were conducted in from 22.85% to 30.69% (Wet Basis) triplicate. The results were reported as when increasing the concentration of mean values with standard deviations. NaHCO3 to 2%. Normally, the mean Analysis of variance (ANOVA) and oil contents of potato chips and tortilla Duncan’s New Multiple’s Range chips are 37.5 and 23.4 g/100 g sample, Test (DMRT) were used to determine respectively [22]. Mazurek et al. [3] statistically significant differences of also reported that commercial chips treatment parameters (p < 0.05) using the with a fat level reaching 30 – 40% SPSS V.21 statistical software package. dominate the market. The key factors affecting oil absorption in fried products 3. Results and Discussion include the frying process, product 3.1 Chemical Qualities characteristics and oil quality [23]. The effect of pre-treatment on Soaking cassava slices in water and

158 วารสารวชิ าการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 NaHCO3 solution prior to frying increases Table 1 Effect of pre-treatment method fat content in cassava chips due to on moisture content and fat surface wetting [24]. Higher initial content of cassava chips moisture content leads to an increase in oil uptake in cassava chips, similar Pre-treatment Moisture Fat content to that found in tortilla chips [25]. Oil content (%) (%) replaces the water that has evaporated during the frying process. The water- Control 1.09 ± 0.13b 22.85 ± 0.93d replacement mechanism is described as follows. When the food is exposed to Water 1.01 ± 0.08b 24.32 ± 0.97c frying temperatures, water evaporates rapidly, the outer surface becomes dry 1% NaHCO3 0.96 ± 0.04b 28.59 ± 1.50b and crust forms. Moisture within the 2% NaHCO3 1.42 ± 0.11a 30.69 ± 1.24a fried product is converted to steam, creating a positive pressure gradient. Different letters in the same column indicate that The steam escapes through cracks, defects, open capillaries and channels in values are significantly different from one another both the cellular structure and membranes. As the process progresses, oil adheres (p<0.05) to the food, entering the large voids, product imperfections and crevices left 3.2 Physical Qualities by the changes in structure due to frying Water activity (aw) in cassava chips and water evaporation [23]. In addition, was not significantly different among product porosity plays a significant role different the various pre-treatment in the oil uptake of fried products. methods, and instead corresponded NaHCO3 plays a role in leavening agents largely to moisture content. The aw of increasing oil uptake of fried products cassava chips is in the range of 0.126 - due to the formation of gas cells that fill 0.142 (Table 2). with oil during frying [26]. Then, the Bulk density and hardness of increase of NaHCO3 concentration cassava chips as affected by pre-treatment causes an increase in fat content of are shown in Table 2. Bulk density of cassava chips. Generally, three cassava chips was calculated by dividing mechanisms have been proposed to the weight by the volume of cassava explain the complex process of oil uptake chips. Soaking fresh cassava slices in during deep-fat frying. These include water and NaHCO3 solution prior to water replacement, cooling-phase effect frying caused a decrease of bulk density and surface-active agents [23]. in cassava chips. The results revealed that the volume of cassava chips increased due to the formation of internal air bubbles. The formation of gas cells in cassava chips was derived from the combination of water pressure and the leavening agent properties of NaHCO3 during the frying process. However, increasing NaHCO3

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 159 concentration from 1 to 2% did not NaHCO3. Water and NaHCO3 influenced affect the bulk density of cassava chips the hardness of cassava chips due to the (0.401-0.402 g/cm3) because frying oil formation of air bubbles in cassava chips was free to move in to the gas cells of during frying relating to decrease in bulk cassava chips during frying. Regardless, density of cassava chips. The air cells both the volume and weight of chips rose corresponded to brittleness in cassava simultaneously. chips, with more air cells leading to easier The hardness of cassava chips was fracturing. evaluated and expressed in breaking Color (L*, a* and b*) of cassava force as it relates to the crispness of chips as affected by the pre-treatment cassava chips. The hardness of cassava method is shown in Table 3. The pre- chips without pre-treatment was 558.57 g. treatment method significantly affected Soaking fresh cassava slices in water and the lightness (L*) and redness (a*) of NaHCO3 prior to frying yielded a lower cassava chips. Soaking fresh cassava hardness value. The hardness of cassava slices in water prior to frying resulted in chips decreased from 558.57 to 231.50 g a significant increase in the L* value of when soaking fresh cassava slices in 2% Table 2 Effect of pre-treatment method on water activity, bulk density and breaking force of cassava chips Pre-treatment Water activity (aw) Bulk density (g/cm3) Hardness (g) Control 0.132 ± 0.010a 0.496 ± 0.08a 558.57 ± 86.42a Water 0.399 ± 0.05b 298.87 ± 63.56b 0.131 ± 0.020a 1% NaHCO3 0.126 ± 0.033a 0.402 ± 0.07b 239.80 ± 54.71b 2% NaHCO3 0.142 ± 0.017a 0.401 ± 0.04b 231.50 ± 36.55b Different letters in the same column indicate that values are significantly different from one another (p<0.05) Table 3 Effect of pre-treatment method on color (L*, a* and b*) of cassava chips Pre-treatment L* a* b* Control 53.79 ± 0.60c 2.73 ± 0.43a 23.17 ± 1.67a Water 59.19 ± 1.11a 1.69 ± 0.42bc 21.23 ± 1.25a 1% NaHCO3 57.27 ± 2.20b 1.82 ± 0.42b 21.70 ± 1.51a 2% NaHCO3 54.14 ± 2.11c 1.44 ± 0.18c 22.82 ± 3.03a Different letters in the same column indicate that values are significantly different from one another (p<0.05)

160 วารสารวชิ าการและวิจัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 cassava chips whereas the a* value (appearance, crispness, flavor, taste and decreased significantly (p<0.05). The overall liking) for cassava chips showed greenness (b*) of the cassava chips was no significantly differences (p≥0.05) not affected by pre-treatment (p≥0.05). among treatment. The liking score of Soaking in water increased the lightness cassava chips in appearance, crispness, of cassava chips due to a reduction of the flavor, taste and overall liking are in the non-enzymatic browning reaction of ranges of 7.07 - 7.47, 7.07 - 7.97, 7.03 - fried products in which sugar is leached 7.43, 7.00 - 7.87 and 7.47 - 7.93, out and plays an important role in color respectively. The sensory scores of all formation during frying [27]. Santis et al. attributes ranged from 7.00 - 8.00, [28] have found that blanching, and both indicating that panelists liked cassava water and NaCl soaking all produce paler chips moderately to very much. In this potato chips. Many additional factors experiment, NaHCO3 could be used at a might affect the color of the fried products concentration no higher than 2% to such as frying time, oil temperature, pre-treat fresh cassava slices because oil type, pre-treatment method, storage it affected the taste of cassava chips. conditions, and the variety and maturity Although, using NaHCO3 solution could of the raw materials [28]. An increase reduce the hardness of cassava chips, the in lightness is related to a decrease of sensory quality of chips with and without redness in cassava chips. pre-treatment didn’t change significantly. However, the increase in the Pearson’s correlation coefficients (r) concentration of NaHCO3 used to soak were analyzed to quantify the relationship fresh cassava slices prior frying led to a between pre-treatment method and decrease in the L* value of cassava chips liking score in cassava chips (Table 5). (Table 4) indicating increased darkness Pre-treatment method revealed significant of the chips negative correlations with liking score of crispness and taste. The liking scores 3.3 Sensory Qualities of all attributes (appearance, crispness, The effect of the method of flavor and taste) were significantly pre-treatment on panelists’ sensory positive correlations with overall liking scores for cassava chips are shown in scores. Table 4. The liking scores of all attributes

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 161 Table 4 Effect of pre-treatment method on liking scores in cassava chips Pre-treatment Appearance ns Crispness ns Flavor ns Taste ns Overall liking ns Control 7.07 ± 1.51 7.97 ± 1.03 7.43 ± 1.41a 7.87 ± 1.10a 7.93 ± 1.11a Water 7.07 ± 1.31 7.57 ± 1.22 7.30 ± 1.11a 7.50 ± 1.33a 7.63 ± 1.18a 1% NaHCO3 7.47 ± 1.20 7.07 ± 1.64 7.03 ± 1.35a 7.00 ± 1.55a 7.50 ± 1.22a 2% NaHCO3 7.47 ± 1.20 7.37 ± 1.47 7.14 ± 1.33a 7.03 ± 1.47a 7.47 ± 1.31a ns indicate that values in the same column are not significantly different (p≥0.05) Table 5 Pearson’s correlation coefficients between pre-treatment method and liking scores in cassava chips Attributes Pre-treatment Appearance Flavor Crispness Taste Appearance 0.137 Flavor -0.101 0.625* 0.543* 0.666* 0.833* Crispness -0.187* 0.391* 0.566* 0.691* Taste -0.240* 0.452* 0.747* Overall liking -0.142 0.631* * p<0.05 (two-tailed) 4. Conclusion 6. References The pre-treatment had a significant [1] The Nelson Company. (2018, May). effect on the qualities of cassava chips. Snack Market. [Online]. Available: Soaking cassava slices in water and http:// www.brandage.com/article/ sodium bicarbonate solution prior to 6943/ frying increased moisture and fat [2] Berli Jucker Public Company content in cassava chips. The bulk Limited. (2013, July). Progressive density and hardness of cassava chips Report. [Online]. Available: http:// decreased with pre-treatment. However, www.slide share.net/purithem/ pre-treatment did not change significantly bjc-ppt on sensory quality of the cassava chips. [3] S. Mazurek, R. Szostak and A. Kita, “Application of infrared reflection 5. Acknowledgement and Raman spectroscopy for The authors wish to express their quantitative determination of fat in gratitude to Surat Thani Rajabhat potato chips,” Journal of Molecular University for the research grant used in Structure, vol. 1126, pp. 213-218, this study. 2016.

162 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 [4] C. Fauquet and D. Fargette, chips of cassava (Manihot esculenta “African cassava mosaic virus: Crantz): Rice (Oryza sativa L.) etiology, epidemiology, and mix.,” Procedia Food Science, control,” Plant Disease, vol. 74, vol. 3, pp. 82-95, 2015. pp. 404-411, 1990. [11] P. Garcia-Segovia, A.M. Urbano- [5] Thailand board of investment, Ramos, S. Fiszman and J. Martinez- “Leading the world in cassava Monzo, “Effect of processing production,” Thailand Investment conditions on the quality of vacuum Review, vol. 27, no. 9, pp. 3-4, 2017. fried cassava chips (Manihot [6] United States Department of esculenta Crantz),” LWT-Food Agriculture (USDA), Agricultural Science and Technology, vol. 69, Research Service. (2016, May). pp. 515-521, 2016. National Nutrient Database for [12] A. Kita, G. Lisinska and G. Standard Reference Release 28. Gołubowska, “The effects of oils [Online]. Available: http://ndb.nal. and frying temperatures on the usda.gov/ndb/ foods/show/2907 texture and fat content of potato [7] Brand Buffet. (2018). Lays-chips- crisps,” Food Chemistry, vol. 102, sustainability. [Online]. Available: pp. 1-5, 2007. http://www.brandbuffet.in.th/2018/ [13] F. Pedreschi, S. Mariotti, K. Granby 12/lays-chips-sustainability/ and J. Risum, “Acrylamide [8] J.D.J. Berrios, D. Wood, L.C. reduction in potato chips by using Whitehand and J. Pan, “Sodium commercial asparaginase in bicarbonate and the microstructure, combination with conventional expansion and color of extruded blanching,” LWT-Food Science and black beans,” Journal of Food Technology, vol. 44, pp. 1473-1476, Processing and Preservation, vol. 2011. 28, pp. 321-335, 2004. [14] X. Hua, K. Wang, R. Yang, J. Kang [9] H.R. Shahmohammadi, J. Bakar, and H. Yang, “Edible coatings from R.A. Rahman and N.M. Adzhan, sunflower head pectin to reduce “Studying the effects of nucleating lipid uptake in fried potato chips,” agents on texture modification of LWT-Food Science and Technology, puffed corn-fish snack,” Journal of vol. 62, pp. 1220-1225, 2015. Food Science, vol. 79, pp. 178-183, [15] Y. Su, W. Zhang, B. Adhikari and Z. 2014. Yang, “Application of novel [10] A.B. Ahza, T.I. Fidiena and S. microwave-assisted vacuum frying Suryatman, “Physical, sensorial and to reduce the oil uptake and improve chemical characteristics of simulated the quality of potato chips,” LWT-

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 163 Food Science and Technology, vol. [21] AOAC, Official Methods of Analysis 73, pp. 490-497, 2016. of Association of Official Analytical [16] L. Yu, J. Li, S. Ding, F. Hang Chemists, 18th ed. Washington, DC: and L. Fan, “Effect of guar gum TheAssociation of official analytical with glycerol coating on the chemist, 2010. properties and oil absorption of fried [22] K.H. Wagner and I. Elmadfa, potato chips,” Food Hydrocolloids, “Chemical and Biological vol. 54, pp. 211-219, 2016. Modulations of Frying Fats – Impact [17] F. Bouaziz, M. Koubaa, M. Neifar, on Fried Food,” in Frying of Food, S. Zouari-Ellouzi, S. Besbes, F. D. Boskou and I. Elmadfa, Ed. Boca Chaari, A. Kamoun, M. Chaabouni, Raton: CRC Press, 2011, pp. 251- S.E. Chaabouni and R.E. Ghorbel, 264. “Feasibility of using almond gum as [23] D. Dana and S. Saguy, “Review: coating agent to improve the quality Mechanism of oil uptake during of fried potato chips: Evaluation of deep-fat frying and the surfactant sensorial properties,” LWT-Food effect-theory and myth,” Advance Science and Technology, vol. 65, Colloid Interface Science, vol. 128, pp. 800-807, 2016. pp. 267-272, 2006. [18] R. Sothornvit, “Edible coating and [24] F. Pedreschi, P. Moyano, K. Kaack post-frying centrifuge step effect on and K. Granby, “Color changes and quality of vacuum fried banana acrylamide formation in fried chips,” Journal of Food Engineering, potato slices,” Food Research vol. 107, pp. 319-325, 2011. International, vol. 38, pp. 1-9, 2005. [19] N. Akdeniz, S. Sahin and G. Sumnu, [25] R.G. Morcira, X. Sun and Y. Chen, “Functionality of batters containing “Factors affecting oil uptake in different gums for deep-fat frying tortilla chips in deep-fat frying,” of carrot slices,” Journal of Food Journal of Food Engineering, vol. Engineering, vol. 75, pp. 522-526, 31, pp. 485-498, 1997. 2006. [26] E. Llorca, I. Hernando, I. Perez- [20] S . A l b e r t a n d G . S . M i t t a l , Munuera, S.M. Fiszman and M.A. “Comparative evaluation of edible Lluch, “Effect of frying on the coatings to reduce fat uptake in microstructure of frozen batter a deep-fried cereal product,” Food coated squid rings,” European Food Research International, vol. 35, Research and Technology, vol. 213, pp. 445-458, 2002. pp. 448-455, 2001.

164 วารสารวิชาการและวิจยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 [27] F. Pedreschi, P. Moyano, K. Kaack [28] N. Santis, F. Mendoza, P. Moyano, and K. Granby, “Color changes and F. Pedreschi and P. Dejmek, acrylamide formation in fried potato “Soaking in a NaCl solution produce slices,” Food Research International, paler potato chips,” LWT-Food vol. 38, pp. 1-9, 2005. Science and Technology, vol. 40, pp. 307-312, 2007.

