การพัฒนาเครื่องอบแห้งท่อเทอร์โมไซฟอนแบบผสมผสานความร้อน (สุริยงค์ ประชาเขียว,2560)

รายงานฉบบั สมบูรณ์ การพฒั นาเครื่องอบแห้งท่อเทอร์โมไซฟอนแบบผสมผสานความร้อน Development of drying using Thermosyphon hybrid Energy สุริยงค์ ประชาเขยี ว กนกพงษ์ ศรีเทย่ี ง เจษฎา คงช่ืน ณฐมน ทรัพย์บุญโต งานวจิ ัยนีไ้ ด้รับการสนับสนุนทุนวจิ ัย จากงบประมาณแผ่นดนิ วช. ประจาปี 2560 มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลล้านนา เชียงราย

กติ ตกิ รรมประกาศ คณะผู้วิจัยขอขอบคุณ ทุนอุดหนุนการวิจัยจากงบประมาณแผ่นดิน วช. งบประมาณ ประจาปี 2560 ท่ีสนับสนุนทุนวิจยั และขอบคุณมหาวทิ ยาลัยเทคโนโลยรี าชมงคลล้านนา เชียงราย ท่ี สนับสนุนสถานท่ี เคร่ืองมอื การวจิ ัยใหส้ าเร็จลุลว่ งไปดว้ ยดี ขอบคุณคณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคล ล้านนา เชียงราย ที่ให้การช่วยเหลือในด้านสถานที่และอุปกรณ์เคร่ืองมือในการเก็บข้อมูลให้สาเร็จ ลุล่วงไปด้วยดี ผู้วิจัยหวังว่ารายงานนี้จะเป็นประโยชน์ต่อองค์กร เกษตรกรผู้ที่สนใจ สาหรับการใช้ อบแห้งผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรและสามารถประยุกต์ใช้หรือปรับใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ สามารถนามาใช้ในการแปรรูปผลผลิตทางการเกษตร ผู้วิจัยหวังว่างานวิจัยชิ้นนี้จะสามารถต่อยอด ให้กับเกษตรท่ีมคี วามสนใจและหันมาใช้พลงั งานทมี่ ีให้เกิดประโยชน์สงู สุดต่อไป คณะทางานวิจัย

ช่อื เรือ่ ง การพฒั นาเคร่อื งอบแห้งท่อเทอรโ์ มไซฟอนแบบผสมผสานความร้อน ชอ่ื ผู้วจิ ยั นายสุรยิ งค์ ประชาเขยี ว กนกพงษ์ ศรเี ท่ยี ง แหล่งทุน เจษฎา คงชื่น ปีงบประมาณ ณฐมน ทรัพยบ์ ุญโต งบประมาณแผน่ ดนิ (วช.) 2560 บทคัดย่อ งานวจิ ัยนจี้ ึงทาการศึกษาการพัฒนาระบบผสมผสานการใช้ท่อเทอร์โมไซฟอนแบบผสมผสาน ความร้อน โดยได้ใช้ท่อเทอร์โมไซฟอนจานวน 5 ท่อ พร้อมสารสารทางาน R404a ที่ปริมาตร 20% ความจุท่อความร้อน พร้อมทั้งติดตั้งระบบโซล่าร์เซลล์ สาหรับใช้ให้พลังงานไฟฟ้าในระบบฮีตเตอร์ ขนาด 600 วัตต์ ขนาดเครอื่ งอบแห้ง ขนาดสงู 1.0 m กว้าง 1.0 m 4 ช้ัน แตล่ ะช่นั ห่างกัน 0.2 m ทา การเก็บขอ้ มลู เชงิ ความร้อนของตอู้ บแห้ง ทกุ ๆ 30 นาที เป็นเวลา 24 ช่ัวโมง เพื่อหาอัตราการอบแห้ง ผลิตภณั ฑ์ขงิ และลาไย ผลทดสอบพบว่าท่อความร้อนมีอุณหภูมิที่ปลายท่อความร้อนเฉล่ีย 62.90 องศาเซลเซียส อุณหภูมิภายนอกท่อเฉล่ียเท่ากับ 60.20 องศาเซลเซียส จากการทดสอบภายในตู้อบแห้งพบว่า อุณหภมู ิการทดสอบทีค่ า่ เฉลีย่ 59.05 องศาเซลเซยี ส อุณภมู ิสูงสุด 68.80 องศาเซียส เม่ือเก็บตัวอย่าง มาทดสอบก่อนและหลังจากการอบแห้งพบว่าความช้ืนท่ีสะสมลดลง โดยมีความช้ืนหลังจากอบแห้ง ตัวอย่างขิงเฉลี่ย 11.07 % มีอัตราการลดลงร้อยละ 3.32 % ต่อช่ัวโมง ตัวอย่างลาไย(เฉพาะเนื้อ) ความชื้นลดลงเฉล่ีย 12.22 % มีอัตราการลดลงร้อยละ 2.21 % ต่อชั่วโมง และทั้งลูกของลาไยลดลง เหลือ 8.66 % มีอัตราการลดลงร้อยละ 2.31 % ต่อช่ัวโมง ซ่ึงมีความช้ืนก่อนการอบแห้ง 90.92% 74.88 % และ 64.25% ตามลาดับ รวมค่าใช้จ่ายในการลงทุนทั้งหมด 35,530 บาท เปรียบเทียบกับ เครอื่ งอบแห้งเชิงพาณชิ ยพ์ บว่ามีตน้ ทนุ ทถ่ี กู กว่า 9,470 บาท โดยมีผลตอบแทนรายปีจากปริมาณการ ลดการใช้พลังงานไฟฟ้าลงได้ทั้งหมดประมาณ 5,148 บาท/ปี (อ้างอิงท่ีราคาขายไฟฟ้าราคา 3 บาท/ หนว่ ย) PBP จะมรี ะยะคนื ทุนเท่ากับ 6.90 ปี คาสาคญั : ท่อความร้อนฮตี ไปป์ (Heat pipe), โซลารเ์ ซลล์ (Solar cell), ต้อู บแห้ง (Oven dry)

Subject Development of drying using Thermosyphon hybrid Energy Author Mr. Suriyong Prachakiew Mr. Kanokpong Srithiang Mr. Jessada kongchuen Mrs Nathamon Supbunto Scholarship National Research Council of Thailand (NRCT) Year 2017 Abstract This research Study Development of drying using Thermosyphon hybrid Energy Using the thermosyphon with 5 of R404a working fluid volume at 20%. The solar cell system. For use in the 600-watt heater. Oven dry Size is 1x1x1 m divided into 4 layers, Test Heat storage of the dryer every 30 minutes for 24 hours. the drying rate of ginger and longan products. The results heat pipe has an average heat pipe temperature of 62.90oC and outside temperature is 60.20 oC , Test Oven dry result temperature average at 59.05 oC and Maximum temperature 68.80 oC, Samples were tested before and after drying the moisture accumulated decline. Result After drying, the moisture content of ginger averaged 11.07% , rate dropped 3.32% per hour. Longan (Longan meat) decreased an average of 12.22%, rate dropped 2.21% per hour and Longan decreased an average of 8.66%, rate dropped 2.31% per hour. The moisture content before drying was 90.92%, 74.88% and 64.25%, respectively. Average cost 35,530 baht, compare In the industry Costs are down at 9,470 baht, The annual returns by reducing the power consumption About 5,148 baht / year. Payback period: 6.90 years (PBP). Keyword: Heat pipe, Solar cell, Oven dry