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 165 http://journal.rmutp.ac.th/ การจำ� ลองพฤตกิ รรมการเผาไหม้ของเตาประหยัดแก๊ส S-10 ด้วยวิธพี ลศาสตร์ของไหลเชิงค�ำนวณ ภทั ราวรรณ ชมิ ชม1 อนิรุตต์ มัทธจุ ักร1์ * มานะ วิชางาม1 ธนรฐั ศรีวรี ะกุล1 และ เสฏฐวรรธ สจุ รติ ภวัตสกลุ 2 1 คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยอบุ ลราชธานี 2 ศนู ย์เทคโนโลยโี ลหะและวสั ดุแห่งชาติ ส�ำนกั งานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยแี ห่งชาติ (MTEC) 1 85 ถนนโชคชัย-เดชอุดม ต�ำบลเมืองศรไี ค อำ� เภอวารินช�ำราบ จงั หวัดอุบลราชธานี 34190 2 114 อทุ ยานวทิ ยาศาสตรป์ ระเทศไทย ถนนพหลโยธนิ ตำ� บลคลองหนงึ่ อำ� เภอคลองหลวง จงั หวดั ปทมุ ธานี 12120 รบั บทความ 8 กรกฎาคม 2562 แกไ้ ขบทความ 8 พฤษภาคม 2563 ตอบรับบทความ 13 พฤษภาคม 2563 บทคัดยอ่ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้ของเตาประหยัดแก๊ส S-10 ด้วยวิธีพลศาสตร์ ของไหลเชงิ คำ� นวณ (Computational Fluid Dynamics, CFD) ในการสรา้ งแบบจำ� ลองใชโ้ ปรแกรมสำ� เรจ็ รปู Fluent 6.3 เพ่ือสร้างแบบจำ� ลอง 3 มติ ิ (3D Model) ท่ีมีขนาดเท่ากบั เตาจริง โดยทำ� การศกึ ษาพฤติกรรมการเผาไหมข้ อง เตาที่ความดนั แก๊สแอลพีจเี ทา่ กบั 4 ปอนด์ตอ่ ตารางนว้ิ ซ่ึงพฤติกรรมการเผาไหม้ท่ีเกดิ ขนึ้ จะถกู แสดงผลในรปู ของ เวกเตอรค์ วามเรว็ และแถบสอี ณุ หภมู ิ การจำ� ลองจะถกู ยนื ยนั ผลกบั การทดลองดว้ ยการวดั ความเรว็ ของของไหลและ อณุ หภมู กิ ารเผาไหมร้ อบภาชนะ จากการศกึ ษา พบวา่ ความเรว็ ของของไหลและการกระจายตวั ของอณุ หภมู กิ ารเผา ไหม้ท่ตี �ำแหน่งต่าง ๆ ของเตา ทีไ่ ดจ้ ากแบบจำ� ลองและการทดลองมคี ่าความสอดคล้องกนั โดยมีความคลาดเคลอ่ื น ไมเ่ กนิ รอ้ ยละ 10.35 และ 11.87 เมอื่ เทยี บผลความเรว็ และอณุ หภมู กิ บั การทดลองตามลำ� ดบั แบบจำ� ลองทสี่ รา้ งขนึ้ สามารถอธิบายพฤติกรรมการไหลและการเผาไหม้ของเตาประหยัดแก๊ส S-10 ได้อย่างชัดเจน นอกจากน้ีจากผล การจำ� ลองจะแสดงใหเ้ หน็ วา่ สามารถใชแ้ บบจำ� ลองดงั กลา่ วนไ้ี ปประยกุ ตใ์ ชเ้ พอ่ื ออกแบบและปรบั ปรงุ ประสทิ ธภิ าพ เชิงความรอ้ นของเตาประหยัดแก๊ส S-10 ใหส้ งู ขน้ึ ตอ่ ไปได้ในอนาคต คำ� ส�ำคญั : พฤติกรรมการเผาไหม้; เตาประหยัดแก๊ส S-10; พลศาสตรข์ องไหลเชงิ คำ� นวณ * ผู้นพิ นธ์ประสานงาน โทร: +66 4535 3309, ไปรษณยี ์อิเลก็ ทรอนิกส์: [email protected]

166 วารสารวิชาการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ Simulation on Combustion Behavior of Gas-saving Burner S-10 by Computational Fluid Dynamics Phattharawan Chimchom1 Anirut Matthujak1* Mana Wichangarm1 Thanarath Sriveerakul1 and Sedthawatt Sucharitpwatskul2 1 Faculty of Engineering, Ubon Ratchathani University 2 National Metal and Materials Technology Center, National Science and Technology Development Agency 1 85 Chokchai-Det Udom Rd., Mueang Si Khai Sub-district, Warin Chamrap District, Ubon Ratchathani 34190 2 114 Thailand Science Park, Phahonyothin Road, Khlong Nueng, Khlong Luang, Pathum Thani 12120 Received 8 July 2019; Revised 8 May 2020; Accepted 13 May 2020 Abstract The objective of this research is to study the combustion behavior of a gas-saving burner S-10 using computational fluid dynamics (CFD). The simulation model was created using Fluent 6.3 in 3D-model of the same size of the burner. LPG pressure of 4 psi was released for this study. The combustion behavior was shown in temperature contour and velocity vector. The CFD results were verified by measuring the temperature around the burner head with a vessel. From the study, it was found that the CFD’s results of flow velocity and combustion temperature distributions were validated with the experimental values. The CFD’s result errors were less than 10.35% and 11.87%, comparing with the velocity and temperature measurement, respectively. The fluid flow and combustion behaviors can be described by this CFD model. Moreover, the CFD model of the gas-saving burner S-10 can be applied to improve the thermal efficiency of the burner in the future. Keywords : Combustion Behavior; Gas-saving Burner S-10; CFD * Corresponding Author. Tel.: +66 4535 3309, E-mail Address: [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 167 1. บทนำ� โดยในปี ค.ศ. 1989 A. Tamir et al. [4] ได้ ท�ำการศึกษาประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเตาหุงต้ม จากสถานการณใ์ นปจั จบุ นั ทวั่ โลกประสบปญั หา ที่ใช้แก๊สธรรมชาติเป็นเช้ือเพลิง โดยการปรับปรุงจาก วิกฤตการณ์ด้านพลังงาน เน่ืองจากพลังงานท่ีใช้มี หัวเตาแก๊สแบบท่ัวไป (Conventional Burner, CB) ปริมาณลดลงและราคาพลังงานยังมีมูลค่าเพ่ิมสูงข้ึน ให้เปน็ หวั เตาแก๊สแบบหมนุ วน (Swirl Burner, SB) ซ่งึ ดังน้ันจึงมีความจ�ำเป็นอย่างยิ่งในการใช้พลังงานให้ พบว่า เตา SB ท่ีให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุด เกิดประสิทธิภาพสูงที่สุด จากสถิติการใช้พลังงานของ จะมลี กั ษณะเฉพาะคอื มมี มุ เงย (Inclination Angle, กระทรวงพลังงาน [1] พบว่า ประเทศไทยมีการใช้ β) เท่ากบั 26 องศา และมุมเอียง (Swirl Angle, α) เช้ือเพลิงปโิ ตรเลยี มเหลวหรือแกส๊ แอลพีจี (Liquefied เท่ากับ 15 องศา โดยประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นของ Petroleum Gas, LPG) อยา่ งกวา้ งขวาง ซงึ่ แกส๊ แอล เตา SB เพมิ่ ขน้ึ รอ้ ยละ 6 ซงึ่ เปน็ ผลจากการหมนุ วนของ พีจเี ปน็ ส่วนผสมของโพรเพน (Propane) และบิวเทน เปลวไฟ โดยแรงเฉือนจะส่งเสริมปัจจยั บวกตา่ ง ๆ คอื (Butane) หรือเป็นอย่างใดอย่างหน่ึง เนื่องจากแก๊ส ระยะเวลาในการผสมของเชอ้ื เพลงิ และอากาศ เวลาใน แอลพจี มี คี า่ ความรอ้ นสงู เปน็ เชอ้ื เพลงิ สะอาด เผาไหม้ การสมั ผสั ของเปลวไฟกบั ภาชนะ และการดงึ ดดู อากาศ ได้สมบูรณ์และสะดวกต่อการใช้งาน จึงเป็นที่นิยม ส่วนทส่ี อง (Secondary Air) เพม่ิ ขึ้น ใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในครัวเรือน ร้านอาหาร ค.ศ. 1996 S. Jugjai et al. [5] ได้ท�ำการศกึ ษา อุตสาหกรรม รถยนต์ และอ่ืน ๆ โดยภาคครัวเรือน ปจั จยั ทมี่ ีผลตอ่ ประสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ้ นใน Porous จะเป็นภาคส่วนท่ีมีปริมาณการใช้แก๊สแอลพีจีสูงเป็น Radiant Recirculated Burner (PRRB) มวี ตั ถปุ ระสงค์ อันดับหน่ึงหรือสองของทุก ๆ ปี ซ่ึงจะถูกน�ำไปใช้ใน เพอ่ื ปรบั ปรงุ เตาแกส๊ หงุ ตม้ ในครวั เรอื นใหม้ ปี ระสทิ ธภิ าพ เตาแก๊สหุงต้มเพื่อเปล่ียนค่าความร้อนของเช้ือเพลิง เชิงความร้อนเพ่ิมข้ึน โดยการท�ำให้มีการหมุนเวียน ให้กลายเป็นพลังงานความร้อนในรูปแบบของเปลวไฟ ของพลงั งานความรอ้ นจากไอเสยี ทเี่ กดิ จากการเผาไหม้ แตเ่ นอื่ งจากลกั ษณะของเปลวไฟของเตาแกส๊ หงุ ตม้ ทใ่ี ช้ น�ำกลับมาอุ่นอากาศก่อนที่จะเข้าไปผสมกับเชื้อเพลิง เปน็ แบบพงุ่ ชน (Impinging Flame Jet) ซงึ่ จะใหอ้ ตั รา ภายในห้องเผาไหม้ (Preheat) จากการทดลอง พบว่า การถ่ายเทความร้อนท่ีสูง และต้องใช้ปริมาณแก๊ส การอุ่นอากาศปฐมภมู ิ (Primary Air) ท�ำให้เตา PRRB แอลพีจคี ่อนขา้ งมาก [2] แต่ด้วยลักษณะของเปลวไฟ มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่าการอุ่นอากาศ ทใี่ หค้ วามรอ้ นแกภ่ าชนะเปน็ ลกั ษณะเปดิ สบู่ รรยากาศ ทุติยภูมิ (Secondary Air) ส่งผลให้เตาแก๊สแบบ จึงท�ำให้เกิดการสูญเสียความร้อนเป็นจ�ำนวนมาก PRRB มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่าเตาแก๊สท่ี ท�ำให้ไม่สามารถน�ำความร้อนมาใช้ประโยชน์ได้อย่าง ใช้กันท่วั ไป เต็มประสิทธิภาพ อีกทั้งยังมีการสูญเสียความร้อน ค.ศ. 2007 U. Makmool et al. [6] ศึกษา เป็นจ�ำนวนมากไปกับแก๊สไอเสียโดยการพาความร้อน เตาแก๊สหุงต้มในครัวเรือนชนิดแรงดันต�่ำท่ีใช้ใน (Convection) และสูญเสียพลังงานความร้อนของ ประเทศไทยตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม เปลวไฟจากการแผร่ งั สคี วามรอ้ น (Radiation) อกี ดว้ ย มอก. 2312-2549 เป็นเตาแรงดันต่�ำมีปริมาณการใช้ ทำ� ใหเ้ ตาแกส๊ หงุ ตม้ ทใี่ ชก้ นั อยใู่ นปจั จบุ นั มปี ระสทิ ธภิ าพ แก๊สสูงสุดของแต่ละหัวเตาไม่เกิน 0.42 กิโลกรัมต่อ ตเช�่ำิงเคฉวลา่ยี มรร้ออ้ ยนละ(T3h5er[m3]alดEังนffiัน้ cทieีผ่ nา่ cนyม, าhจthงึ )มทกี ่คีาร่อศนกึ ขษา้ าง ชั่วโมง (kg/hr) หรือ 5.78 กโิ ลวัตต์ (kW) โดยทำ� การ วิจัยเก่ียวกับการเพ่ิมประสิทธิภาพเชิงความร้อนของ ศกึ ษาดว้ ยวธิ ี Particle Image Velocimetry (PIV) เพอ่ื เตาแกส๊ หงุ ต้มในครัวเรือนอย่างแพรห่ ลาย ประเมินประสิทธิภาพเชิงความร้อนและวัดการปล่อย

168 วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 แก๊ส CO พบวา่ รปู แบบการจัดวางอปุ กรณ์ การไหล อย่างไรก็ตามจากการศึกษาท่ีผ่านมา พบว่า ของเปลวไฟเหมือนกันและปล่อยแก๊ส CO ในอัตรา การพัฒนาประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเตาแก๊ส ใกลเ้ คียงกัน (80–120 ส่วนในล้านสว่ น (ppm)) แต่จะ สว่ นใหญจ่ ะเปน็ การศกึ ษาในดา้ นการทดลอง ถงึ แม้วา่ ตา่ งกันท่ีประสิทธิภาพเชงิ ความรอ้ น จะมกี ารศึกษาดว้ ยวธิ ี CFD บ้างแลว้ ก็ตาม แต่เตาแกส๊ ในปี ค.ศ. 2014 P. Boggavarapu et al. [7] ท่ีท�ำการศึกษาส่วนใหญ่จะเป็นเตาแก๊ส KB-5 เท่าน้ัน ทำ� การศกึ ษาประสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ้ นของหวั เตาแกส๊ ถงึ แม้วา่ จะมกี ารศกึ ษาเตาแก๊ส KB-8 และ KB-10 แต่ ด้วย CFD ร่วมกับการทดลอง โดยใช้เช้ือเพลิง คือ การศึกษาวิจัยท้ังหมดที่ผ่านมาเป็นการศึกษาในด้าน Liquefied Petroleum Gas (LPG) และ Piped การทดลองเทา่ นน้ั นอกจากเตา KB แลว้ ยงั มกี ารคดิ คน้ Natural Gas (PNG) ในรูปแบบ 3 มิติ รปู แบบการไหล รูปแบบเตาแก๊สที่มีลักษณะคล้ายกับเตา KB-10 ซึ่ง แบบ Steady State และการถ่ายเทความร้อนท่ีผิว เรยี กว่า เตาประหยดั แก๊ส S-10 [9] ดงั แสดงในรปู ท่ี 1 หม้อเกิดจากการเผาไหม้ที่เตาแก๊ส ซ่ึงจะอธิบายเก่ียว และจากการศึกษาเบ้ืองต้น พบว่า เตาประหยัดแก๊ส กับการไหลและการถ่ายเทความร้อน ในการศกึ ษาได้มี S-10 มีการเผาไหม้ท่ีรุนแรงกว่าเตา KB-10 ท่ัวไป การดัดแปลงโดยเพิ่ม Circular Insert และ Radiant โดยมลี กั ษณะเปลวไฟทดี่ ี ไมม่ เี ขมา่ แสดงถงึ การเผาไหม้ Sheet ท่ีบริเวณรอบ ๆ หัวเตาแกส๊ ซ่งึ จากการทำ� นาย ที่สมบูรณ์ ถึงแม้ว่าจะเป็นเตาท่ีมีลักษณะการเผาไหม้ ด้วย CFD ของหัวเตาที่มีการดัดแปลงพบว่า ที่อัตรา ทดี่ กี ต็ าม แตย่ งั ไมม่ งี านวจิ ยั ใดทท่ี ำ� การศกึ ษาพฤตกิ รรม การไหลของ LPG สงู สดุ ประสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ้ นจะ การเผาไหม้ของเตาประหยดั แกส๊ S-10 ดงั กลา่ วเลย เพม่ิ ขน้ึ รอ้ ยละ 4.9 สว่ นผลการทำ� นายของ PNG พบวา่ ดังน้ัน งานวิจัยน้ีจึงมีแนวคิดในการศึกษา อุณหภูมิจะลดลงเน่ืองจากพลังงานของเช้ือเพลิงผสม พฤตกิ รรมการเผาไหมข้ องเตาประหยดั แกส๊ S-10 ดว้ ย กับอากาศน้อยกว่า จากผลการทดลอง พบว่า แบบ วิธีพลศาสตร์ของไหลเชิงค�ำนวณร่วมกับการทดลอง จ�ำลองสามารถน�ำมาปรับปรุงประสิทธิภาพเชิง เพ่ืออธิบายพฤติกรรมการไหลและการเผาของเตา ความรอ้ นของเตาแกส๊ ได้ ประหยดั แกส๊ S-10 เพอื่ นำ� ไปสกู่ ารพฒั นาประสทิ ธภิ าพ ปี พ.ศ. 2556 N. Piyaprai et al. [8] ได้น�ำวิธี เชงิ ความร้อนของเตาต่อไปในอนาคต พลศาสตร์ของไหลเชิงค�ำนวณ (Computational Fluid Dynamics, CFD) ในรูปแบบการไหลแบบ รูปที่ 1 เตาประหยัดแก๊ส S-10 [9] ปั่นป่วน k-ε ชนิด RNG ค�ำนวณร่วมกับแบบจ�ำลอง Species Transport แบบไม่มีปฏิกิริยาการเผาไหม้ 2. ระเบยี บวิธีวจิ ยั มาช่วยศึกษาคุณลักษณะและพฤติกรรมการไหลผสม ของอากาศและแกส๊ เชอ้ื เพลงิ ภายในหวั เตา KB-5 ท่ีค่า ในงานวิจัยน้ีแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 วิธี คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของแก๊สเช้ือเพลิง การจ�ำลองด้วยวิธีพลศาสตร์ของไหลเชิงค�ำนวณและ ต่างกันจนได้ผลเป็นที่น่าพอใจ นอกจากน้ียัง พบว่า การทดลอง โดยมขี นั้ ตอนดงั นี้ ผลการท�ำนายค่าการเหน่ียวน�ำอากาศส่วนแรกใกล้ เคยี งกบั ผลจากการทดลอง เมอ่ื เปรยี บเทยี บผลทไ่ี ดจ้ าก แบบจำ� ลองกบั ผลการคำ� นวณจากสมการเชงิ ความรอ้ น มีความสอดคลอ้ งกนั

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 169 2.1 พลศาสตร์ของไหลเชิงคำ� นวณ และเมอ่ื เปรยี บเทยี บผลของแบบจำ� ลองกบั การทดลอง พบวา่ มคี า่ ความคลาดเคลอ่ื นเฉลย่ี เทา่ กบั รอ้ ยละ 9.02, การจำ� ลองดว้ ยวธิ พี ลศาสตรข์ องไหลเชงิ คำ� นวณ 9.24, 9.33, 10.28 และ 11.06 ตามลำ� ดบั รปู แบบกรดิ ของการศึกษานี้แบ่งขอบเขตการศึกษาเป็น 2 ส่วน เปน็ รปู ทรงสามเหลยี่ มสด่ี า้ น (Tetrahedral Grid) จาก (Part) คือ สว่ นท่ี 1 (Part 1) เปน็ การจำ� ลองพฤติกรรม การศกึ ษาจำ� นวนกริดท่ีเหมาะสมจะเลอื กใชก้ ริดขนาด การไหลของของไหลภายในเตา กรณีไม่มีการเผาไหม้ 4,535,482 Elements ดังแสดงในรปู ท่ี 3ก) และส่วนท่ี 2 (Part 2) เปน็ การจำ� ลองพฤตกิ รรมการ เผาไหม้ ดงั แสดงในรปู ที่ 2 ในการวเิ คราะห์ ประมวลผล ก) กริดท่ใี ชใ้ นการศึกษา (Mesh) และแสดงผล ของการจำ� ลอง Part 1 และ Part 2 จะใช้ FLUENT 6.3 โดยข้นั ตอนกอ่ นการวเิ คราะห์ ประมวล ผล และแสดงผลน้นั จะท�ำการสรา้ งขอบเขตพนื้ ท่ี กรดิ กำ� หนดเงอ่ื นไขขอบเขต และคา่ ตวั แปรตา่ ง ๆ ใหก้ บั การ ไหลของของไหลในสว่ นที่ 1 และสว่ นที่ 2 ทแี่ ตกตา่ งกนั รปู ที่ 2 บริเวณท่ใี ช้ในการศึกษาของแบบจ�ำลอง ข) เง่อื นไขขอบเขต (Boundary Conditions) พฤตกิ รรมการเผาไหม้ของเตาทง้ั 2 สว่ น รูปที่ 3 กริดท่ใี ช้ในการศึกษา และเงอ่ื นไขขอบเขต 2.1.1 การจ�ำลองในส่วนที่ 1 (Part1) กรณีไม่มี การค�ำนวณสว่ นท่ี 1 (Part1) การเผาไหม้ (Cold Test Simulation) ส�ำหรบั เง่อื นไขขอบเขตของสว่ นท่ี 1 กำ� หนดให้ การจ�ำลองของ Part 1 มีจุดประสงค์คือ เพื่อ ทางเขา้ ในสว่ นของ LPG กำ� หนดเป็น Pressure Inlet ยืนยันผลของความเรว็ ท่ีตำ� แหน่งตา่ ง ๆ จาก CFD และ (LPG) คอื 4 ปอนดต์ อ่ ตารางนว้ิ (psi) เทา่ กบั ความดนั ท่ี (กCaา4iHrรท1+0,ดLNลP2อGแง)ลแะทละไี่Oดเพ2จ้ แือ่าลกนะ�ำPผMaลratsMs1aFบslosรwิเFวrณRaacทttาeioงขอnออขงกอMขงอixCงtร3uHหู r8eวั , ใช้ในการทดลอง สว่ นบริเวณ Primary Air และบริเวณ เตาไปกำ� หนดเปน็ Inlet Data ของการจำ� ลองใน Part 2 Secondary Air กำ� หนดเปน็ Pressure Inlet (Air) ปาก การจำ� ลองในสว่ นท่ี 1 เรม่ิ จากการสรา้ งขอบเขต เตาดา้ นบนก�ำหนดเปน็ Pressure Outlet และบรเิ วณ พื้นท่ีของอากาศภายในเตาประหยัดแก๊ส S-10 ด้วย หวั เตากำ� หนดเปน็ Wall แบบจำ� ลองความป่ันป่วน แบบจ�ำลองในลักษณะ 3 มติ ิ (3D-model) ทม่ี ขี นาด แบบ RNG K-ε วเิ คราะห์ร่วมกับ Species Transport เท่ากับเตาจริง จากการศึกษาจ�ำนวนกริดท่ีเหมาะสม Model ซ่ึงเป็นการไหลแบบผสมและไม่มีการท�ำ (Grid Independent) โดยมคี วามละเอยี ดทแ่ี ตก ต่าง ปฏิกิริยากัน และไม่มีการเผาไหม้ ก�ำหนดอัตราส่วน ของจ�ำนวน กริด ดังน้ี 9,497,524 Elements, โพรเพน:บิวเทน เป็น 70:30 [9] และพจิ ารณาการไหล 7,358,371 Elements, 4,535,482 Elements, แบบคงที่ (Steady State) สำ� หรับเงอ่ื นไขการคำ� นวณ 2,739,332 Elements และ 1,635,074 Elements ของ CFD แสดงในรูปท่ี 3 ข) และตารางที่ 1

170 วารสารวชิ าการและวิจัย มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 ตารางท่ี 1 เง่ือนไขขอบเขตการค�ำนวณส่วนที่ 1 สด่ี ้าน (Tetrahedral Grid) จากการศกึ ษาจำ� นวนกริด ทเ่ี หมาะสมจะเลอื กใชก้ รดิ ขนาด 2,965,681 elements BOUNDARY MODEL ดงั แสดงในรูปที่ 4 ก) CONDITION INLET BOUNDARY AIR GAUGE PRESSURE ก) Mesh CNDITION INLET = 0 Pa ข) Boundary Conditions LPG GAUGE PRESSURE OUTLET BOUNDARY INLET = 4 psi CONDITION PRESSURE OUTLET (AIR GAUGE, PRESSURE SOLVER OUTLET = 0 Pa) TIME PRESSURE BASE NEAR-WALL STEADY STATE TREATMENT METHOD STANDARD WALL TURBULENCE MODEL FUNCTION OTHER RNG K-ε MODEL PROPANE: BUTANE SPECIES TRANSPORT 70 : 30 2.1.2 การจ�ำลองในส่วนท่ี 2 (Part2) กรณีมีการ ค) Burner head เผาไหม้ (Hot Test Simulation) รูปท่ี 4 กรดิ ท่ใี ชใ้ นการศึกษา และเงอ่ื นไขขอบเขต การจ�ำลองของส่วนท่ี 2 มีจุดประสงค์คือ เพ่ือ ยืนยันผลของอุณหภูมทิ ี่ตำ� แหนง่ ตา่ ง ๆ จาก CFD กับ การค�ำนวณ Part 2 การทดลอง การจ�ำลอง Part 2 เร่ิมจากการสร้างขอบเขต ส�ำหรับเง่ือนไขขอบเขตของส่วนท่ี 2 ก�ำหนด พน้ื ทขี่ องอากาศรอบ ๆ หวั เตาประหยดั แกส๊ S-10 และ ให้ขอบเขตของอากาศรอบ ๆ หัวเตาเป็น Pressure หมอ้ ของแบบจำ� ลองในลกั ษณะ 3 มติ ิ (3D - Model) Outlet หม้อเหนือหวั เตามขี นาดเส้นผ่าศูนยก์ ลาง (D) ที่มีขนาดเท่ากับเตาจริง จากการศึกษาจ�ำนวนกริดท่ี 450 มิลลิเมตร (หมอ้ เบอร์ 45) และมคี วามสูงเทา่ กบั เหมาะสม (Grid Independent) โดยมีความละเอยี ด ระดบั นำ้� ในหม้อที่ใชใ้ นการทดลองคือ 210 มิลลเิ มตร ท่ีแตก ต่างของจ�ำนวน กริด ดังนี้ 5,846,432 ก�ำหนดให้ผนงั หม้อมอี ณุ หภูมิคงทีเ่ ทา่ กับ 395 เคลวิน Elements, 4,138,935 Elements, 2,965,681 เนื่องจากงานน้ีเป็นงานท่ีเกี่ยวข้องกับการเผาไหม้ซ่ึง Elements, 1,857,495 Elements และ 998,482 จะมีการกระจายอุณหภูมิท่ีบริเวณหัวเตาระยะที่ห่าง Elements และเมื่อเปรียบเทียบผลของแบบจ�ำลอง จากหมอ้ จงึ สำ� คญั งานวจิ ยั นก้ี ำ� หนดระยะหา่ งจากผนงั กับการทดลอง พบว่า มีค่าความคลาดเคล่ือนเฉล่ีย หม้อเท่ากับ 4D แสดงรูปที่ 4 ข) ส�ำหรับผนังของ เท่ากับร้อยละ 11.01, 11.19, 11.25, 12.38 และ 13.06 ตามลำ� ดับ รูปแบบกริดเป็นรูปทรงสามเหล่ียม

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 171 หวั เตากำ� หนดเปน็ Wall และกำ� หนดรหู วั เตาเปน็ Mass 1. สมการอนรุ ักษ์มวล Flow Inlet ซง่ึ Mass Fraction ของ C3H8, C4H10, ในกรณไี หลอยู่ในสภาวะคงท่ี ผNล2 กแาลระคO�ำน2 วแณละ Mass Flow Rate ของ LPG ไดจ้ าก CFD ของ Part 1 ส�ำหรับเง่ือนไข (1) การคำ� นวณของ CFD ทำ� การกำ� หนดคา่ เงอื่ นไขขอบเขต โดยท่ี จากงานวิจยั ของ Boggavarapu และคณะ [7] แสดง ρ คือ ความหนาแน่น ในตารางที่ 2 u คอื ความเร็วของของไหลในแนวแกน x v คือ ความเร็วของของไหลในแนวแกน y ตารางท่ี 2 เง่ือนไขขอบเขตการคำ� นวณสว่ นที่ 2 w คอื ความเร็วของของไหลในแนวแกน z 2. สมการอนุรกั ษพ์ ลังงาน BOUNDARY MODEL ในกรณภี าวะคงท่ี CONDITION MASS FLOW INLET (2) INLET BOUNDARY (Part 1) CNDITION โดยท่ี MASS FRACTION OF C3H8, คอื พลังงานทเ่ี กิดจากปฏิกริ ิยาเคมีตอ่ OUTLET BOUNDARY C4H10, N2 and O2 (Part 1) หนว่ ยปรมิ าตรของของไหล CONDITION PRESSURE OUTLET คอื คา่ สภาพการแพร่กระจายความร้อน (AIR GAUGE, PRESSURE ของวสั ดุ SOLVER OUTLET = 0 Pa) คือ สมการการแผร่ งั สคี วามรอ้ น TIME PRESSURE BASE 3. สมการอนุรักษ์โมเมนตมั NEAR-WALL STEADY STATE ในกรณีภาวะคงที่ TREATMENT METHOD STANDARD WALL TURBULENCE MODEL FUNCTION (3) RADIATION MODEL STANDARD K-ε MODEL DISCRETE ORDINATES COMBUSTION MODEL (DO) RADIATION MODEL EDDY DISSIPATION MODEL โดยทวั่ ไปสมการทเ่ี กย่ี วขอ้ งในการแกป้ ญั หาการ ไหลของของไหลจะประกอบด้วย สมการอนุรักษ์มวล (Mass-conservation Equation), สมการอนุรักษ์ พลังงาน (Energy Conservation Equation), และ สมการอนรุ กั ษโ์ มเมนตมั (Momentum Conservation Equation) ในการคำ� นวณ ดงั นี้

172 วารสารวชิ าการและวิจยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 โดยท่ี 2.2 การทดลอง ρ คอื ความหนาแน่น u คือ ความเรว็ ของของไหลในแนวแกน x 2.2.1 การวดั ความเร็วของของไหล v คือ ความเร็วของของไหลในแนวแกน y การวัดความเร็วของของไหลโดยไม่มีการเผา w คือ ความเรว็ ของของไหลในแนวแกน z ไหม้ท�ำได้โดยใช้เครื่องวัดความเร็วแบบ Hot-wire 4. สมการอนุรักษ์มวลย่อย Anemometer ย่ีห้อ Testo-435 โดยมีความคลาด เน่ืองจากการถ่ายเทพลังงานและการถ่ายโอน เคลอ่ื น 0.03 เมตรตอ่ วนิ าที หรอื รอ้ ยละ 5 ของคา่ ท่ี มวลท่ีมีความคล้ายกัน ดังน้ันด้วยวิธีการเดียวกันกับ อ่านได้ ในการทดลองเร่ิมโดยการเปิดแก๊สท่ีความดัน การหาสมการอนรุ กั ษพ์ ลงั งาน, สมการอนรุ กั ษม์ วลยอ่ ย 4 ปอนด์ต่อตารางน้ิว โดยท่ีไม่มีการจุดติดไฟและวัด ดงั สมการที่ 4 ความเรว็ ของของไหลทตี่ ำ� แหนง่ ตา่ ง ๆ ดงั แสดงในรปู ที่ 5 โดยท�ำการวดั 3 ซำ�้ และนำ� ผลทไ่ี ดเ้ ปรียบเทียบกับ (4) ผลการจำ� ลองในส่วนท่ี 1 5. สมการปฏกิ ิริยาการเผาไหม้ รูปแบบปฏิกิริยาเคมีสาหรับการเผาไหม้ท่ีมี สารประกอบของโพรเพน (Propane) และ สารประ กอบบวิ เทน (Butane) ดงั ต่อไปน้ี สารประกอบโพรเพน (Propane) (5) สารประกอบบวิ เทน (Butane) (6) รูปที่ 5 ก) แผนผังชดุ ทดลองการวดั ความเรว็ ของ ของไหล ข) ต�ำแหน่งวดั ความเร็วของของไหล (หน่วย: เซนตเิ มตร)