สารบัญ หนา้ บทท่ี 1-1 1-6 1. บทนา 1-7 1.1 ท่มี าและความสาคัญ 1-7 1.2 วัตถปุ ระสงค์ของโครงการวจิ ัย 1-8 1.3 ขอบเขตของโครงการวจิ ยั 1.4 วธิ กี ารดาเนินการวจิ ยั และแผนการดาเนนิ งาน 2-1 1.5 ประโยชนท์ ค่ี าดวา่ จะได้รับ 2-12 2-22 2. ทฤษฎแี ละงานวจิ ัยที่เกย่ี วข้อง 2-23 2.1 ทฤษฎีการอบแห้ง 2-25 2.2 ท่อความร้อน (Heat pipe) 2-26 2.3 การดึงของเหลวกลับ (Entrainment) 2-26 2.4 การถ่ายเทความร้อนและความแตกตา่ งอุณหภมู ใิ นท่อความรอ้ น 2-27 2.5 อุณหภูมแิ ตกต่างทีผ่ ิวสัมผสั ของเหลว – ไอ 2-28 2.6 การนาความร้อนของวัสดพุ รนุ 2-29 2.7 การถา่ ยเทความร้อนในสว่ นควบแนน่ 2-30 2.8 ขดี จากัดในการถ่ายเทความร้อน 2-33 2.9 ทอ่ ความรอ้ นทีม่ แี รงโน้มถว่ งเสริม 2-35 2.10 ท่อบรรจุความร้อน 2-39 2.11 การควบแนน่ (Condensation) 2.12 การระเหย (Boiling) 3-1 2.13 สมการแบบแอมไพริกัล สาหรับคานวณสมั ประสิทธ์กิ ารพาความร้อน 3-3 2.14 งานวิจยั ท่เี กีย่ วข้อง 3. อปุ กรณ์และข้นั ตอนการดาเนนิ งานวจิ ัย 3.1 วิธกี ารดาเนินการวจิ ัย 3.2 อปุ กรณท์ ี่ใชใ้ นการทดลอง

สารบญั หนา้ บทที่ 4-1 4-1 4. ผลการทดลองและการวเิ คราะห์ผล 4-5 4.1 การทดสอบด้านความร้อนของต้อู บแหง้ 4-10 4.2 การทดสอบความช้ืน 4-12 4.3 ผลการเปรียบเทยี บกอ่ นอบแห้งและหลังอบแหง้ 4.4 วเิ คราะหท์ างด้านเศรษฐศาสตร์ 5-1 5-1 5. สรุปผลการทดลองและข้อเสนอแนะ 5-2 5.1 วเิ คราะหผ์ ลการทดสอบ 5.2 ข้อเสนอแนะ

สารบัญตาราง ตารางที่ หนา้ 2.1 สภาพการอุ้มความช้ืนภายในวตั ถดุ ิบเปยี ก 2-7 2.2 ตารางแนะนาการใชส้ ารทางาน 2-15 2.3 Conversion factor สาหรับเปลี่ยนหนว่ ยระหว่างหน่วย SI และหนว่ ยอังกฤษ 2-36 2.4 แสดงคา่ ของ B และ C ท่ใี ช้ในสมการ 2-36 2.5 แสดงความสามารถในการนาความรอ้ นของวัตถุชนิดตา่ ง ๆ 2-37 2.6 เครอื่ งอบประเภทต่างๆ 2-38 3.1 ระยะเวลาทาการวจิ ยั และแผนการดาเนนิ งานตลอดโครงการวิจยั 3-2 4.1 การทดสอบอุณหภูมิตู้อบแหง้ 4-2 4.2 ทดสอบความชน้ื ขิงก่อนการอบแห้ง 4-5 4.3 ทดสอบความชนื้ ลาใยก่อนการอบแหง้ (เฉพาะเนื้อลาใย) 4-6 4.4 ทดสอบความชนื้ ลาไยก่อนการอบแหง้ (ทั้งของลกู ลาใย) 4-7 4.5 ทดสอบความชน้ื ขิงหลงั การอบแห้ง 4-7 4.6 ทดสอบความช้นื ลาใยหลงั การอบแห้ง (เฉพาะเน้ือลาใย) 4-8 4.7 ทดสอบความช้ืนลาไยหลังการอบแห้ง (ทั้งลูกลาใย) 4-9 4.8 ราคาอปุ กรณห์ ลักในการสร้างเคร่อื งอบแหง้ 4-14

สารบญั รปู รูปท่ี หนา้ 1.1 การใชพ้ ลังงานเทียบเทา่ น้ามันดิบ 1-2 1.2 ความต้องการใช้พลงั งานไฟฟ้าย้อนหลงั 10 ปี 1-3 1.3 คาดการณ์ความต้องการใชพ้ ลังงานไฟฟา้ 2557-2573 1-3 1.4 การใชพ้ ลงั งานทดแทนในปัจจุบัน 1-4 1.5 ส่วนต่าง ๆ และการทา้ งานของทอ่ ความร้อน 1-5 1.6 แบบจ้าลองตู้อบชาเขียว 1-6 2.1 การส่งถา่ ยความรอ้ นโดยการนา้ 2-1 2.2 ความสมั พันธร์ ะหว่างพลังงานการแผร่ งั สีกบั ความยาวคลื่นท่อี ุณหภูมสิ องคา่ 2-3 2.3 แสดงการเปล่ยี นแปลงของอตั ราความชนื กบั อุณหภูมขิ องวตั ถุดิบ 2-6 2.4 การลดลงของความชืนวัสดุ 2-9 2.5 การอบแห้งวสั ดจุ ากสิง่ มชี วี ติ ในชว่ งอตั ราการอบแหง้ ลดลงและคงที่ 2-12 2.6 ท่อความร้อน 2-12 2.7 ทอ่ ความร้อนแบ่งออกไดส้ าม 2-13 2.8 โครงสร้างของท่อความร้อน 2-14 2.9 วสั ดุพรุนลกั ษณะต่างๆ 2-15 2.10 ท่อความร้อนแบบสัน่ โคง้ 2-18 2.11 วสั ดพุ รนุ และตัวแปรชอ่ งว่างในสว่ นท้าระเหยและสว่ นควบแน่น 2-21 2.12 การกระจายความเรว็ ในท่อหนา้ ตดั กลมในการไหลแบบราบเรยี บและปั่นป่วน 2-21 2.13 การก่อตัวของฟองอากาศจากผวิ ให้ความร้อน 2-25 2.14 ผลของอณุ หภูมทิ ่ีมตี อ่ สมรรถนะต่อท่อความร้อนท่ีมมุ เอียงตา่ งๆ 2-29 2.15 แสดงทอ่ ความร้อนทท่ี า้ จากทอ่ ทองแดงและสแตนเลส 2-30 2.16 ระบบผลิตนา้ รอ้ นแสงอาทิตย์ทใ่ี ช้หลังคาลอนโลหะเป็นตวั เก็บรงั สี 2-42 2.17 ชุดทดสอบระบายความรอ้ นของระบบท่อร้อน 2-43 2.18 การประยุกต์ใชท้ ่อความร้อนรว่ มกับตวั รบั รงั สอี าทิตย์ 2-43 2.19 ทอ่ ความรอ้ นของสารท้างาน 2-44 3.1 ทอ่ ความรอ้ นฮีตไปป์ 3-3 3.2 ต้อู บแห้งสแตนเลส 3-4