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 173 2.2.2 การวดั อุณหภมู ิ 3. ผลจากการศึกษา ก่อนการทดสอบต้องจุดเตาแก๊สโดยเปิดลิ้น ควบคมุ แก๊สทีต่ �ำแหนง่ เปลวไฟสูงสุดเปน็ เวลา 15 นาที 3.1 การเปรียบเทียบความเร็วของของไหล เพอ่ื ขจดั สง่ิ ทเี่ คลอื บหรอื ตกแตง่ เตา ซง่ึ อาจมผี ลกระทบ บริเวณรทู างออกหัวเตา ตอ่ การทดสอบ จากนนั้ ตง้ั เตาไวใ้ หเ้ ยน็ ลงจนมอี ณุ หภมู ิ เท่ากบั อุณหภูมิห้องแล้วจึงนำ� ไปทดสอบ ดงั นี้ รูปท่ี 7 แสดงการเปรียบเทียบความเร็วของ 1. ตดิ ตงั้ วสั ดแุ ละอปุ กรณท์ จี่ ำ� เปน็ เพอ่ื ใชใ้ นการ ของไหลทีต่ ำ� แหนง่ ตา่ ง ๆ ในแนวแกน x และ z (ดังใน ทดสอบ เช่น ฐานรองภาชนะ, เตา S-10, ถังแก๊ส รปู ที่ 5ข) พบวา่ ความเรว็ บรเิ วณใกล้กบั ขอบดา้ นข้าง แอลพีจี (LPG), ภาชนะ (หม้อเบอร์ 45) ดังแสดงใน ของเตาท้ังหัวเตาด้านในและด้านนอกจะมีค่าค่อนข้าง รูปที่ 6ก) ตำ่� และความเรว็ คอ่ ย ๆ เพมิ่ ข้ึนบรเิ วณท่ีใกล้รูทางออก 2. ชั่งน้�ำหนักของน้�ำเพื่อใช้ในการทดลองให้มี หวั เตา ความเรว็ เฉลย่ี สงู สดุ จะอยบู่ รเิ วณรทู างออกแถว น�้ำหนัก 30.6 กิโลกรัม ใส่ในภาชนะพร้อมทั้งวัด ด้านในสุดของเตาโดยมีความเร็วสูงสุดเท่ากับ 0.72 อุณหภมู ขิ องน�้ำก่อนนำ� น้�ำไปตม้ เมตรต่อวินาที, 0.76 เมตรต่อวินาที ในแนวแกน x 3. ปรับอัตราการป้อนแก๊สแอลพีจีที่ความดัน และ z ตามล�ำดบั ในขณะทีค่ วามเร็วสูงสดุ ทไ่ี ดจ้ ากการ 4 ปอนดต์ อ่ ตารางนวิ้ ที่ใช้ในการศกึ ษา ทดลองมคี า่ เทา่ กับ 0.7 เมตรต่อวนิ าที และ 0.76 เมตร 4. ต้มน�้ำจนกระทั้งน�้ำมีอุณหภูมิสูงประมาณ ตอ่ วินาที ในแนวแกน x และ z ตามลำ� ดบั นอกจากนี้ 90 องศาเซลเซียส ยังพบว่า ความเร็วของของไหลที่ได้จากแบบจ�ำลองมี 5. ทำ� การวดั อณุ หภมู ทิ ตี่ ำ� แหนง่ ตา่ ง ๆ ดงั แสดง ความสอดคลอ้ งกับผลการทดลอง โดยมคี ่าความคลาด ในรปู ท่ี 6 ข) โดยใช้ Thermocouple K-type ซง่ึ มี เคล่ือนเฉลี่ยไม่เกินร้อยละ 8.31 และ 10.35 ในแนว ความคลาดเคลอื่ น ± 1.1 องศาเซลเซียส หรือรอ้ ยละ แกน x และ z ตามลำ� ดบั 0.4 ของค่าที่อา่ นได้ ในการวัดอณุ หภูมิ และใช้ Data Logger ในการบันทกึ ขอ้ มูล 6. น�ำผลที่ได้จากการทดลองมาเปรียบเทียบ กับแบบจ�ำลองในสว่ นท่ี 2 ก) แกน X รูปที่ 6 ก) แผนผงั ชุดทดลองการวดั อุณหภมู ิ ก) แกน Y ข) ตำ� แหน่งในการวัดอณุ หภมู ิ (หนว่ ย: เซนติเมตร) รูปที่ 7 การเปรียบเทยี บความเร็วของของ ไหลทตี่ ำ� แหนง่ ต่าง ๆ

174 วารสารวชิ าการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 3.2 การเปรยี บเทยี บอณุ หภมู ทิ ต่ี ำ� แหนง่ ตา่ ง ๆ รูปที่ 8 แถบสีแสดงความเรว็ ทรี่ ะนาบกึง่ กลางเตา รปู ที่ 9 เวคเตอรแ์ สดงความเรว็ ทีร่ ะนาบกง่ึ กลางเตา รปู ท่ี 10 การเปรยี บเทยี บอุณหภูมิทีต่ �ำแหน่งตา่ ง ๆ รูปท่ี 8 และรูปที่ 9 แสดงแถบสีและเวกเตอร์ รูปที่ 10 แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิท่ี ความเรว็ ทร่ี ะนาบกง่ึ กลางเตา ตามล�ำดับ พบวา่ การ ตำ� แหน่งต่าง ๆ ในแนวแกน x และ z (ดังในรปู ท่ี 6 ก)) กระจายตัวของความเรว็ ทต่ี ำ� แหนง่ ตา่ ง ๆ โดยบริเวณ พบวา่ การกระจายตวั ของอณุ หภมู ทิ ไี่ ดจ้ ากแบบจำ� ลอง หัวฉีดมีความเร็วสูงกว่าต�ำแหน่งอ่ืน ๆ เน่ืองจากแก๊ส มีความสอดคล้องกับการทดลองจริง โดยอุณหภูมิ แอลพีจีถูกปล่อยจากถังแก๊สด้วยแรงดันสูงผ่านหัวฉีด บรเิ วณหวั เตาคอ่ นขา้ งจะใกลเ้ คยี งกนั และคอ่ ย ๆ ลดลง จึงท�ำให้เกิดความเร็วสูงบริเวณหัวฉีด (Nozzle) ซึ่งมี ตามระยะทางทอี่ อกหา่ งจากหวั เตา โดยมคี า่ ความคลาด ความเร็วเท่ากับ 161.31 เมตรต่อวินาที จากน้ันก็จะ เคลื่อนเฉลี่ยไม่เกินร้อยละ 10.63 และ 11.87 ใน เหนย่ี วนำ� อากาศบรเิ วณ Primary Air เขา้ มาผสมในทอ่ แนวแกน x และ z ตามล�ำดบั ผสมกอ่ นเพอื่ ใชใ้ นกระบวนการเผาไหม้ และบรเิ วณหอ้ ง รูปท่ี 11 แสดงแถบสีแสดงอุณหภูมิท่ีระนาบ เผาไหมย้ งั มีช่องสำ� หรบั Secondary Air เพอื่ ชว่ ยเพิม่ กึ่งกลางเตา พบว่า การกระจายตัวของอุณหภูมิที่ อากาศในกระบวนการเผาไหม้ให้ดยี ิง่ ข้ึน ต�ำแหนง่ ตา่ ง ๆ จากผลของแบบจ�ำลอง โดยมีอุณหภูมิ

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 175 สงู จะอยูบ่ รเิ วณหัวเตาและคอ่ ย ๆ ลดลงตามระยะหา่ ง ใหเ้ กดิ การเผาไหมท้ รี่ นุ แรงซง่ึ สอดคลอ้ งกบั การเผาไหม้ จากหัวเตา โดยอุณหภูมิสูงสุดจาก CFD มีค่าเท่ากับ ทร่ี นุ แรงของเตาประหยดั แกส๊ S-10 นอกจากน้ี Vortex 1,438.3 เคลวิน และ 1,395.05 เคลวิน ในขณะที่ จะยังช่วยส่งเสริมการถ่ายเทความร้อนไปยังภาชนะ อุณหภูมิสูงสุดท่ีได้จากการทดลองที่ต�ำแหน่งใกล้เคียง อีกด้วย กันมีคา่ เท่ากับ 1333.2 เคลวิน และ 1,317.1 เคลวนิ ในแนวแกน x และ z ตามล�ำดบั ดงั แสดงในรปู ที่ 10 4. สรุปผลการศึกษา รูปท่ี 11 แถบสแี สดงอณุ หภมู ทิ ี่ระนาบกึ่งกลางเตา จากการศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้ของเตา ประหยัดแก๊ส S-10 ด้วยวิธีพลศาสตร์ของไหลเชิง รปู ท่ี 12 เวกเตอรแ์ สดงความเร็วทีร่ ะนาบกึง่ กลางเตา ค�ำนวณร่วมกับการทดลอง ที่ความดัน 4 ปอนด์ต่อ รปู ท่ี 12 แสดงเวกเตอรแ์ สดงความเรว็ ทีร่ ะนาบ ตารางนว้ิ สามารถสรุปไดด้ งั น้ี กงึ่ กลางเตา พบวา่ ของผสมของแกส๊ แอลพจี แี ละอากาศ 1. จากการยืนยันผลการจ�ำลองพบว่า แบบ ท่ีไหลออกจากรขู องหวั เตา จะมคี วามเร็วสูงสดุ เท่ากับ จำ� ลองมคี วามถกู ตอ้ งและนา่ เชอ่ื ถอื โดยมคี า่ ความคลาด 0.76 เมตรต่อวินาที โดยของผสมดังกล่าวจะเกิดการ เคล่ือนเฉล่ียไม่เกินร้อยละ 10.35 เม่ือเปรียบเทียบ เผาไหมแ้ ละจะดงึ อากาศสว่ นท่ีสอง (Secondary Air) กับความเร็วที่ได้จากการทดลอง และมีค่าความคลาด เข้ามาช่วยในการเผาไหม้ในบริเวณหัวเตา ซึ่งเป็นการ เคลอื่ นเฉล่ยี ไม่เกินร้อยละ 11.87 เม่ือเปรยี บเทียบกับ ส่วนให้เกิดการเผาไหม้สมบูรณ์มากข้ึน นอกจากน้ีจะ อุณหภมู ิทีไ่ ด้จากการทดลอง พบการเกิด Vortex ท่ีบริเวณหัวเตา ซึ่งเป็นที่ทราบ 2. แบบจ�ำลองสามารถใช้ในการอธิบาย กันดีว่าการเกิด Vortex จะช่วยส่งเสริมการเผาไหม้ พฤติกรรมการไหลและการเผาไหม้ของเตาประหยัด แกส๊ S-10 ไดอ้ ย่างชัดเจน 3. แบบจ�ำลองของเตาประหยัดแก๊ส S-10 สามารถน�ำไปประยุกต์ใช้เพ่ือออกแบบและปรับปุรง ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นของเตาประหยดั แกส๊ S-10 ใหส้ ูงขึน้ ตอ่ ไปได้ในอนาคต 5. กติ ติกรรมประกาศ ขอขอบคุณ นายณัฐพล ชูจิตร, นายพิทยาธร กาลพัฒน์, นายธนาธิป ทองเปราะ นักศึกษาปีท่ี 4 ของห้องปฏิบัติการการประยุกต์ใช้ล�ำเจ็ทและการ เผาไหม้ ทช่ี ว่ ยดำ� เนนิ งานวจิ ยั และขอขอบคณุ ภาควชิ า วศิ วกรรมเครอ่ื งกล คณะวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั อบุ ลราชธานี และโครงการยกระดบั สมรรถนะนักวจิ ยั ไ ท ย เ พื่ อ ส ร ้ า ง ขี ด ค ว า ม ส า ม า ร ถ ใ น ก า ร แ ข ่ ง ขั น มหาวทิ ยาลัยอุบลราชธานี ประจำ� ปงี บประมาณ 2562 ทีใ่ หท้ ุนสนบั สนนุ การวิจยั

176 วารสารวิชาการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 6. เอกสารอา้ งองิ Future Burner,” International Energy Journal, vol. 18, no. 2, pp. 97–111, Dec. [1] Energy Policy and Planning office (EPPO) 1996. Ministry of Energy. (2018). Energy statistics [6] U. Makmool, S. Jugjai, S. Tia, P. Vallikul of Thailand 2018. [Online]. Available: and B. Fungtammasan, “Performance https://goo.gl/GCGy2G and analysis by particle image velocimetry [2] L.L. Dong, C.S. Cheung and C.W. Leung, (PIV) of cooker-top burners in Thailand,” “Heat Transfer from an Impinging Energy, vol. 32, no. 10, pp. 1986 – 1995, Premixed Butane/Air Slot Flame Jets,” 2007. International Journal of Heat and Mass [7] P. Boggavarapu, B. Ray and R. V. Transfer, vol. 45, no. 5, pp. 979 – 992, Ravikrishna, “Thermal Efficiency of LPG Feb. 2002. and PNG-fired burners: Experimental [3] W.Trewetaskson,“EfficiencyImprovement and numerical studies,” Fuel, vol. 166, of LPG Domestics Cooking Stove,” M.S. pp. 709 – 715, 2014. thesis, Dept. Chemical. Eng., King [8] N. Piyaprai, T. Sriveerakul and A. Namkhat, Mongkut’s University of Technology “CFD Simulation for Air-Fuel Gas Mixing Thonburi, Bangkok, Thailand, pp. 1-92, Flow in Mixing Tube of a KB-5 Cooking 1998. Burner,” in Proceeding of 27th Conference [4] A. Tamir, I. Elperin and S. Yotzer, of Mechanical Engineering Network of “Performance Characteristics of a Gas Thailand, Chon Buri, Thailand, 2013, Burner with a Swirling Central Flame,” Paper no. CST-2032. Energy, vol. 14, no. 7, pp. 373–382, 1989. [9] PTT Public Company Limited. (2012). [5] S. Jugjai and S. Sanitjai, “Parametric What is natural gas?. [Online]. Available: Studies of Thermal Efficiency in a https://goo.gl/2mrw7S Proposed Porous Padiant Recirculated Burner (PRRB): A Design Concept for the

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 177 http://journal.rmutp.ac.th/ การศกึ ษาสมรรถนะของโรงไฟฟ้าไตรแลทเทอร์รลั ซับคริตคิ ลั โออารซ์ ี และซุปเปอรค์ ริติคลั โออาร์ซี โดยใชแ้ หลง่ ความรอ้ นใตพ้ ิภพ เปน็ แหลง่ พลงั งาน อนุกลู โมง่ ปราณตี * และ อาทิตย์ คูณศรีสุข สาขาวชิ าวศิ วกรรมเครอ่ื งกล ส�ำนกั วิชาวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยั เทคโนโลยสี รุ นารี 111 ถ.มหาวทิ ยาลยั ต.สุรนารี อ.เมือง นครราชสมี า 30000 รบั บทความ 5 กรกฎาคม 2562 แก้ไขบทความ 12 พฤษภาคม 2563 ตอบรับบทความ 18 พฤษภาคม 2563 บทคัดย่อ การศึกษานี้ได้จ�ำลองกระบวนการท�ำงานของโรงไฟฟ้าที่แตกต่างกัน 3 แบบ คือ ไตรแลทเทอร์รัล (TLC) โออาร์ซี ต่�ำกว่าจุดวิกฤต (Subcritical Organic Rankine Cycle, ORC) และ โออาร์ซี สูงกว่าจุดวิกฤต (Supercritical ORC) โดยใช้แหลง่ ความรอ้ นใตพ้ ภิ พเป็นแหลง่ พลงั งาน มีอัตราการไหล 1 กโิ ลกรัมตอ่ วนิ าที และ มอี ุณหภมู ิเทา่ กับ 100, 110 และ 120 องศาเซลเซียส โดยใช้สารท�ำงานในการจำ� ลองท้งั หมด 27 สารท�ำงาน พบวา่ โรงไฟฟา้ Subcritical ORC ใหง้ านสุทธิสงู สดุ เทา่ กบั 4.78 และ 7.74 กิโลวัตต์ จากสารท�ำงาน RC318 ทแี่ หล่ง ความร้อนอุณหภูมิ 100 และ 110 องศาเซลเซียส ตามล�ำดับ ในขณะที่สาร R227ea ให้งานสุทธิสูงสุดเท่ากับ 11.85 กโิ ลวตั ต์ ทแี่ หลง่ ความร้อนอณุ หภมู ิ 120 องศาเซลเซียส งานสทุ ธสิ ูงสุดของโรงไฟฟ้า Supercritical ORC เทา่ กับ 5.64 และ 9.16 กโิ ลวตั ต์ จากสารทำ� งาน R218 ท่แี หลง่ ความรอ้ นอุณหภูมิ 100 และ 110 องศาเซลเซยี ส ตามล�ำดับ ในขณะเดียวกัน ที่แหล่งความร้อนอุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส ได้งานสุทธิเท่ากับ 12.88 กิโลวัตต์ จากสารท�ำงาน R143a นอกจากนี้ งานสทุ ธสิ งู สดุ ทไ่ี ด้จากโรงไฟฟ้า TLC จากการใชส้ ารทำ� งานเฮปเทน มีคา่ เทา่ กับ 7.96, 12.27 และ 17.38 กิโลวตั ต์ ทแ่ี หลง่ ความรอ้ นอุณหภมู ิ 100, 110 และ 120 องศาเซลเซียส ตามล�ำดบั ค�ำสำ� คัญ : โรงไฟฟ้าโออาร์ซ;ี ความรอ้ นใต้พิภพ; ซับครติ ิคัล; ซปุ เปอรค์ ริตคิ ัล; ไตรแลทเทอร์รัล * ผนู้ พิ นธป์ ระสานงาน โทร: +668 5996 9714, ไปรษณียอ์ ิเล็กทรอนิกส:์ [email protected]

178 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 http://journal.rmutp.ac.th/ Performance Investigate of Trilateral, Subcritical and Supercritical Organic Rankine Cycle Driven by Geothermal Heat Source Anugul Mongpraneet* and Atit Koonsrisuk School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology 111 University Road, Muang, Nakhon Ratchasima 30000 Received 5 July 2019; Revised 12 May 2020; Accepted 18 May 2020 Abstract This study investigates three different types of power plant include a trilateral cycle (TLC), subcritical organic Rankine cycle (ORC), and supercritical ORC power plant driven by geothermal heat source with mass flow rate 1 kg/s and temperature of 100๐C, 110๐C and 120๐C. with 27 substances were examined as the working fluid of the power plant. While the net power output of 4.78 kW and 7.74 kW is obtained from the subcritical ORC with RC318 as its working fluid when the heat source temperature are at 100๐C and 110๐C, respectively. Meanwhile, the net power output of 11.85 kW is obtained from the subcritical ORC with R227ea as its working fluid when the heat source temperature is at 120๐C. The net power output of 5.64 kW and 9.16 kW are obtained from the supercritical ORC with R218 as its working fluid when the heat source temperature are at 100๐C and 110๐C, respectively. Meanwhile, the net power output of 12.88 kW is obtained from the supercritical ORC with R143a as its working fluid when the heat source temperature is at 120๐C. Furthermore, the net power output of 7.96 kW, 12.27 kW, and 17.38 kW are obtained from the TLC plant with heptane as its working fluid when the heat source temperature are at 100๐C, 110๐C, and 120๐C, respectively. Keywords : Organic Rankine Cycle; Geothermal; Subcritical; Supercritical; Trilateral * Corresponding Author. Tel.: +668 5996 9714, E-mail Address: [email protected]

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 179 1. บทนำ� โรงไฟฟา้ ORC โดยใชแ้ หลง่ ความรอ้ นใตพ้ ภิ พเปน็ แหลง่ พลังงานและใช้สารท�ำงานประเภทแห้ง (Dry Fluid) สถานการณ์ความต้องการของพลังงานของโลก ผลที่ไดพ้ บวา่ สารท�ำงาน R123 จะให้ประสทิ ธภิ าพสูง ในปัจจุบนั มีความต้องการมากขึ้น รวมทั้งการคำ� นงึ ถงึ นอกจากนี้มีการศึกษาเปรียบเทียบโรงไฟฟ้า ผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมของโลกและต้นทุนของ ORC ท่ีมีกระบวนการในระบบต่างกันท่ีเรียกว่า ราคาพลังงาน โดยเฉพาะอย่างย่ิงพลังงานที่เป็น Subcritical ORC, Transcritical หรอื Supercritical เชอ้ื เพลงิ ฟอสซลิ ผลกระทบของการใชเ้ ชอ้ื เพลงิ ดงั กลา่ ว ORC และ Trilateral K. Braimakis et al. [7] ไดศ้ กึ ษา จึงมีการกระตุ้นให้มีการค้นคว้าเทคโนโลยีที่สามารถ การจำ� ลองระบบ Subcritical ORC กบั Supercritical ใช้พลังงานทางเลือกเป็นแหล่งพลังงาน แทนการใช้ ORC โดยใชค้ วามร้อนท้งิ ทม่ี ีอุณหภูมิ 150–300 องศา เชื้อเพลิงฟอสซิล หน่ึงในเทคโนโลยีท่ีน่าสนใจ และ เซลเซียส เป็นแหล่งพลังงาน และเปรียบเทียบการใช้ เปน็ มิตรกับส่งิ แวดล้อมคือ Organic Rankine Cycle สารทำ� งานทเี่ ปน็ แบบผสมและไมผ่ สม จากผลการศกึ ษา (ORC) ท่ีสามารถใช้แหล่งความร้อนท่ีมีอุณหภูมิต่�ำ พบว่า การใช้สารของผสมช่วยให้สมรรถนะของระบบ มาใช้ผลิตไฟฟ้าได้ เช่น ความร้อนใต้พิภพ แสงแดด เพ่มิ ขน้ึ ท้งั ใน Subcritical ORC และ Supercritical เช้ือเพลิงชีวมวล และ ความร้อนเหลือท้ิง เป็นต้น ORC เมื่อพิจารณาประสิทธิภาพตามกฎข้อท่ีสองของ [1], [2] อีกทั้งเป็นเทคโนโลยีท่ีมีการใช้งานจริงและ เทอร์โมไดนามิกส์พบว่า สารผสมให้ประสิทธิภาพ มีจ�ำหน่ายในต่างประเทศ เช่น ประเทศสหรัฐอเมริกา สูงกว่าสารที่ไม่ผสม และการใช้สารผสมระหว่าง มีบรษิ ัท Ormat, Pratt & Whitney ในประเทศอติ าลี Pentane กบั Propane ในระบบ Supercritical ORC มบี รษิ ทั Turboden, Exergy เป็นตน้ นอกจากน้ยี ังมี ให้ประสิทธิภาพตามกฎข้อท่ีสองสูงเกินกว่า ร้อยละ นกั วจิ ยั จำ� นวนมากทไ่ี ดศ้ กึ ษาวจิ ยั และพฒั นาเทคโนโลยี 60 C. Vetter et al. [8] ไดศ้ ึกษาการจำ� ลองเปรียบ โรงไฟฟ้า ORC ทใี่ ชแ้ หล่งความร้อนใต้พภิ พเป็นแหลง่ เทียบระบบ Subcritical ORC กับ Supercritical พลังงาน Z. Guzovic et al. [3], [4] ได้พิจารณา ORC โดยใช้แหลง่ ความรอ้ นใตพ้ ภิ พเป็นแหลง่ พลังงาน หาความเป็นไปใด้ในการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ ซึ่งมอี ณุ หภูมปิ ระมาณ 150 องศาเซลเซยี ส เพอ่ื หางาน ในประเทศโครเอเชยี เพอื่ นำ� มาใชใ้ นการผลติ ไฟฟา้ จาก สุทธิและประสิทธิภาพสูงสุด โดยใช้สารท�ำงาน การศึกษา ไดม้ กี ารเสนอโรงไฟฟา้ ORC และ Kalina Propane และ CO2 เปรยี บเทียบกับโรงไฟฟ้าทใ่ี ช้สาร Cycle เปรยี บเทยี บสมรรถนะ ของโรงไฟฟา้ ทง้ั สองแบบ ท�ำงาน Isopentane จากผลการศึกษาพบว่า สาร พบว่า โรงไฟฟ้า ORC กับโรงไฟฟ้า Kalina Cycle ทำ� งาน Propane ท่ีใชใ้ นระบบ Supercritical ORC มีประสิทธิภาพตามกฏข้อท่ีหน่ึงของเทอร์โมไดนามิกส์ ให้สัมประสิทธ์ิงานสุทธิสูงสุดเท่ากับ 36.8 กิโลจูลต่อ เทา่ กบั รอ้ ยละ 13.5 และ 12.8 มกี ำ� ลงั งานสทุ ธิ 2,225.5 กิโลกรัม และมีประสิทธิภาพทางความร้อนเท่ากับ และ 2,101.4 กิโลวัตต์ ตามล�ำดบั และโรงไฟฟ้า ORC รอ้ ยละ 10.1 ซง่ึ ได้งานสงู กว่าระบบ Subcritical ORC กับโรงไฟฟ้า Kalina Cycle มีประสิทธิภาพตามกฏ ทใี่ ช้สารท�ำงาน Isopentane ประมาณรอ้ ยละ 30 ใน ข้อที่หน่ึงของเทอร์โมไดนามิกส์มากกว่า โรงไฟฟ้า ขณะทรี่ ะบบ Supercritical ORC ทใ่ี ชส้ ารทำ� งาน CO2 Kalina Cycle เท่ากับร้อยละ 14.1 และ 10.6 ให้สัมประสิทธ์ิงานสุทธิสูงสุดเท่ากับ 25.6 กิโลจูลต่อ มปี ระสทิ ธภิ าพตามกฏขอ้ ทสี่ อง เทา่ กบั รอ้ ยละ 52 และ กิโลกรัม และมีประสิทธิภาพทางความร้อนเท่ากับ 44 ก�ำลังงานสุทธิ 5,270 และ 3,949 กิโลวัตต์ ร้อยละ 8 นอกจากนี้ยงั มีการเปรียบเทียบ ระบบ ORC ตามล�ำดับ M. Yari. [5], [6] ได้ศึกษาทั้งสมรรถนะ กับ Trilateral ตามกฎข้อที่ 1 และ 2 ทางเทอร์โมไดนามิกส์ของ

180 วารสารวชิ าการและวิจัย มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถุนายน 2563 D. Tiwari et al. [9] ไดศ้ กึ ษาระบบการวเิ คราะห์ 2. รายละเอยี ดของระบบที่ท�ำการศกึ ษา ทางดา้ น Energy และ Exergy ของโรงไฟฟา้ ORC และ มกี ารเปรยี บเทยี บกบั ระบบ Trilateral ซง่ึ ใชส้ ารทำ� งาน ในการศกึ ษานจี้ ำ� ลองระบบทง้ั หมด 3 แบบ ไดแ้ ก่ ท้ังหมด 5 ชนิดได้แก่ R1234yf, R134a, R245fa, Subcritical ORC, Supercritical ORC และ TLC และ Ethanol และ Isopentane โดยใชส้ ารทำ� งาน R1234yf ใช้แหล่งความร้อนใต้พิภพเป็นแหล่งพลังงานซึ่งอยู่ใน เป็นสารทำ� งานหลกั ซ่ึงเปน็ สารท่ี N. Yamada et al. รูปของน�้ำร้อน ในระบบมีส่วนประกอบดังแสดงในรูป [10] ได้ท�ำการศึกาษาแล้วพบว่าให้สมรรถนะสูงเมื่อ ท่ี 1 ของโรงไฟฟา้ ท้ัง 3 แบบ ประกอบไปด้วยอปุ กรณ์ ใช้แหล่งความร้อนท่ีมีอุณหภูมิต�่ำและปานกลาง D. หลัก 4 ส่วนคือ Pump Evaporator Condenser Tiwari et al. [9] จึงใช้ R1234yf เปรียบเทียบกับ และ Turbine ในแต่ละระบบมีกระบวนการท�ำงาน สารข้างต้น จากผลการศึกษาพบว่า ประสิทธิภาพ ดังแสดงในรปู ที่ 2 Exergetic ของสารท�ำงาน R1234yf เทา่ กับรอ้ ยละ 9 1-2 กระบวนการเพมิ่ ความดนั และสบู สารทำ� งาน ใกลเ้ คียงกับสาร R134a ซ่ึงมคี า่ เทา่ กับรอ้ ยละ 10 ใน เขา้ ไปยังเครื่องระเหยโดยป๊ัม (Pump) ระบบ ORC และเมื่อจ�ำลองในระบบ trilateral พบว่า 2-3 กระบวนการใหค้ วามร้อนกับสารท�ำงานใน ประสิทธิภาพ Exergetic ของสารท�ำงาน R1234yf เครือ่ งระเหย (Evaporator) โดยน�ำ้ รอ้ น เท่ากับรอ้ ยละ 40 3-4 กระบวนการสารท�ำงานขยายตัวในกังหัน ส�ำหรับประเทศไทยมีแหล่งความร้อนใต้พิภพ (Turbine) จะได้งาน เป็นจ�ำนวนมากโดยเฉพาะทางภาคเหนือ ซ่ึงมีการขุด 4-1 กระบวนการดูดซับความร้อนสารทำ� งานให้ เจาะส�ำรวจแหล่งความร้อนใต้พิภพเพ่ือน�ำมาใช้ผลิต เกิดการกลั่นตัวในเครอื่ งควบแนน่ (Condenser) โดย ไฟฟ้าซึ่งมีอุณหภูมิน�้ำร้อนในช่วง 100–120 องศา น�ำ้ หลอ่ เย็น เซลเซียส [11] ในงานวิจยั นีจ้ ึงพจิ ารณาใช้ช่วงอุณหภูมิ ดงั กลา่ วในการจำ� ลองโรงไฟฟา้ ทงั้ 3 ประเภท ประกอบ รปู ท่ี 1 ส่วนประกอบของ Subcritical ORC, ด้วย Subcritical ORC, Supercritical ORC และ Supercritical ORC และ TLC TLC เพอ่ื เปรียบเทียบงานสุทธิสูงสดุ ของแต่ละระบบที่ จะผลิตได้ พร้อมทั้งค่าสมรรถนะอื่นๆ และศึกษาสาร ท�ำงานที่จะให้งานสุทธิสูงสุดในช่วงแหล่งความร้อน ดงั กล่าว

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 181 รปู ท่ี 2 แผนภาพ อณุ หภมู ิ-เอนโทรปี เม่ือพิจารณาพลังงานความร้อนในเคร่ืองระเหย ก) Subcritical ORC และเคร่ืองควบแน่นของแหล่งความร้อนและแหล่งทิ้ง ความร้อน สามารถค�ำนวณได้จากสมการท่ี 1 และ 2 ข) Supercritical ORC และ ค) TLC ของโรงไฟฟ้าทง้ั 3 แบบ 3. ทฤษฎที เ่ี กี่ยวขอ้ ง (1) (2) ในการศึกษาน้ีได้มีการจ�ำลองระบบ ORC 3 แบบได้แก่ Subcritical ORC, Supercritical ORC Qโด. ยท่ี = พลงั งานความร้อน (วตั ต์) และ TLC ซึ่งมกี ระบวนการในวัฏจักรดงั แสดงในรูปที่ ṁ = อตั ราการไหล (กโิ ลกรมั ตอ่ วินาที) 1 - 2 ตามล�ำดับ และมีสมการท่ีใช้ในการค�ำนวณหา Cp = ความร้อนจำ� เพาะ (กิโลจูลต่อกิโลกรัมองศา คา่ ต่าง ๆ ดงั น้ี เซลเซียส) T = อุณหภมู ิ (องศาเซลเซยี ส) hf = น�ำ้ รอ้ น (Hot Water) cf = นำ�้ หล่อเยน็ (Cooling Water Fluid) ส�ำหรับพลังงานความร้อนท่ีสารท�ำงานได้รับ ค�ำนวณได้จากสมการที่ 3 และ 4 (3) (4) โดยท่ี h = เอนทาลปี (กิโลจูลต่อกิโลกรัม) evap = เคร่อื งระเหย (Evaporator) cond = เครื่องควบแน่น (Condenser) wf = สารทำ� งาน (Working Fluid) พลงั งานทใ่ี หแ้ ก่ ปม๊ั และงานทไ่ี ดจ้ าก กงั หนั ของ โรงไฟฟ้าทั้ง 3 แบบ สามารถค�ำนวณได้จากสมการท่ี 7 และ 8 (5) (6)