สารบญั รปู หนา้ รูปท่ี 3-4 3-5 3.3 ชนั วางภายในตูอ้ บแหง้ 3-6 3.4 เคร่ืองวดั ความชนื ร่นุ AND MX-50 3-6 3.5 เครือ่ งวดั คา่ ความเข้มของรงั สี 3-7 3.6 เตาเผากา๊ ซชีวมวล 3-7 3.7 เครื่องควบคมุ อุณหภูมิ 3-8 3.8 เครือ่ งควบคุมการใช้พลงั งาน 3-8 3.9 เครื่องวัดการใช้พลังงาน 3-9 3.10 อปุ กรณท่ีใชใ้ นการแปลงพลงั งาน 3-10 3.11 แผงโซลารเ์ ซลล์ 3-10 3.12 ขิงกอ่ นการอบแห้ง 4-1 3.13 ล้าใยก่อนการอบแห้ง 4-2 4.1 ทอ่ ความร้อนภายนอกตู้อบแหง้ 4-5 4.2 ความรอ้ นทอ่ ภายในต้อู บแหง้ 4-8 4.3 คา่ เฉล่ียช่วงอณุ หภมู ขิ องต้อู บแห้งทงั 4 ชนั 4-9 4.4 ค่าเฉลยี่ ความชืนของขงิ หลงั จากอบแหง้ 4-10 4.5 คา่ ความชืนลา้ ใยหลังการอบแหง้ (เฉพาะเนอื ล้าใย) 4-11 4.6 ค่าความชืนลา้ ใยหลงั การอบแหง้ (ทงั ลูกลา้ ใย) 4-11 4.7 ความชืนหลงั จากผา่ นการอบแห้ง 4.8 ความชืนก่อนการอบแหง้



บทที่ 1 บทนำ 1.1 ทม่ี ำและควำมสำคัญ การใช้พลังงานในปัจจุบันมีแนวโน้มเพ่ิมมากขึ้นทุกวันๆไม่ว่าจะเป็นพลังงานความร้อน พลังงาน เชื้อเพลิง พลังงานไฟฟ้า เป็นต้นนักวิจัยในสาขาต่าง ๆ ล้วนได้ทาการศึกษาเพ่ือตอบสนองและแก้ไข ปัญหาทางด้านพลังงานที่เกิดขึ้น เช่น หาแหล่งพลังงานทดแทนให้เพียงพอกับความต้องการ รวมไปถึง คิดค้นหรือสร้างระบบในการใช้และประหยัดพลังงานด้านต่าง ๆ ปัจจุบันการประหยัดพลังงานเป็นอีกวิธี หนึ่งทภ่ี าคอุตสาหกรรมตอ้ งหนั มาให้ความสนใจ การประหยดั พลังงานก็คือการประหยัดเช้ือเพลิงอีกท้ังยัง ไม่ทาให้เกิดมลพิษอีกความร้อนท่ีเหลือจากการใช้ประโยชน์จากส่วนห นึ่งสามารถนาไปใช้อีกท่ีหนึ่งได้ แทนท่ีจะปล่อยไปโดยสูญเปล่าซ่ึงถ้าคิดความสูญเสียเป็นตัวเลขแล้วสูงมากการนาเอาความร้อนกลับมาใช้ ประโยชน์ได้ [1] การหาแหล่งพลังงานอ่ืนมาทดแทนเชือ้ เพลงิ ฟอสซิล และการใชอ้ ยา่ งมีประสิทธิภาพเป็น แนวทางหนึง่ ในการแกป้ ญั หาทเี่ กิดข้ึน เนื่องจากประเทศไทยเปน็ ประเทศเกษตรกรรมและมีเศษวัสดุเหลือ ใชจ้ ากการเกษตรมากมาย เช่น แกลบ ฟางขา้ ว ชานออ้ ย กะลามะพร้าว ทะลายปาล์ม ฯลฯ ซึ่งเป็นแหล่ง พลังงานทดแทนหรือพลังงานหมุนเวียน (renewable energy)สามารถนามาเผาไหม้ให้ความร้อนได้ โดยตรง แต่ประสิทธิภาพของการเผาไหม้ต่า เน่ืองจากมีการสูญเสียความร้อนจากเตามาก จึงได้มีการ พัฒนาเทคโนโลยีการเปลี่ยนรูปเช้ือเพลิงแข็งให้อยู่ในรูปแก๊สเชื้อเพลิง (Producer gas)โดยการเผาไหม้ เชื้อเพลงิ แขง็ ในที่จากดั อากาศ ซึง่ เรียกวา่ กระบวนการ Gasification โดยสามารถเปล่ียนเชื้อเพลิงแข็งเป็น แก๊สได้ร้อยละ 50-70 ซึ่งสามารถนาโปรดิวเซอร์แก๊สไปใช้ได้ตามความต้องการ เช่น เพื่อการอบแห้งหรือ สาหรับทดแทนแก๊สหงุ ต้มในครวั เรอื นเพอ่ื ลดคา่ ใช้จ่ายด้านพลงั งานครัวเรอื น เปน็ ต้น [2] ปี 2558 ไตรมาสแรกประเทศไทยมีการนาเข้าพลังงาน คิดเป็นมูลค่ากว่า 202,648 ล้านบาท โดย นาเข้าน้ามันดิบมากที่สุด โดยการใช้พลังงานขั้นสุดท้ายเพิ่มขึ้นทุกสาขาเศรษฐกิจ โดยพบว่า สาขา เกษตรกรรม1,029 พันตันเทียบเท่าน้ามันดิบ สาขาอุตสาหกรรม 7,041 พันตันเทียบเท่าน้ามันดิบ สาขาบ้านอยู่อาศัย 2,980 พันตันเทียบเท่าน้ามันดิบ สาขาธุรกิจการค้า 1,424 พันตันเทียบเท่าน้ามันดิบ และสาขาขนส่ง 7,247 พันตันเทียบเท่าน้ามันดิบเพิ่มขึ้นจากช่วงเดียวกันของปีก่อน ร้อยละ 3.9 0.2 4.2 4.0 และ 8.2 ตามลาดับ โดยสาขาขนส่งมีการใช้พลังงานในสัดส่วนท่ีสูงกว่าสาขาอ่ืน โดยมีสัดส่วนการใช้ ร้อยละ 36.8 ของการใช้พลังงานขั้นสุดท้ายทั้งหมด รองลงมาเป็นสาขาอุตสาหกรรม บ้านอยู่อาศัยธุรกิจ การคา้ และเกษตรกรรม โดยมีการใช้ ร้อยละ 35.7 15.1 7.2 และ 5.2 ตามลาดับ[1-2]