182 วารสารวชิ าการและวจิ ยั มทร.พระนคร ปที ่ี 14 ฉบบั ที่ 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 (7) (14) (8) (15) โดยที่ โดยท่ี U = สัมประสิทธ์ิการถ่ายเทความร้อนรวม = ประสทิ ธภิ าพไอเซนโทรปิกของป๊มั (วัตต์ตอ่ ตารางเมตรองศาเซลเซยี ส) = ประสิทธภิ าพไอเซนโทรปิกของกังหนั A = พืน้ ทีแ่ ลกเปลี่ยนความร้อน (ตารางเมตร) = งานของปั๊ม (วัตต)์ ∆TLM = ความแตกต่างอุณหภูมิเฉล่ียแบบล็อก = งานของกังหัน (วัตต)์ (องศาเซลเซยี ส) ในการศกึ ษานไ้ี ดใ้ ชต้ วั แปร UA เปน็ ตวั แทนขนาด งานสุทธิท่ีระบบจะผลิตได้ สามารถค�ำนวณ อุปกรณ์แลกเปล่ียนความรอ้ น และ VFR เป็นตวั แทน ได้จากสมการที่ 9 และประสิทธิภาพทางความร้อน ขนาดของกงั หนั (Turbine) ค�ำนวณได้จากสมการที่ 10 4. การเลือกสารท�ำงาน (9) (10) ในการเลอื กสารทำ� งาน จะพจิ ารณาจากอณุ หภมู ิ วกิ ฤตของสารทำ� งาน อณุ หภมู ขิ องแหลง่ ความรอ้ น และ โดยที่ กระบวนการของโรงไฟฟา้ ทไี่ ดท้ ำ� การศกึ ษา ซงึ่ แบง่ เปน็ = งานสทุ ธิ (วตั ต)์ 3 ระบบได้แก่ Subcritical ORC, Supercritical ORC = ประสทิ ธิภาพทางความรอ้ น และ TLC แต่ละระบบจะมีกระบวนการภายในแตก ตา่ งกนั ดงั แสดงในรปู ที่ 2 สำ� หรบั การเลอื กสารทำ� งาน อตั ราสว่ นการไหลเชงิ ปรมิ าตร (VFR) คำ� นวณได้ ท่ีใช้จ�ำลองในระบบ Subcritical ORC จะพิจารณา จากสมการท่ี 13 เลือกสารท�ำงานที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าแหล่งความ ร้อน และต่�ำกว่าแหล่งความร้อนประมาณ 15 องศา (11) เซลเซียส นอกจากนี้ยังมีงานวิจัยที่ได้ศึกษาการเลือก (12) สารท�ำงานเพ่ือให้ได้งานสุทธิสูงสุด โดยการจ�ำลอง (13) สารท�ำงานหลายชนิด เช่น C. He et al. [12] ศึกษา สารท�ำงานท่ีใช้ส�ำหรับ Subcritical ORC ซ่ึงมีแหล่ง โดยที่ ความรอ้ นท่อี ุณหภมู ิ 150องศาเซลเซียส โดยเลอื กสาร = อัตราการไหลเชงิ ปริมาตร (ลิตรต่อวนิ าท)ี ท�ำงานกว่า 20 ชนิดมาจ�ำลองและเปรียบเทียบผล = ความหนาแนน่ (กโิ ลกรมั ตอ่ ลกู บาศกเ์ มตร) พบว่า สารท�ำงานที่มีอุณหภูมิวิกฤตใกล้เคียงกับ = อัตราสว่ นการไหลเชิงปรมิ าตร อณุ หภมู แิ หลง่ ความรอ้ นโดยสว่ นใหญจ่ ะใหง้ านสทุ ธสิ งู ซึ่งในงานวิจัยท่ีน�ำเสนอนี้ ได้เลือกสารท�ำงานที่มี ขนาดของอปุ กรณแ์ ลกเปลย่ี นความรอ้ นสามารถ อุณหภูมิวิกฤตใกล้กับอุณหภูมิแห่ลงความร้อนด้วย ค�ำนวณได้จากสมการ 14

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 183 เช่น R134a, R227ea ใกล้แหล่งความร้อน 100 องศา- ตารางที่ 1 สารทำ� งานท่ใี ชใ้ นการจ�ำลอง เซลเซียส R12, R1234ze ใกล้แหล่งความร้อน 115 องศา-เซลเซยี ส R124 ใกล้แหลง่ ความร้อน 120 องศา   Substance P(kcrPitiaca)l T(crCํitic)al   Type เซลเซียส และสารทำ� งานอ่ืนๆ ดงั แสดงในตารางที่ 1 ในส่วนของการเลือกสารท�ำงานท่ีใช้กับระบบ R1216 3149.5 85.75 Dry Supercritical ORC จะเลือกสารท�ำงานท่ีมีอุณหภูมิ วิกฤตต�่ำกว่าอุณหภูมิแหล่งความร้อนเพ่ือให้ม่ันใจว่า R1234yf 3382.2 94.7 Isentropic อุณหภูมิและความดันของสารท�ำงานที่ออกจากเคร่ือง ระเหย ณ จุดที่ 3 ในรูปท่ี 2 ข) จะสูงกว่าอุณหภูมิ R22 4990 96.15 Wet วิกฤตของสารท�ำงาน นอกจากนี้ยังมีผลการศึกษา ของ J. Haervig et al. [13] ได้ศึกษาสารท�ำงานท่ี Propane 4251.2 96.74 Isentropic ใช้ในระบบพบว่าสารท�ำงานที่ให้งานสุทธิสูงจะต้องมี อณุ หภมู วิ กิ ฤตนอ้ ยกวา่ อณุ หภมู ขิ องแหลง่ ความรอ้ นใน R134a 4059.3 101.06 Wet ชว่ ง 30–50 องศาเซลเซยี ส สารท�ำงานที่ใช้ส�ำหรบั การ ศึกษาน้ีได้เลือกสารท�ำงานท่ีมีอุณหภูมิทั้งในช่วงและ R227ea 2925 101.75 Dry นอกช่วงอุณหภมู ดิ งั กลา่ ว นอกจากนี้สารท�ำงานที่เลือกใช้ในระบบ TLC R1234ze 3634.9 109.36 Isentropic ได้พิจารณาเลือกสารท�ำงานท่ีมีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า อุณหภูมิแหล่งความร้อนเพื่อหลีกเล่ียงโอกาสที่จะเกิด subcritical ORC R12 4136.1 111.97 Isentropic กระบวนการท่ีเปน็ Supercritical ORC ซึง่ สารท�ำงาน ทเ่ี ลือกใชข้ องท้งั 3 ระบบแสดงในตารางที่ 1 ทั้งนส้ี าร R152a 4516.8 113.26 Wet ทำ� งานทเ่ี ลอื กใชจ้ ำ� ลองในการศกึ ษานไ้ี มไ่ ดพ้ จิ ารณาถงึ ความเป็นอันตรายและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม RC318 2777.5 115.23 Dry หากแต่พิจารณาถึงสมรรถนะของระบบที่ได้จากการ จำ� ลองจากสารแตล่ ะชนดิ R124 3624.3 122.28 Isentropic 5. การตรวจสอบความถกู ตอ้ ง R236fa 3200 124.92 Dry ในการศึกษานี้เป็นการสร้างแบบจ�ำลองทาง RE245cb2 2886.4 133.66 Dry คณติ ศาสตรเ์ พอื่ หางานสทุ ธสิ งู สดุ และคา่ สมรรถนะของ โรงไฟฟ้า ดังน้ันเพ่ือให้แบบจ�ำลองที่สร้างขึ้นมีความ Isobutane 3629 134.66 Dry น่าเชื่อถือจึงมีการตรตรวจสอบความถูกต้องของแบบ จ�ำลอง โดยใช้ข้อมูลและผลการจ�ำลองของโรงไฟฟ้า R142b 4055 137.11 Isentropic ORC ของ J. Fischer [14] ซง่ึ ไดท้ �ำการจำ� ลอง ORC ท่ี เป็น Subcritical ORC และ Supercritical ORC และ R236ea 3420 139.29 Dry TLC โดยใช้สารท�ำงานในระบบ คือ Cyclopentane R114 3257 145.68 Isentropic R245fa 3651 154.01 Dry R125 3617.7 66.18 Isentropic supercritical ORC R218 2640 71.87 Isentropic R143a 3761 72.71 Wet R32 5782 78 Wet R1216 3149.5 85.78 Dry R1234yf 3382.2 95 Isentropic R1234ze 3634.9 109.36 Isentropic trilateral cycle (TLC) R236fa 3200 124.92 Dry R245fa 3651 154.01 Dry Isopentane 3378 187.2 Dry R141b 4212 204.35 Isentropic Cyclopentane 4571.2 238.12 Dry Heptane 2736 266.98 Dry

184 วารสารวชิ าการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 สำ� หรบั ระบบ Subcritical และ Supercritical ORC 6. หลักการและวิธกี ารวจิ ยั ส่วน TLC ใช้สารท�ำงานเป็นน้�ำ ได้ผลดังตารางท่ี 2 จะเหน็ วา่ โรงไฟฟา้ ทมี่ คี า่ ความคลาดเคลอื่ นมากทสี่ ดุ คอื ในการศึกษานี้ได้พิจารณาแหล่งความร้อนคือ Sคuลbาดcเrคitลicื่อaนl รOอ้ RยCละม4ีค.1่า9Vซo่งึluเกmดิ eจาFกlกoาwรใชR้โaปtรeแก(Vร3ม) ความร้อนใต้พิภพ ท่ีอยู่ในรูปของน้�ำร้อน โดยแหล่ง ค�ำนวณคุณสมบัติของสารท�ำงานต่างกัน จึงท�ำให้เกิด ความร้อนจะใช้อุณหภูมิ 100, 110 และ 120 องศา ความคลาดเคลื่อนดังกล่าว ท้ังน้ีความคลาดเคล่ือนท่ี เซลเซียส มีอัตราการไหล 1 กิโลกรัมต่อวินาที และ เกิดข้ึนมีค่าไม่เกินร้อยละ 5 ซ่ึงสามารถยอมรับได้ ข้อมูลที่จ�ำเป็นในการจ�ำลองของโรงไฟฟ้าทั้ง 3 แบบ จึงน�ำแบบจ�ำลองที่สร้างข้ึนไปใช้งานต่อเพ่ือจ�ำลอง แสดงในตารางที่ 3 เปรียบเทียบสมรรถนะของโรงไฟฟ้าทั้งสามแบบ ดังที่ ในการจ�ำลองได้ใช้โปรแกรม MATLAB และใช้ ไดก้ ลา่ วไว้ข้างตน้ ระเบยี บวธิ กี าร Golden Section Search Method เพอ่ื ห่าคา่ งานสุทธิสูงสุดในระบบ ORC และ TLC ทง้ั 3 แบบ ร่วมกับโปรแกรม NIST REFPROP เพื่อคำ� นวณ หาคุณสมบัติของสารท�ำงานท่ีจ�ำเป็นต่อการค�ำนวณ ค่าสมรรถนะของระบบ ซึ่งกระบวนการจ�ำลองแสดง ในรูปที่ 3 ตารางท่ี 2 ผลการตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำ� ลองเปรยี บเทียบกบั ผลจ�ำลองของ J. Fischer [14] Subcritical ORC Supercritical ORC TLC Parameters J. Fischer present % J. Fischer present % J. Fischer present % [14] study difference [14] study difference [14] study difference T1 (K) 358.15 358.35 0.06 358.15 358.35 0.06 358.15 358.15 0.00 T2a(K) 380.27 379.98 0.08 384.29 386.64 0.61 - - - T3(K) 489.00 489.19 0.04 529.00 529.00 0.00 590 T4(K) 396.41 396.03 0.10 401.00 404.04 0.76 589.99 0.00 T4a(K) 370.63 370.75 0.03 372.88 372.35 0.14 358.15 358.15 0.00 V3(l/s) 121.00 115.93 4.19 51.00 51.33 0.65 - V4(l/s) 1937.00 1967.10 1.55 1778.00 1799.60 1.21 7 - - T6(K) 408.70 407.12 0.39 394.29 394.35 0.02 7 0.00 T8(K) 348.15 349.03 0.25 348.94 348.94 0.00 4993 4993.4 0.01 ηth 0.1727 0.1709 1.04 0.1863 0.1864 0.05 370.53 370.47 0.02 348.15 348.15 0.00 ξ 0.8895 0.8725 1.91 0.844 0.8432 0.09 0.1979 0.1979 0.00 0.8732 0.8733 0.01 ξp 0.3316 0.3237 2.38 0.3782 0.3782 0.00 0.4435 0.4435 0.00

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 185 ตารางท่ี 3 เง่ือนไขควบคุมส�ำหรับค่าในการจำ� ลอง Parameter Symbol Value Hot water inlet T5 100-120 temperature (°C) Hot water mass flow rate m°hf 1 (kg/s) Hot water pressure (kPa) P5 300 Cooling water inlet T7 30 temperature (°C) Cooling water outlet T8 T7+10 temperature (°C) Cooling water pressure P7 300 (kPa) Pinch point temperature ∆Tpp 10 difference (K) Isentropic efficiency of ηi,pump 0.65 pump ηi,turb 0.85 Isentropic efficiency of turbine รูปท่ี 3 แผนผงั กระบวนการค�ำนวณคณิตศาสตร์

186 วารสารวชิ าการและวิจยั มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 7. ผลการศึกษาและอภิปรายผล ไม่มีแนวโน้ม ซึ่งหากพิจารณา ท่ีแหล่งความร้อน อณุ หภมู ิ 120องศาเซลเซยี ส เนอื่ งจากเหน็ ไดช้ ดั จะเหน็ 7.1 ผลการจ�ำลอง Subcritical ORC วา่ สารทำ� งานทมี่ ี Critical Temperature 101.75องศา เซลเซยี ส (R227ea), 115.23 องศาเซลเซยี ส (RC318), จากการจ�ำลองของระบบ Subcritical ORC 139.29 องศาเซลเซียส (R236ea), 133.66 องศา ซึ่งได้พิจารณาเลือกสารท�ำงานที่มีอุณหภูมิวิกฤตใกล้ เซลเซียส (RE245cb2) และ 154.01 องศาเซลเซียส เคียงและไม่ใกล้เคียงกับอุณหภูมิแหล่งความร้อนซ่ึงมี (R245fa) ซึ่งล้วนเป็นสารท�ำงานประเภท Dry Fluid อุณหภูมิในช่วง 85–154 องศาเซลเซียส มี 18 สาร (จากตารางท่ี 1) จะมคี า่ VFR สงู เม่อื สารท�ำงานที่ออก ทำ� งาน ดงั แสดงในตารางท่ี 1 จากผลการจำ� ลองพบว่า จากเครอื่ งกงั หนั สารท�ำงานจะยงั มีสถานะเปน็ ไอรอ้ น อณุ หภมู วิ กิ ฤตของสารทำ� งานมผี ลตอ่ การเปลยี่ นแปลง ยิ่งยวด (Superheated Vapor) ความหนาแน่นสาร ของงานสุทธิน้อย พิจารณาผลได้จากรูปท่ี 4 ก) โดย ทำ� งานจะมคี า่ นอ้ ย จงึ ทำ� ใหป้ รมิ าตรจำ� เพาะ (Specific เฉพาะอย่างย่ิงที่แหล่งความร้อนอุณหภูมิ 100 องศา Volume) มีค่ามาก ส่งผลให้เม่ือน�ำไปพิจารณาตาม เซลเซยี ส ค่างานสุทธิสูงสดุ ของแตล่ ะสารท�ำงาน คอ่ น สมการที่ (13) ท�ำให้อัตราส่วนการไหลเชิงปริมาตร ข้างคงที่ และจะเห็นได้ว่า เม่ือแหล่งความร้อนมี (VFR) มคี ่าสูงตาม ในขณะเดียวกนั จดุ ท่มี ี VFR น้อย อุณหภูมิสูงข้ึนการเปลี่ยนแปลงของงานสุทธิจะเห็น เช่น ท่ีอุณหภูมิวิกฤตของสารท�ำงานเท่ากับ 111.97 ได้ชัดเจนขึ้น ซ่ึงพบว่า สารท�ำงานท่ีให้งานสูงสุดที่ องศาเซลเซยี ส (R12), 113.26 องศาเซลเซยี ส (R152a), แหลง่ ความร้อนอณุ หภูมิ 100–110 องศาเซลเซยี ส คือ 122.28 องศาเซลเซยี ส (R124), 137.11 องศาเซลเซยี ส RC318 และที่ 120 องศาเซลเซยี ส คือ R227ea งาน (R142b), 145.68 องศาเซลเซยี ส (R114), ซึง่ เป็นสาร สุทธิสงู สุดทท่ี �ำได้คือ 4.78, 7.74 และ 11.85 กโิ ลวตั ต์ ท�ำงานประเภท Wet และ Isentropic Fluid ซึง่ สาร ตามล�ำดับ ท้ังน้ีค่าเฉลี่ยงานสุทธิของแต่ละอุณหภูมิ ท�ำงาน 2 ประเภทนี้ เม่ือสารทำ� งานออกจากกังหัน มี แหล่งความร้อนมีค่าเท่ากับ 4.56, 7.32 และ 10.81 โอกาสทจี่ ะเกดิ การกลนั่ ตวั หรอื เปน็ ของผสมระหวา่ งไอ กิโลวตั ต์ ตามลำ� ดับ กับของเหลว ท�ำให้มีความหนาแน่นสารท�ำงานสูงกว่า นอกจากนย้ี งั พบวา่ สารทำ� งานทม่ี อี ณุ ภมู วิ ฤิ ตสิ งู สารทม่ี สี ถานะไอรอ้ นยง่ิ ยวด จงึ สง่ ผลให้ VFR มคี า่ นอ้ ย ประสิทธิภาพทางความร้อนจะสูงตาม และยังพบว่า กวา่ สารทำ� งานประเภท Dry Fluid สารทำ� งานท่ีใหง้ านสทุ ธสิ งู จะส่งผลใหค้ ่า UA ในรปู ท่ี 4 ค) สงู ตาม สว่ นคา่ VFR ในรปู ท่ี 4 ง) คา่ มกี ารกระจาย

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 187 รปู ที่ 4 สมรรถนะของ subcritical ORC รูปที่ 5 สมรรถนะของ supercritical ORC เทียบกับอุณหภูมวิ กิ ฤตสิ ารท�ำงาน ก) net power เทยี บกับอุณหภูมิวกิ ฤติสารทำ� งาน ก) net power ข) efficiency ค) total UA และ ง) VFR ข) efficiency ค) total UA และ ง) VFR

188 วารสารวชิ าการและวิจยั มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 รูปที่ 6 สมรรถนะของ TLC เทยี บกบั อณุ หภูมวิ กิ ฤติ ทง้ั นจี้ ะเหน็ วา่ จดุ ทม่ี อี ณุ หภมู วิ ฤิ ตสิ งู สดุ 154.01 สารท�ำงาน ก) net power ข) efficiency องศาเซลเซียส คอื สาร R245fa มคี า่ งานสทุ ธิใกลเ้ คียง ค) total UA และ ง) VFR กับคา่ เฉล่ยี เทา่ กับ 4.62, 7.21 และ 10.58 กิโลวัตต์ ท่ี แหลง่ ความร้อนอุณหภูมิ 100, 110 และ 120 องศา เซลเซียส ตามล�ำดับ อีกท้ังประสิทธิภาพสูงเมื่อเทียบ กับสารอื่นๆ ดังแสดงในรูปท่ี 4 ข) และท่ีน่าสนใจคือ ค่า UA และ VFR ไม่สูงเม่ือเทียบกับสารอ่ืน ซ่ึงเป็น สารท�ำงานท่นี ่าสนใจ 7.2 ผลการจ�ำลอง Supercritical ORC สารทำ� งานทใ่ี ชใ้ นการจำ� ลองมี 6 ชนดิ มอี ณุ หภมู ิ วิกฤตของสารอยใู่ นชว่ ง 66–95องศาเซลเซียส จากผล การศกึ ษาแสดงในรปู ท่ี 5 ก) พบวา่ สารทำ� งาน ทใี่ หง้ าน สุทธิสูงสุด คือ R218 มีอุณหภูมิวิกฤตเท่ากับ 71.87 องศาเซลเซียส ท่ีแหล่งความร้อนอุณหภูมิ 100–110 องศาเซลเซยี ส ผลิตงานสุทธไิ ดส้ ูงสดุ เท่ากบั 5.64 และ 9.16 กิโลวตั ต์ ตามล�ำดบั สว่ นทีแ่ หล่งความร้อน 120 องศาเซลเซยี ส คอื R143a มอี ณุ หภมู วิ กิ ฤตเทา่ กบั 72.7 องศาเซลเซยี ส ไดง้ านสทุ ธสิ งู สดุ เทา่ กบั 12.88 กโิ ลวตั ต์ ทแี่ หล่งความร้อน 100, 110 และ 120 องศาเซลเซียส มีค่างานสุทธิเฉลี่ยเท่ากับ 5.03 8.74 และ 12.32 กิโลวัตต์ ตามลำ� ดบั และพบว่างานสุทธิจะมคี ่าสูงเมื่อ อณุ หภมู วิ กิ ฤตของสารทำ� งานตำ�่ กวา่ อณุ หภมู ขิ องแหลง่ ความร้อนในช่วง 30–50 องศาเซลเซียส เมื่อพิจารณา ทแี่ หลง่ ความรอ้ นอณุ หภมู ิ 120องศาเซลเซยี ส จะพบวา่ ที่อุณหภูมิวิกฤตสารท�ำงาน 66.18 องศาเซลเซียส (R125) และ 95 องศาเซลเซียส (R1234yf) ซ่ึงตำ�่ กวา่ อณุ หภมู แิ หลง่ ความรอ้ น 53.82 และ 25องศาเซลเซยี ส ตามลำ� ดบั จะพบวา่ งานสทุ ธทิ ไ่ี ดจ้ ะมคี า่ นอ้ ยเมอื่ เทยี บ กบั สารทำ� งานอน่ื และในรปู 5 ข) พบวา่ สารทำ� งานทใี่ ห้ งานสทุ ธสิ ูงส่วนใหญจ่ ะมีประสทิ ธภิ าพสงู นอกจากน้ี คา่ UA และ VFR ทแี่ สดงในรปู ที่ 5 ค) และ 5 ง) อณุ หภมู ิ วฤิ ตเิ ทา่ กบั 78องศาเซลเซียส คือ R32 เป็นสารท�ำงาน ท่ีน่าสนใจ เนื่องจาก มีค่า UA และ VFR ต่�ำอาจจะ ท�ำให้ต้นทุนหรือราคาอุปกรณ์ต�่ำเมื่อใช้กับแหล่ง

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 189 ความรอ้ น 110 องศาเซลเซยี ส ขนึ้ ไป แตใ่ หผ้ ลลพั ธไ์ มด่ ี VFR ตำ่� เช่น R1234ze มีอณุ หภูมแิ ละความดันวกิ ฤต ทง้ั ในสว่ นของงานสทุ ธแิ ละประสทิ ธภาพ เมอ่ื ใชท้ แี่ หลง่ 109.36 องศาเซลเซียส 3634.9 กิโลปาสคาล พบว่า ความรอ้ นอณุ หภมู ติ ำ�่ กว่า 110 องศาเซลเซียส มีความดันท่ีทางออกกังหันเท่ากับ 997 กิโลปาสคาล ทำ� ใหม้ คี า่ ปรมิ าตรจำ� เพาะตำ�่ กวา่ สารทำ� งาน Heptane 7.3 ผลการจำ� ลอง Trilateral Cycle (TLC) คา่ VFR จึงมคี ่าน้อยกว่า การใช้สารท�ำงาน Heptane นอกจากน้ีเมื่อ จากผลการจ�ำลองในระบบ TLC ใช้สารท�ำงาน ท�ำการเปรียบเทียบสมรรถนะของแต่ละโรงไฟฟ้าที่ได้ 7 ชนดิ มอี ณุ หภมู ใิ นชว่ ง 109–266องศาเซลเซยี ส พบวา่ ศึกษาจะพบว่า โรงไฟฟ้าที่ให้งานสุทธิสูงสุด ท่ีแหล่ง ยิ่งใช้สารท�ำงานท่ีมีอุณหภูมิวิกฤตสูงจะท�ำให้ได้งาน ความรอ้ นอณุ หภมู ิ 100, 110 และ 120องศาเซลเซยี ส สุทธแิ ละประสทิ ธภิ าพเพม่ิ สงู ขึ้น ดังแสดงในรปู ท่ี 6 ก) คอื ไรงไฟฟา้ TCL รองลงมาคือ Supercritical ORC และ 6 ข) ในการจำ� ลองโรงไฟฟา้ TLC สารทใ่ี หง้ านสทุ ธิ และน้อยสุดคือ Subcritical ORC ประสิทธิภาพ สูงสุดคือ Heptane มีอุณหภูมิวิกฤตเท่ากับ 266.98 โดยรวมของ โรงไฟฟ้า Subcritical ORC และ องศาเซลเซียส ท้ัง 3 แหลง่ อุณหภูมคิ วามร้อน ซึง่ มีคา่ Supercritical ORC มีค่าใกลเคียงกันเม่ือเทียบที่ เทา่ กบั 7.96, 12.27 และ 17.38 กิโลวัตต์ ตามลำ� ดบั แหล่งความรอ้ นอุณหภูมเิ ทา่ กนั ในขณะท่ี TLC จะให้ นอกจากนี้ยังพบว่าขนาดค่า UA มีค่าค่อนข้างคงที่ ประสิทธิภาพสูงสุด และเมื่อเทียบขนาดของอุปกรณ์ เม่ือใช้สารท�ำงานที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 125 องศา แลกเปลย่ี นความรอ้ นหรอื คา่ UA ของโรงไฟฟา้ แต่ละ เซลเซียส ของทงั้ 3 แหลง่ ความร้อน ดังแสดงในรูปที่ 6 ประเภทพบวา่ TLC มคี า่ มากสดุ เมอื่ เทยี บกบั อกี สองโรง ค) จากผลการศกึ ษาพบวา่ สารทำ� งานทม่ี อี ณุ หภมู วิ กิ ฤต ไฟฟ้า เนื่องจากกระบวนการภายในของโรงไฟฟา้ TLC ตั้งแต่ 125 องศาเซลเซียส ข้ึนไปมีศักยภาพในการลด จะเกดิ ปรากฏการณห์ รอื พฤตกิ รรมทเ่ี รยี กวา่ Thermal อุณหภูมิของแหลง่ ความรอ้ นได้ใกล้เคยี งกัน จงึ อาจจะ Match คือเส้นอุณหภูมิของแหล่งความร้อนอยู่ใกล้ เปน็ หน่งึ ในเหตผุ ลทีท่ �ำให้คา่ UA ของสารท�ำงานแต่ละ กับเส้นอุณหภูมิของสารท�ำงานตลอดทั้งเส้น ดังแสดง ชนดิ มคี ่าใกลเ้ คยี งกนั ในรปู ที่ 2 ค) ทำ� ให้ระบบมีความสามารถในการถ่ายเท จากผลการศึกษาของตัวแปรท่ีบ่งบอกถึงขนาด ความร้อนได้มากขึ้น ซึ่งหมายถึงอุปกรณ์แลกเปล่ียน ของกังหันคือ VFR พบว่าการใช้สารท�ำงานจ�ำลองใน ความร้อนจะมีขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกัน Thermal ระบบ TLC ทแ่ี หลง่ ความรอ้ น 100, 110 และ 120องศา Match เกิดในโรงไฟฟ้า Supercritical ORC ได้นอ้ ย เซลเซยี ส ย่ิงใช้สารท�ำงานท่ีมอี ณุ หภูมิวิกฤตสูงคา่ VFR กวา่ โรงไฟฟา้ TLC ดังแสดงในรปู ที่ 2 ข) และมีค่า UA จะเพม่ิ สงู ขนึ้ ตามโดยเฉพาะอยา่ งยง่ิ เมอ่ื ใช้สารท�ำงาน น้อยกว่าหรืออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจะมีขนาด ท่ีมีอุณหภูมิวิฤตสูงกว่า 200 องศาเซลเซียส จะพบว่า เล็กกว่า TLC และในโรงไฟฟา้ Subcritical ORC จะ ค่า VFR เพมิ่ สงู ขึ้นอยา่ งรวดเรว็ ดังแสดงในรปู ท่ี 6 ง) เกิด Thermal Match นอ้ ยสดุ เมอ่ื เทยี บกับ TLC และ พฤตกิ รรมดงั กลา่ วเกดิ จากสารทำ� งานทน่ี ำ� มาจำ� ลองทม่ี ี Supercritical ORC จงึ ทำ� ใหค้ า่ UA ของ Supercritical อณุ ภมู แิ ละความดนั วกิ ฤต 266.98องศาเซลเซยี ส 2736 ORC มคี า่ นอ้ ยสดุ ในจำ� นวนโรงไฟฟา้ ทไ่ี ดท้ ำ� การจำ� ลอง กโิ ลปาสคาล (Heptane) ซง่ึ มคี วามดนั การทำ� งานทท่ี าง จากทไี่ ดท้ ำ� การศกึ ษาเปรยี บเทยี บงานสงู สดุ และ ออกของกงั หนั เทา่ กบั 18.87 กโิ ลปาสคาล มคี า่ ตำ�่ กวา่ สมรรถนะของโรงไฟฟ้าแต่ละประเภทที่มีการใช้สาร ความดันบรรยากาศท�ำให้ค่าปริมาตรจ�ำเพาะของสาร ทำ� งานแตล่ ะชนดิ ในการศกึ ษานยี้ งั พบประเดน็ เพมิ่ เตมิ ท�ำงานเม่ือออกจากกังหัน จึงมีค่าสูงส่งผลให้ค่า VFR ของการเลือกสารท�ำงานท่ีใช้ในโรงไฟฟ้า Subcritical เพิ่มขึ้นอย่างมาก ท้ังน้ีเม่ือเปรียบเทียบกับสารที่มีค่า