ห น้ า | 1-2 การขยายตัวอย่างรวดเร็วทางภาคเศรษฐกจิ และอตุ สาหกรรมรวมทง้ั การเพ่มิ จานวนประชากร อย่างต่อเนือ่ ง ทาใหค้ วามตอ้ งการพลังงานภายในประเทศสูงขน้ึ โดยตลอดในชว่ งทศวรรษทีผ่ ่านมาอตั รา การใช้พลงั งานในประเทศไทยเพม่ิ ข้นึ โดยเฉลย่ี ร้อยละ 13 ต่อปี และมีแนวโน้มว่าจะยงั คงเพม่ิ ข้นึ ต่อไปใน อัตราสงู ดว้ ยเหตทุ ่ีความตอ้ งการใชพ้ ลังงานเพิ่มข้นึ อย่างรวดเรว็ ประกอบกบั แหลง่ พลังงานภายในประเทศ มีจากดั จึงจาต้องอาศัยการนาเขา้ พลงั งาน ทาใหส้ ัดสว่ นการพึง่ พาจากตา่ งประเทศสูงกว่ารอ้ ยละ 60 รูปท่ี 1.1 การใชพ้ ลงั งานเทียบเทา่ น้ามนั ดบิ จากขอ้ มูลการใชพ้ ลงั งานในปัจจบุ ันมีแนวโน้มเพ่ิมมากข้ึนทุกวันๆ ไม่ว่าจะเป็นพลังงานความร้อน พลังงานเชื้อเพลิงพลังงานไฟฟ้า [3] พลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ให้เกิดประโยชน์ให้มากท่ีสุด ท้ังในรูปของ พลังงานความร้อนโดยตรงหรือการเปล่ียนรูปให้เป็นพลังงานไฟฟ้า การนาพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ ประโยชนน์ ้นั แบ่งไดเ้ ปน็ สองกลุม่ ใหญค่ อื การใช้ประโยชน์ในรูปของพลังงานความร้อน และพลังงานไฟฟ้า [4]

ห น้ า | 1-3 รูปท่ี 1.2 ความต้องการใชพ้ ลังงานไฟฟ้าย้อนหลงั 10 ปี รปู ท่ี 1.3 คาดการณค์ วามต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า 2557-2573

ห น้ า | 1-4 จาการท่ีรัฐบาลมีนโยบายส่งเสริมการใชพ้ ลังงานทดแทนท่ีผลติ ไดภ้ ายในประเทศ ประกอบดว้ ย พลังงานแสงอาทติ ย์ พลงั งานลม พลงั งานน้า ชวี มวล ก๊าซชวี ภาพ ขยะ และเช้ือเพลิงชวี ภาพ โดยมีการ ปรบั ปรุงแผนการพฒั นาและส่งเสรมิ การใช้พลงั งานทดแทน 15 ปี เปน็ แผนการพฒั นาพลงั งานทดแทน พลังงานทางเลอื ก 25 % ใน 10 ปี 2555 - 2564 เพ่อื ผลกั ดนั ให้มกี ารใช้พลงั งานทดแทนเพม่ิ ขน้ึ ดังรูปท่ี 1.4 สดั สว่ นการผลติ พลงั งาน รปู ที่ 1.4 การใช้พลังงานทดแทนในปจั จบุ นั การหาแหล่งพลังงานอ่ืนมาทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล และการใช้อย่างมีประสิทธิภาพเป็น แนวทางหนงึ่ ในการแกป้ ญั หาที่เกิดขนึ้ เน่ืองจากประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมและมีเศษวัสดุเหลือ ใช้จากการเกษตรมากมาย เช่น แกลบ ฟางข้าว ชานอ้อย กะลามะพร้าว ทะลายปาล์ม ฯลฯ ดังนั้นใน งานวิจัยน้ีจึงได้เลือกแกลบเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานทดแทนหรือพลังงานหมุนเวียน (renewable energy) สามารถนามาเผาไหม้ให้ความร้อนได้โดยตรง แต่ประสิทธิภาพของการเผาไหม้ต่า เนื่องจากมีการสญู เสียความรอ้ นจากเตามาก จงึ ไดม้ กี ารพฒั นาเทคโนโลยีการเปล่ียนรูปเช้ือเพลิงแข็งให้อยู่ ในรูปแก๊สเชื้อเพลิง (Producer gas) โดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงแข็งในที่จากัดอากาศ ซึ่งเรียกว่า กระบวนการ Gasification โดยสามารถเปลี่ยนเช้ือเพลิงแข็งเป็นแก๊สได้ร้อยละ 50-70 ซ่ึงสามารถนา โปรดวิ เซอรแ์ ก๊สไปใชไ้ ด้ตามความต้องการ เชน่ เพ่ือการอบแห้งหรือสาหรับทดแทนแก๊สหุงต้มในครัวเรือน เพอื่ ลดค่าใชจ้ ่ายด้านพลังงานครวั เรือน เปน็ ต้น [2]

ห น้ า | 1-5 ท่อเทอรโ์ มไซฟอนเป็นแนวทางหนึ่ง สาหรับประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมแลกเปลี่ยนความร้อน เน่ืองจากท่อเทอร์โมไซฟอน (Heat pipe) เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน การนาความร้อนของท่อ เทอรโ์ มไซฟอนมคี วามสามารถ ในการนาความร้อนสูง สามารถประยุกต์การใช้งานได้หลากหลาย ท่อเทอร์ โมไซฟอนเปน็ เทคโนโลยีสมยั ใหมท่ ส่ี ามารถถา่ ยเทความร้อนด้วยอตั ราท่ีสงู โดยอาศัยหลักการระเหยและควบแน่นของสารเมื่อส่วนทาระเหยบริเวณส่วนล่างของระบบท่อ เทอร์โมไซฟอนได้รับความร้อน สารทางานซึ่งปกติจะอยู่ในสภาวะของเหลวจะรับความร้อนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงจุดหนึ่งจะระเหยกลายเป็นไอทาให้เกิดแรงดันไอให้ลอยข้ึนไป ผ่านส่วนกันความร้อนจนกระท่ัง ไปสูส่ ว่ นกลนั่ ตวั ซึง่ สารทางานจะมกี ารควบแน่นกลายเป็นของเหลว โดยกระบวนการคายความร้อนออก เม่ือมีปริมาณมากขึ้นจะเกิดการรวมตัวกันและไหลกลับลงมาท่ีส่วนทาระเหยอีกครั้งโดยอาศัยหลักการของ แรงโน้มถ่วงของโลก เพอื่ เตรยี มรบั ความร้อนใหม่เป็นวฏั จักรไปเร่ือยๆ[3-5] รูปที่ 1.5 สว่ นต่าง ๆ และการทางานของท่อความร้อน [5-7] เทคโนโลยีการการอบแห้งไดม้ ีการวจิ ยั และพฒั นาเพิ่มข้ึนมากในปัจจุบัน ซ่ึงพบว่าได้มีการเลือกใช้ แหล่งพลังงานทีเ่ หมาะสมมาใช้ในกระบวนการอบแห้ง เพ่ือเป็นทางเลือกหนึ่งสาหรับผู้ประกอบการในการ เลือกใช้ และลดต้นทุนค่าใช้จ่ายสาหรับกระบวนการผลิต โดยยังคงรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไว้ได้นาน (สมชาติ โสภณรณฤทธิ์, 2540) สาหรับกระบวนการอบแห้งนั้นสามารถทาได้โดยใช้แหล่งกาเนิดพลังงาน หลายชนิด และใช้เทคนิคการอบแห้งได้หลายอย่าง อาทิเช่น การอบแห้งแบบฟลูอิไดเซชัน (Tirawanichakul, 2004;Soponronnarit et al., 2005; ศิรประภา คลังทองและคณะ,2549) การ อบแห้งแบบความดันต่ากว่าบรรยากาศ การอบแห้งด้วยลมร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ (Bala & Janjai,

ห น้ า | 1-6 2009) การเร่งกระบวนการอบแห้งด้วยสนามไฟฟ้า (Tirawanichakul, et al.,2007) การอบแห้งด้วยรังสี ใต้แดง (Tirawanichakul et al., 2008) การอบแห้งด้วยคล่ืนไมโครเวฟ (Tulasidas et al., 1995; Varith et al., 2009) การอบแห้งด้วยความร้อนจากชีวมวล รวมถึงวิธีการตากแห้ง เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ยังคง ใช้กันอยู่ในหลายประเทศ รวมท้ังประเทศไทย โดยใช้พลังงานความร้อนจากแสงแดด จึงเป็นวิธีที่มี ค่าใช้จ่ายน้อยท่ีสุด แต่เป็นวิธีท่ีมีความเสี่ยงต่อความเสียหายท่ีจะเกิดขึ้นจากการแปรปรวนของ สภาพ อากาศและยากต่อ การควบคุมให้มีความสะอาดถูกสุขลักษณะ ใช้เวลาท้ังหมดประมาณ 3-4 วัน ข้ึนกับ ชนิดของผลไม้ ขนาดช้ิน และอณุ หภูมิ ขอ้ เสียของวิธีการนี้ทเ่ี หน็ ได้ชดั เจนคือ เป็นการอบแห้งอย่างช้าๆ ไม่ สามารถทาให้ความชื้นลดลงเกินกว่า 15-20 % โดยส่วนใหญ่มีปัญหาการอบแห้งในช่วงกลางคืนท่ีไม่มี แสงแดด และปริมาณความร้อนไม่เพียงพอต่อการอบแห้ง เป็นต้น ซ่ึงแต่ละวิธีการจะมีอัตราการ เปลย่ี นแปลงความชืน้ เรว็ ช้าต่างกัน และมคี า่ ต้นทุนสูงและกระบวนการซบั ซ้อน ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงทาการศึกษาความเป็นไปได้ในการพัฒนาระบบผสมผสานการใช้ท่อเทอร์โม ไซฟอนร่วมกับระบบโซล่าร์เซลล์ โดยได้ใช้ท่อเทอร์โมไซฟอนจานวน 5 ท่อ พร้อมสารสารทางาน R404a ทีป่ ริมาตร 20% ความจุท่อความร้อน และติดตั้งระบบโซล่าร์เซลล์ สาหรับใช้ให้พลังงานไฟฟ้าแก่ Heater pate ท่ีชั้นล่างของตู้อบแห้ง ซ่ึงโซลาร์เซลล์จะมีการเก็บพลังงานไฟฟ้ามาสาหรับใช้ในตอนกลางวันและ กลางคืน เพื่อเพ่ิมประสิทธิภาพทางความร้อนและประสิทธิ์ภาพทางด้านความร้อนของระบบอบแห้ง ซึ่ง กลุ่มเกษตรกรมีผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรที่หลากหลาย เช่น ขิงอบแห้ง ลาใยอบแห้ง และผลิตภัณฑ์ ทางการเกษตรอ่ืนๆ พบว่ายังมีปัญหาในการอบแห้งผลิตภัณฑ์ โดยเกษตรกรอาศัยวิธีการตากแห้ง และ เคร่ืองอบแห้งไฟฟ้า ซ่ึงอันหลังทาให้มีต้นทุนในพลังงานไฟฟ้าค่อนข้างสูง อีกท่ังยังมีปัญหาการอบแห้ง ในช่วงฤดฝู น ทาให้ผลิตสนิ ค้าไมท่ ันตอ่ การจาหน่าย ผู้วิจัยจึงทาการออกแบบและสร้างตู้อบแห้งสาหรับใช้ ในชุมชน โดยใช้เทคโนโลยีสะอาด ประหยัดพลังงานให้ความร้อนในการอบแห้งได้อย่างรวดเร็วและมี ประสิทธิภาพ ให้แก่กลุ่มแม่บ้านเกษตรกรตาบลสันติสุข ซ่ึงเป็นการร่วมมือกับชุมชนในท้องถิ่นในการ พัฒนาคุณภาพชีวิตทีด่ ี 1.2 วตั ถปุ ระสงคข์ องโครงกำรวจิ ัย 1. เพื่อศึกษาพัฒนาเคร่ืองอบแห้งท่อเทอร์โมไซฟอนแบบผสมผสานความรอ้ น 2. เพื่อศึกษาประสิทธภิ าพเคร่ืองอบแห้งท่อเทอรโ์ มไซฟอนแบบผสมผสานความรอ้ น 3. เพื่อเปรียบเทียบวิเคราะห์ข้อมูลทางด้านตน้ ทุนและเศรษฐศาสตร์

ห น้ า | 1-7 1.3 ขอบเขตของโครงกำรวิจัย 1. ศกึ ษาการอบแห้งผลติ ภัณฑท์ างการเกษตรได้แก่ ลาไย ขงิ เพ่ือเปรยี บเทยี บประสทิ ธิภาพการลด ความช้นื ในผลิตภณั ฑ์ 2. ศึกษาประสิทธภิ าพเชิงพลังงานความร้อนของเคร่ืองอบแห้งทอ่ เทอร์โมไซฟอนแบบผสมผสาน 3. ประเมนิ ราคาตน้ ทนุ ของระบบ เปรียบเทียบเทคโนโลยีปจั จุบนั และแบบท่ีมกี ารพฒั นา 1.4 วธิ กี ำรดำเนินกำรวจิ ัย 1. ทาการศกึ ษาทฤษฏแี ละงานวิจยั ทเ่ี กี่ยวขอ้ ง 2. ทาการออกแบบสรา้ งเครื่องอบแหง้ และวเิ คราะหร์ ะบบท่อเทอรโ์ มไซฟอน 3. สร้างอปุ กรณเ์ ครื่องอบแหง้ และตดิ ตง้ั อปุ กรณแ์ ลกเปลย่ี นท่อเทอรโ์ มไซฟอนผสมผสาน - ขนาดเคร่อื งอบแห้ง ขนาดสูง 1.0 m กวา้ ง 1.0 m 4 ชั้น แตล่ ะชั่นห่างกนั 0.2 m - ท่อเทอร์โมไซฟอนทองแดงยาว 2.0 m เส้นผ่าศูนย์กลาง 0.015 m แผงโซลาร์เซลล์ อนิ เวอร์เตอร์ สาหรบั แปลงกระแสไฟฟ้าฮตี เตอรส์ าหรับการใชง้ านจากระบบโซลารเ์ ซลล์ 4. ปรับปรงุ ระบบและทาการเกบ็ ข้อมลู สมรรถนะเชงิ ความรอ้ นสาหรบั การอบแหง้ - เก็บความชื้นก่อนเข้าอบแห้งและหลังอบแห้ง โดยใช้เคร่ือง AND MX-50 ในการวัดแต่ละ คร้ังนั้น จะวัดท้ังหมด 4 ชั้น 24 ช่ัวโมง โดย แล้วบันทึกค่าความช้ืนเป็นเปอร์เซ็นต์ ความช้นื ที่ลดลง - ทาการเก็บวัดอุณหภูมิ โดยใช้เครื่องวัดความร้อนแบบ data loger 4 ช่อง เพื่อวัด อุณหภูมทิ งั้ ภายในตอู้ บแห้งและอณุ หภมู ิสิง่ แวดล้อมทุกๆ 30 นาที - วดั ปริมาณกระแสไฟฟ้า ความดนั ไฟฟา้ และพลงั งานที่ป้อนเขา้ ไปในระบบ 5. วิเคราะหค์ วามเหมาะสมของระบบอบแห้งวัตถุดบิ ทางการเกษตร - ทดสอบประสิทธิภาพทางการอบแห้งลาไยและขิง เพ่ือหาประสิทธิภาพการลดลงของ ความชืน้ และระยะเวลาในการอบแห้ง - วิเคราะหต์ ้นทุน และวิเคราะห์ขอ้ มูลเศรษฐศาสตร์ - เปรยี บเทียบระบบที่ทาการพัฒนาและระบบแบบดังเดมิ 6. เผยแพร่ใหก้ บั ความร้กู ารอบแห้ง แกเ่ กษตร กลุ่มแปรรูปทางการเกษตรกร - ผลิตภัณฑข์ องเกษตรกรกลุ่มแม่บ้านตาบลสนั ตสิ ขุ 7. เผยแพร่เทคโนโลยีและร่วมประชมุ สมั นาทางวิชาการ 8. รายงานฉบบั สมบรู ณ์

ห น้ า | 1-8 1.5 ระยะเวลำทำกำรวิจัย และแผนกำรดำเนินงำนตลอดโครงกำรวิจยั ข้นั ตอน (1 ต.ค. พ.ศ. 2556 – 30 ก.ย. พ.ศ.2557) 12 เดือน 1.ทาการศกึ ษาทฤษฏีและงานวิจยั ท่ีเก่ยี วขอ้ ง 2. ทาการออกแบบเครื่องอบแห้งและวิเคราะห์ ระบบทอ่ ความรอ้ น 3. ทดสอบสารทางานและมุมเอียง ท่ีเหมาะสม สาหรับการแลกเปล่ียนความร้อนของท่อความ ร้อน 4. สร้างอุปกรณ์เคร่ืองอบแห้งและติดตั้งอุปกรณ์ แลกเปล่ียนท่อความร้อนผสมผสานจากก๊าชชีว มวล 5. ปรับปรุงระบบและทาการเก็บข้อมูลสมรรถนะ เชงิ ความรอ้ นสาหรับการอบแห้ง 6. วิเคราะห์ความเหมาะสมของระบบอบแห้ง วตั ถุดิบทางการเกษตร 7. วเิ คราะหค์ วามเป็นไปได้ทางด้านเศรษฐศาสตร์ 8. สรุปผลการทดสอบ 9. เผยแพร่เทคโนโลยีและร่วมประชุมสัมนาทาง วิชาการ 10.รายงานฉบับสมบรู ณ์ 1.6 ประโยชนท์ ีค่ ำดว่ำจะได้รบั 1. ไดเ้ คร่อื งอบแห้งท่อเทอรโ์ มไซฟอนแบบผสมผสานความร้อน 2. ทราบถึงประสิทธิภาพและความร้อนของเครื่องอบแห้งแห้งท่อเทอร์โมไซฟอนแบบผสมผสาน สาหรับการอบแหง้ ผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรลาไย และขงิ อบแหง้ 3. สามารถนาเผยแพร่ผลงานตีพิมพ์ทางวิชาการหรืองานประชุมวิชาการในระดับชาติ 1 เรื่อง และถา่ ยทอดสูช่ ุมชนท่ีมคี วามตอ้ งการในการใช้เครื่องอบแหง้

บทที่ 2 ทฤษฏีและงานวิจัยทีเ่ กีย่ วข้อง 2.1 ทฤษฎีการอบแห้ง 2.1.1 การถ่ายเทความรอ้ น (Heat transfer) [8] กระบวนการส่งผ่านความร้อนมี 3 วิธี คือ การนาความร้อน (conduction) การพาความร้อน (convection)และการแผ่รังสี (radiation) กล่าวโดยย่อ การนาความร้อนเกิดข้ึนภายในวัตถุหรือระหว่าง วัตถุ 2 ชนิดท่ีมาสัมผัสกัน การพาความร้อนข้ึนอยู่กับการเคลื่อนท่ีของมวลสาร จากบริเวณหน่ึงไปอีก บริเวณหน่ึง และการแผ่รังสีความร้อนคือการส่งผ่านความร้อนโดยการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า โดยไม่ต้อง อาศัยตวั กลาง 1) การนาความรอ้ น (Heat conduction) ในกระบวนการนี้ ความร้อนจะถูกส่งถ่ายระหว่างระบบสองระบบโดยผ่านตัวกลางที่เช่ือม ระหว่าง ระบบ ตัวกลางที่กล่าวนี้อาจเป็นวัตถุเกร็งหรือของเหลวที่ไม่มีการไหล ในรูปที่ 10.8 ใช้แท่ง วัตถุเกร็ง ขนาดสม่าเสมอเป็นตัวกลางเช่ือมระหว่างระบบที่มีอุณหภูมิต่างกัน กาหนดให้อุณหภูมิ T2มากกว่า T1 ระบบในลักษณะน้ีจะเกิดการถ่ายเทความร้อนผ่านตัวกลางจากตาแหน่งท่ีมีอุณหภูมิสูงไป ยังตาแหน่งท่ีมี อณุ หภมู ิตา่ รูปท่ี 2.1 การสง่ ถ่ายความรอ้ นโดยการนา

ห น้ า | 2-2 จากการทดลองพบว่า หลังจากสภาวะคงตัว ถ้า T2 และ T1 ไม่แตกต่างกัน มากนัก อุณหภูมิจะ เปล่ียนแปลงแบบเชิงเส้นตามความยาวของแท่งวัตถุ ในกรณีท่ีการไหลของ ความร้อนในแท่งวัตถุอยู่ใน สภาวะคงตัว ความร้อน Q ท่ีผ่านพื้นที่หน้าตัดของแท่งวัตถุในช่วงเวลา t ใด ๆ จะมีค่าเหมือนกันหมด ตลอดทั้งแทง่ วตั ถุ ซ่งึ ภายใตเ้ ง่อื นไขสถานะคงตวั พลงั งานจะถกู สง่ ผ่าน ตัวกลางโดยไม่มีส่วนใดของตัวกลาง มีพลังงานเพ่ิมขึ้นหรอื สูญเสยี ไป Qcond  KA dT (2.1) dx กาหนดให้ Q คอื ค่าการนาความร้อน W K คือ สัมประสทิ ธ์ิการนาความร้อน มีหนว่ ยเปน็ W/(m.K) A คือ พน้ื ท่ีผวิ ของวตั ถุ มหี น่วยเปน็ m² dT คอื ผลตา่ งอุณหภมู ิ oC dx คือ ความหนาของวสั ดุ m 2) การพาความร้อน (Convection) การพาความร้อนเกดิ ขนึ้ ในสสารหรือตัวกลางท่ีเปน็ ของไหล โดยการเคล่อื นที่ของมวลของของไหล จากที่หน่ึงไปยังอีกท่ีหนึ่ง ตัวอย่างที่คุ้นเคยในชีวิตประจาวันได้แก่ การทางานของเครื่องทาความเย็น ภายในบ้านหรือในรถยนต์ และการไหลของโลหิตในร่างกายการที่เรารู้สึกร้อนเมื่อเอามือไปอังเตาไฟ เพราะว่าอากาศที่อยู่เหนอื เตาไฟไดร้ ับความร้อน ทาให้มีการขยายตวั แล้วความหนาแน่นลดลง อากาศร้อน นี้จึงลอยตัวสูงขึ้น (ตามหลักของการลอยตัว) โมเลกุลของอากาศที่ได้รับความร้อนและลอยตัวสูงขึ้นน้ีจะ “พา” ความรอ้ นไปดว้ ย เม่อื มันมากระทบมือกจ็ ะถ่ายเทความร้อนให้แก่มือ ทาให้รู้สึกร้อนถ้าการเคลื่อนท่ี ของของไหลเกิดขึ้นโดยถูกบังคับ เช่นใช้เครื่องเป่าหรือป๊ัม จะเรียกว่า การพาความร้อนอย่างไม่อิสระ (forced convection) ถ้าการเคล่ือนที่ของของไหลเกิดจากผลต่างของความหนาแน่นเน่ืองจากการ ขยายตัวตามความร้อนจะเรียกว่า natural convection หรือ การพาความร้อนอย่างอิสระ (free convection) การพาความร้อนอย่างอิสระในอากาศเป็นสิ่งสาคัญท่ีกาหนดสภาพอากาศในแต่ละวัน การ พาความร้อนในมหาสมุทรมีความสาคัญต่อกระบวนการส่งผ่านความร้อนของโลก ในร่างกายเราตัวการ สาคัญในการควบคุมอุณหภูมิของร่างกายคือการไหลเวียนของเลือด ซ่ึงถือเป็นการพาความร้อนอย่างไม่ อสิ ระ โดยหวั ใจเปน็ ตัวฉีดเลอื ดใหม้ ีการเคลือ่ นท่อี ยูต่ ลอด

ห น้ า | 2-3 Qconv  hA(Ts  T ) (2.2) กาหนดให้ h = สัมประสิทธ์กิ ารพาความรอ้ น heat transfer coefficient ท่ี ผิวสมั ผสั ระหว่างของไหลกับวัตถุ (W/m2oC) 2 A = พน้ื ท่ีผวิ ของวัตถทุ สี่ มั ผัสกับของไหล (m ) Ts = อณุ หภมู ิของผิววัตถุ (K) T= อณุ หภมู ิของของไหลท่ีอยหู่ ่างออกไปจากผวิ หรืออุณหภูมิส่วนตน้ ของของไหล (K) 3) การแผ่รังสี (Radiation) การแผ่รังสีเป็นวิธีการส่งผ่านความร้อนโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) เช่น การแผ่รังสีของแสงท่ีตามองเห็น รังสีอินฟราเรด หรือ รังสีอัลตราไวโอเลต เราได้รับความอุ่นจากรังสีจาก ดวงอาทิตย์และความร้อนจากถ่านท่ีกาลังครุกรุ่นอยูใ่ นกองไฟ ความรอ้ นจากส่ิงเหล่านี้เคลื่อนท่ีมาถึงตัวเรา โดยมากไม่ได้เกิดจากการนาหรือการพาความร้อน แต่เกิดจากการแผ่รังสี การแผ่รังสีเกิดได้โดยไม่ต้อง อาศัยตัวกลาง นั่นคือสามารถถูกส่งผ่านบริเวณท่ีเป็นสุญญากาศได้ (หรืออาจพูดได้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เปน็ ตัวกลางในการส่งผา่ นความรอ้ น) วตั ถทุ ุกชนดิ (ท่ีมอี ุณหภูมสิ งู กวา่ 0K ) จะแผ่รังสี (คายพลังงานในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ออกมา ในทกุ ชว่ งความยาวคล่ืน แต่จะมีความยาวคล่ืนค่าหนึ่งท่ีพลังงานถูกแผ่ออกมามากท่ีสุด เรียกว่า max ซึ่ง ความยาวคล่นื น้จี ะขนึ้ กับอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิของวัตถุเพิ่มขึ้น ความยาวคลื่น max จะลดลง เช่นที่ 800 oCวัตถุอาจจะแผ่รังสีช่วงสีแดงออกมา ทาให้เห็นวัตถุเป็นสีแดงร้อน (red-hot) ท่ี 3,000 oC วัตถุอาจ กลายเป็นสีขาวที่ร้อน (whitehot)ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของพลังงานท่ีคายออกมากับความยาว คล่นื และอณุ หภมู ิของวตั ถจุ ะเป็นดังรปู ท่ี 2.2 รูปท่ี 2.2 ความสมั พันธ์ระหว่างพลังงานการแผร่ งั สกี บั ความยาวคลนื่ ทอี่ ุณหภูมสิ องค่า

ห น้ า | 2-4 กลไกอนั ท่ีสามของกระบวนการถ่ายเทความร้อนได้แก่ การแผ่รังสี วัตถุทุกชนิดจะแผ่รังสีใน ภาพ ของคล่นื แม่เหลก็ ไฟฟ้า ตัวอยา่ งเชน่ เหล็กท่ีถูกเผา หรือไส้ของหลอดไฟฟ้า อัตราการแผ่รังสีของ วัตถุเป็น สัดสว่ นโดยตรงกับกาลังส่ีของอณุ หภูมิสมั บูรณ์ ตามกฎของสเตฟาน Stefan Boltzmann (Stefan’s law) Qrad   AT 4 (2.3) กาหนดให้ Qrad = กาลงั ในการแผ่รงั สขี องวัตถุ มีหน่วยเป็น W หรอื J/s  = คา่ คงท่สี ตีฟาน-โบลทซม์ นั น์ stefan-Boltzmann constant A (5.669x10-8 W/m2.K4)  = พื้นที่ผวิ ของวตั ถุ มหี นว่ ยเป็น m² T = คา่ คงท่ีของการแผ่รังสี (Emissivity) มีค่าอยู่ระหวา่ ง 0 ถงึ 1 ทง้ั นี้ ขึน้ กบั สมบตั ิของพื้นผิว = อุณหภมู สิ มั บูรณ์ 2.1.2 การอบแห้ง (Drying) [9] คือ การเอาน้าออกจากวัสดุท่ีต้องการทาให้ปริมาณน้าในวัสดุน้ันลดลง (ความชื้นลดลง) โดยส่วน ใหญ่วัสดุน้ันจะอยู่ในสถานะของแข็ง น้าที่ระเหยออกจากวัสดุนั้นอาจจะไม่ต้องระเหยที่จุดเดือดแต่ใช้ อากาศพดั ผา่ นวัสดุน้นั เพอ่ื ดึงน้าออกมา วัสดุจะแห้งได้มาก-น้อยจะข้ึนอยู่กับธรรมชาติของมันด้วย ในการ อบ เม่ือทาให้ของเหลวในวัตถุดิบระเหยเป็นไอ จะได้ผลิตภัณฑ์ของแข็งท่ีมีสัดส่วนของของเหลวต่าลง ซึ่ง นอกจากจะมีกรณีที่วัตถุดิบมีสภาพเป็นของแข็งท่ีเปียกชื้นแล้ว ยังมีกรณีที่อบของเหลวข้น(slurry) หรือ ของเหลวใสเพ่อื ให้ได้ผลติ ภัณฑ์ผงอีกด้วย เคร่อื งอบโดยมากมกั จะเป็นส่วนสุดท้ายของกระบวนการผลิต โดยผลิตภัณฑ์ท่ีอบแล้วจะกลายเป็น ผลิตภัณฑ์สาเร็จทันที ดังน้ัน การอบไม่สม่าเสมอ เช่น ไม่แห้งหรือแห้งเกินไป และรูปร่างของผลิตภัณฑ์ เชน่ วตั ถุดบิ เปน็ ก้อน รวมท้ังปรมิ าณผลได้ (yield) จึงเป็นส่งิ ที่ตอ้ งใหค้ วามสนใจ นอกจากนี้ความร้อนแฝง ของการระเหยของของเหลวจะมีค่าสูง การอบจึงสิ้นเปลืองพลังงานมาก การจัดการพลังงานความร้อนจึง เป็นปัญหาท่ีสาคัญการอบแห้ง คือ กระบวนการท่ีความร้อนถูกถ่ายเทด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งไปยังวัสดุที่มี ความชื้นเพื่อไล่ความช้ืนออกโดยการระเหย โดยอาศัยความร้อนท่ีได้รับเป็นความร้อนแฝงของการระเหย โดยท่ัวไปปริมาณน้า ที่มีอยู่ในรูปของอัตราส่วนเทียบกับมวลวัสดุนิยมบอกในรูปเปอร์เซ็นต์ (%) ซึ่ง สามารถแยกไดเ้ ปน็ 2 แบบ คือ

ห น้ า | 2-5 1. ความชนื้ มาตรฐานเปียก, Mw (Wet basis) จะใชน้ ้าหนกั ของวสั ดุช้ืน (ก่อนการทาการไลค่ วามช้นื ออก)เปน็ มาตรฐานของการคานวณ () (2.4) 2. ความช้ืน มาตรฐานแห้ง, Md (Dry Basis) ในกระบวนการอบแห้ง นา้ หนักของวัสดเุ ปลย่ี นแปลงตลอดเวลา เพ่อื ความสะดวกจะใชน้ ้าหนกั ของ วัสดุแหง้ เปน็ มาตรฐานการคานวณ () (2.5) เม่ือ Mw หมายถึง ความช้ืน มาตรฐานเปียก, % Md หมายถึง ความช้ืน มาตรฐานแหง้ , % W หมายถึง นา้ หนักสดของวสั ดุ กิโลกรมั d หมายถึง นา้ หนักของวสั ดแุ หง้ (ไม่มีความชื้น ), กโิ ลกรัม 2. อตั ราเรว็ ในการอบกับเสน้ กราฟแสดงสมบัตกิ ารอบ เม่ือนาวัตถดุ บิ ท่จี ะอบซ่ึงเปียกช้ืนอย่างเพียงพอถึงผิวหน้ามาแขวนไว้ในกระแสลมร้อน แล้วติดตาม ตรวจวัดอัตราความช้ืนกับอุณหภูมิของวัตถุดิบนั้น โดยท่ัวไปจะได้ผลลัพธ์ดังรูปที่ 3.34 ซึ่งกลไกการอบ สามารถแบ่งได้เป็น 3 ระยะท่ีมีลักษณะแตกต่างกัน กล่าวคือ (a) ช่วงอุ่นวัตถุดิบ (b) ช่วงอบด้วยอัตราเร็ว คงท่ี (c) ชว่ งอบด้วยอตั ราเร็วลดลง a. ช่วงอุ่นวัตถุดิบช่วง a เป็นช่วงที่อุณหภูมิของวัตถุดิบจะค่อยๆ เพ่ิมข้ึนจากอุณหภูมิตั้งต้น (อณุ หภมู หิ อ้ ง) จนถึงอุณหภูมิสมดุลที่ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการอบ เรียกว่า ช่วงอุ่นวัตถุดิบ ในกรณี ที่วัตถุดิบได้รับความร้อนด้วยการพาความร้อนโดยลมร้อน อุณหภูมิสมดุลน้ีจะมีค่าเท่ากับ อณุ หภูมกิ ระเปาะแห้งของลมร้อนน้นั b. ช่วงอบด้วยอัตราเร็วคงที่ในช่วง b วัตถุดิบจะมีอุณหภูมิคงที่ ปริมาณความร้อนท้ังหมดท่ีได้รับ จะถูกใช้ไปในการระเหยความช้ืนเท่าน้ัน ชั้นของการระเหยจะเกิดที่ผิวหน้าของวัตถุดิบโดย อัตราเร็วในการอบจะมีค่าคงที่ ช่