190 วารสารวิชาการและวจิ ัย มทร.พระนคร ปีที่ 14 ฉบบั ท่ี 1 มกราคม-มถิ นุ ายน 2563 ORC เมอื่ ใชแ้ หล่งความรอ้ นอณุ หภมู ิ 100, 110 และ 8.1 Subcritical ORC 120 องศาเซลเซียส พบว่าสารท�ำงานประเภท Dry Fluid และ Isentropic Fluid ทีม่ ีความดันวกิ ฤตของ เมอื่ พจิ ารณาถงึ งานสทุ ธสิ งู สดุ พบวา่ สาร RC318 สารต่�ำ ส่วนใหญ่จะให้งานสุทธิสูง ดังแสดงในรูปที่ 7 เป็นสารที่นา่ สนใจ ซึง่ ในชว่ งแหลง่ ความร้อน 100 และ ทงั้ นป้ี จั จยั ในการเลอื กสารทำ� งานใหไ้ ดง้ านสทุ ธสิ งู สดุ มี 110 องศาเซลเซียส ให้งานสุทธิสูงสุดเท่ากับ 4.78 หลายปัจจัย ส�ำหรับการใช้ความดันวกิ ฤตและประเภท กิโลวตั ต์ 7.74 กโิ ลวัตต์ ตามล�ำดบั และที่ 120 องศา ของสารทำ� งานเปน็ เพยี งปจั จยั หนงึ่ ทพ่ี บจากการศกึ ษา เซลเซียส สารท่ีให้งานสูงสุด คือ R227ea เท่ากับ นี้ ซ่ึงยังต้องอาศัยอุณหภูมิวิกฤต และตัวแปรอ่ืนใน 11.85 กิโลวัตต์ ท้ังน้ีการเลือกสารท�ำงานท่ีใช้เกณฑ์ การเลือก เพ่ือให้ได้สารท�ำงานที่ให้งานสุทธิสูงสุดและ ท่ีว่าหากต้องการงานสุทธิสูงให้เลือกสารท�ำงานท่ีมี เหมาะสมกับอุณหภมู ขิ องแหล่งความรอ้ น อณุ หภมู วิ กิ ฤตของสารใกลก้ บั อณุ หภมู ขิ องแหลง่ ความ รอ้ น ซงึ่ อาจจะไมไ่ ดผ้ ลตอ่ ชว่ งอณุ หภมู แิ หลง่ ความรอ้ น รปู ท่ี 7 กราฟสัมพนั ธง์ านสุทธสิ ูงสดุ เทยี บกบั ความดัน ที่ 100–120 องศาเซลเซียส จากผลที่ได้พบว่าในช่วง วกิ ฤตของสารทำ� งาน อณุ หภูมแิ หล่งความร้อน 100–120 องศาเซลเซยี ส ไม่ ว่าอุณหภูมิวิกฤตของสารท�ำงานจะมากหรือน้อย งาน 8. สรุปผล สทุ ธสิ งู สดุ ทไ่ี ด้ของแตล่ ะสารต่างกนั ไมม่ าก โดยเฉพาะ ทแี่ หลง่ ความรอ้ น 100 องศาเซลเซยี ส นอกจากนสี้ าร ในการศึกษานี้ ได้ศึกษาโรงไฟฟ้า 3 ประเภท ทำ� งานทนี่ า่ สนใจสำ� หรบั Subcritical ORC คอื R245fa ไดแ้ ก่ Subcritical ORC, Supercritical ORC และ TLC เนอ่ื งจากมงี านสทุ ธิสงู มีขนาดของ UA และ VFR อยู่ เพอ่ื เปรยี บเทยี บงานสงู สดุ และสมรรถนะของโรงไฟฟา้ ในระดับกลาง อีกทั้งมีประสิทธิภาพทางความร้อนสูง แตล่ ะประเภท และมสี ารทำ� งานทใี่ ชจ้ ำ� ลองในการศกึ ษา ส�ำหรับการใช้งานในช่วงแหล่งความร้อนอุณหภูมิ นท้ี ้ังหมด 27 ชนดิ โดยใช้แหล่งความรอ้ นใต้พิภพเป็น 100–120 องศาเซลเซียส แหล่งพลังงาน ที่มีอณุ หภูมิ 100, 110 และ 120 องศา เซลเซียส มีอัตราการไหลเท่ากับ 1 กิโลกรัมต่อวินาที 8.2 Supercritical ORC จากผลการศกึ ษาสามารถสรุปผลได้ดังนี้ จากหลกั การเลอื กสารทำ� งานใหม้ อี ณุ หภมู วิ กิ ฤต ต�่ำกว่าแหล่งความร้อนในช่วง 30–50 องศาเซลเซียส ผลการจ�ำลองท่ีได้พบว่า สารท�ำงานให้งานสุทธิสูงใน ช่วงสารท�ำงานที่มีอุณหภูมิต่�ำกว่าอุณหภูมิของแหล่ง ความรอ้ นดงั ทกี่ ลา่ วไวข้ า้ งตน้ ซงึ่ สารทใี่ หง้ านสงู สดุ คอื R218 มีอุณหภูมวิ ิกฤต 71.87 องศาเซลเซียส ทีแ่ หล่ง ความร้อนอุณหภมู ิ 100–110 องศาเซลเซยี ส ผลติ งาน ได้สงู สดุ เทา่ กบั 5.64 และ 9.16 กิโลวตั ต์ ตามลำ� ดับ สว่ นแหลง่ ความรอ้ นท่ี 120องศาเซลเซยี ส คอื R143a มี อณุ หภมู วิ กิ ฤต 72.7องศาเซลเซยี ส ไดง้ านสงู สดุ เทา่ กบั 12.88 กิโลวตั ต์

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 191 8.3 Trilateral Cycle (TLC) (ORC) systems,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 22, จากผลการจำ� ลองพบวา่ ยงิ่ สารทำ� งานมอี ณุ หภมู ิ pp. 168–186, 2013. วิกฤตสูง งานสุทธิจะสูงข้ึนตาม ซ่ึงพบว่าสารท�ำงาน [3] Z. Guzovic, B. Majcen and S. Cvetkovic, heptane ให้งานสูงสุดทกุ แหลง่ ความร้อน มีค่าเทา่ กับ “Possibilities of electricity generation 7.96, 12.27 และ 17.38 กิโลวัตต์ ตามล�ำดับ ทงั้ นหี้ าก in the Republic of Croatia from medium- พิจารณาถึงค่าสมรรถนะอื่นๆ จะพบว่าประสิทธิภาพ temperature- geothermal sources,” และ ค่า UA เพมิ่ สงู ขึ้นตาม โดยเฉพาะอยา่ งยงิ่ VFR มี Applied Energy, vol. 98, pp. 404–414, คา่ สงู มากอาจจะทำ� ใหก้ งั หนั มขี นาดใหญม่ ากเมอ่ื เทยี บ 2010. กบั การใชส้ ารทำ� งานชนดิ อื่น [4] Z. Guzovic, D. Loncar and N. Ferdelji, “Possibilities of electricity generation in 8.4 การเลอื กสารทำ� งาน สำ� หรบั Subcritical the Republic of Croatia by means of ORC geothermal energy,” Energy, vol. 35, pp. 3429–3440, 2010. จากการจ�ำลองสารท�ำงานหลายชนิดพบว่า [5] M. Yari, “Performance analysis of the สารทำ� งานประเภท Dry Fluid และ Isentropic Fluid different organic Rankine cycles (ORCs) ทใ่ี ช้แหลง่ ความรอ้ นอณุ หภูมิ 100–120 องศาเซลเซยี ส using dry fluids,” International Journal สารท่ีมีความดันวิกฤตต�่ำโดยส่วนใหญ่จะให้งานสุทธิมี of Exergy, vol. 6, no. 3, pp. 323–342, 2009. ค่าสูง นอกจากน้ีการเลือกงานสุทธิสูงสุดอาจจะไม่ใช่ [6] M. Yari, “Exergetic analysis of various ทางเลือกท่ีเหมาะสม หากจะต้องพิจารณาคู่กับค่าอ่ืน types geothermal power plants,” ประกอบเชน่ คา่ UA ทบี่ ง่ บอกถงึ ขนาดของอปุ กรณแ์ ลก Renewable Energy, vol. 35, no. 1, เปล่ียนความรอ้ น และ VFR ทีบ่ อกถงึ ขนาดของกงั หัน pp. 112-121, 2010. ซงึ่ จะเกย่ี วขอ้ งกบั ราคาของอปุ กรณแ์ ละงบประมาณใน [7] K. Braimakis, M. Preißinger, D. Brüggemann, การลงทุน ที่จะต้องพิจารณาถึงความคุ้มค่าและระยะ S. Karellas and K. Panopoulos, “Low เวลาคืนทุน เป็นสงิ่ ทตี่ อ้ งค�ำนงึ ถึง ซึง่ ในงานวจิ ยั ถดั ไป grade waste heat recovery with subcritical จะได้น�ำไปศกึ ษาตอ่ and supercritical Organic Rankine Cycle based on natural refrigerants and their 9. เอกสารอา้ งอิง binary mixtures,” Energy, vol. 88, pp. 80–92, 2015. [1] K. Rahbar, S. Mahmoud, R.K. Al-Dadah, [8] C. Vetter, H. J. Wiemer and D. Kuhn, N. Moazami, and S.A. Mirhadizadeh, “Comparison of sub- and supercritical “Review of organic Rankine cycle for Organic Rankine Cycles for power small-scale applications,” Energy generation from low-temperature/low- Conversion and Management, vol. 134, enthalpy geothermal wells considering pp. 135–155, 2017. specific net power output and efficiency,” [2] S. Quoilin, M.V.D. Broek, S. Declaye, P. Dewallef and V. Lemort, “Techno- economic survey of Organic Rankine Cycle

192 วารสารวชิ าการและวิจัย มทร.พระนคร ปีท่ี 14 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถนุ ายน 2563 Applied Thermal Engineering, vol. 51, Engineering Journal, Vol. 33 no .6, 577 – no. 1-2, pp. 871–879, 2013. 586, Nov – Dec 2006. [9] D. Tiwari, A. Arora, N. A. Ansari and A. F. [12] C. He, C. Liu, H. Gao, H. Xie, Y. Li, S. Wu Sherwani, “Energy and Exergy Analysis and J. Xu, “The optimal evaporation of Organic Rankine Cycle Using Alternative temperature and working fluids for Working Fluids,” IOSR - Journal of subcritical organic Rankine cycle,” Energy, Mechanical and Civil Engineering, vol. 12, vol. 38, no. 1, pp. 136-143, 2012. no. 1, pp. 85-92, 2015. [13] J. Haervig, K. Sorensen and T.J. Condra, [10] N. Yamada, M. N. Mohamad and T. T. “Guidelines for optimal selection of Kien, “Study on thermal efficiency of low working fluid for an organic Rankine cycle to medium temperature organic Rankine in relation to waste heat recovery,” cycles using HFO - 1234yf,” Renewable Energy, vol. 96, pp. 592–602, 2016. Energy, vol. 41, pp. 368–375, 2012. [14] J. Fischer, “Comparison of trilateral cycles [11] C. Lertsatitthanakorn, “Development of and organic Rankine cycles,” Energy, geothermal energy in Thailand,” KKU vol. 36, no. 10, pp. 6208-6219, 2011.

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 193 http://journal.rmutp.ac.th/ The Development of Waste Heat Energy Conversion Device to Generate Electricity through Thermoelectric Generator (TEG) Apply to LPG Cookstove Ditthaphat Tanpradit* Division of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Krungthep 2, Nang Lin Chee Road, Thungmahamek, Sathorn, Bangkok, Thailand 10120 Received 28 November 2019; Revised 13 May 2020; Accepted 18 May 2020 Abstract This research aims to develop the waste heat energy conversion device to generate electricity through a thermoelectric generator (TEG) which is called “CHEU. This device is applied to the LPG cookstove that serves as a waste heat source. The thermoelectric generator with 4 modules in series connection is used to convert heat energy to electricity. The present research shows a modification of the CHEU based on two concepts as follows: (1) re-design the structure for heat transfer improvement, and (2) select the high capability of TEG to support a high temperature from a heat source as a result of (1). In this study, the modified CHEU is called “MCHEU”. A heat-load condition is set as the gas pressure of LPG, which varies in a range of 0.1 - 0.6 kg/cm2, and the throttle valve is fixed approximately at 40% of a fully opened throttle, while the air entrainment is fully opened throttle. Also, the water-cooling system is used for heat dissipation. Base on the performance evaluation of MCHEU, the interesting results are drawn as follows: 1) the maximum temperature difference is on an average value of 278.5oC at a maximum heat load condition, while a maximum voltage, current, and power are on an average value of 18.83 V, 5.67 A, and 107 W, respectively. 2) The temperature difference of MCHEU is higher than that of CHEU with an average value of 50%. 3) The output power obtained by MCHEU is higher than that of CHEU with an average value of 52% and takes less time about 40% for fully charging a battery (12V 7.5Ah). Nevertheless, MCHEU usage does not affect the thermal efficiency of a cookstove. 4) The efficiency of an energy conversion obtained by MCHEU is 20%, which is higher than that of CHEU about 2%. Keywords: Thermoelectric; Energy Conversion; Waste Heat Energy * Corresponding Author. Tel.: +668 8368 0368, E-mail Address: [email protected]

194 วารสารวิชาการและวิจัย มทร.พระนคร ปที ี่ 14 ฉบับท่ี 1 มกราคม-มถิ ุนายน 2563 1. Introduction divided into two categories. Firstly, the waste heat recovery is used for increasing The domestic cooking stove is still the efficiency of a furnace or gas stove necessarily used for cooking food that [5], [6]. Secondly, the waste heat energy is is the one-fourth factor for human life. converted to electricity through a device Typically, there are many utilizations for that is called the thermoelectric generator using the cookstove namely households, (TEG). D. Champier et al. [7] studied the food businesses or food industries, etc. thermoelectric power generation from The liquefied petroleum gas or LPG biomass cookstoves. The results showed served as a fuel is used for many domestic that the water-cooling system provided cookstoves. According to the information higher efficiency than air-cooled units. on the energy consumption of LPG gas In addition, the biomass burner could from 2010-2018 [1], [2], the LPG usage produce approximately 7 W of power, of continuously increased. Now, it is the which 1 watt supplies power to electronic third-highest used fuel beside diesel and devices. The remainder was charged into gasoline. As a result, the price of LPG the battery for a 2 W LED bulb of the increases yearly in Thailand. In general, lighting system, and 1 watt of a fan to the efficiency of LPG cookstove is just feed the air into the furnace to increase only in a range of 20–50% [3], and the combustion efficiency. R. Sakdanuphab rest is the heat loss into the surrounding. and A. Sakulkalavek [8] studied the These energy losses are a high proportion design of a waste heat recovery unit with when compared with the useful energy. a thermoelectric generator. The purpose Hence, it is an important problem of this paper was to study the influence for researchers who are interested in of high temperature and the volume of improving the efficiency of a gas stove water on the power generation and water with a friendly environment. temperature. The results showed that the To obtain high efficiency and high temperature was more significant energy saving, the gas stove has been than the volume of water. The efficiency continuously developed by many of the WHR was higher than 80% due to researchers. Until now, the efficiency the improvement of the thermal contact of the cooking stove is about 50–70% between the heat exchanger tube and the [4]-[6]. Unfortunately, the development aluminum block. It also showed that the of cookstove is limited by some reasons thermal efficiency was reduced by 5% such as heat flow characteristics around when the WHR installed. A. Montecucco the hot side and the cold side of the et al. [9] studied the use of 4 thermoelectric TEG. Therefore, the waste heat recovery modules with Bi2Te3 material that were (WHR) is additionally considered as a applied to the solid fuel furnace for way to improve efficiency. The WHR is

RMUTP Research Journal, Vol. 14, No. 1, January-June 2020 195 charging batteries. The results showed the electrical load was applied to a 12 V, that the heat power of 600 W could be 7 W of LED lamp at a gas pressure of converted to the electric power by 27 W 0.3 kg/cm2, the temperature difference of for a 2-hour combustion period, and the thermoelectric was about 135oC which thermoelectric efficiency was about 5 could operate the LED lamp. percent. M.J. Deasy et al. [10] studied In the literature review above, the electricity production from a biomass thermoelectric generator was mostly stove with a Bi2Te3 thermoelectric used for a biomass stove. However, so module using the Maximum Power Point far there have been few studies of using Tracking (MPPT) control system and the TEG for a household gas stove, which passive liquid cooling thermosyphon. The is mainly used for the food industry. results showed that the maximum power Therefore, this research focuses on the output from a biomass stove integrated improvement of a waste heat energy with a thermoelectric was approximately conversion device to generate electricity 5.8 W. The electricity was stable at through the TEG applied to a household the condition of 5 V via USB port for gas stove, which the KB-5 cookstove is charging mobile phones, light bulbs, and used without any modification. In this an electrical energy storage device. Also, study, the waste heat energy conversion the result met the average power output device of S. Hemhiran and D. Tanpradit that was higher than 4 W and this was [11] is adopted. The structure of the enough to charge low-power electrical device is modified by re-design for an devices. S. Hemhiran and D. Tanpradit expected rate of heat transfer enhancement [11] studied the production of electricity to obtain effective conversion into from waste heat of the gas stove using a electrical power. The present study thermoelectric generator. The condition not only investigates the characteristic at gas pressure was in a range of 0.1 of the modified CHEU (MCHEU) but to 0.6 kg/cm2 and the air entrainment also compares energy results with those was kept constant throughout the test. obtained from the original CHEU. The results showed that the maximum power output was approximately 53.3 2. Research Methodology W at the gas pressure of 0.6 kg/cm2, with the high and low temperature of the This section explains research thermoelectric at 250.5oC and 65.5oC methodology and the basic of respectively. The efficiency of the TEG thermoelectric, principle, mathematical and the conversion efficiency were 5.3% model, materials and experimental setup and 18% respectively. In addition, when and procedure, which are in the sub- section, are introduced as follows: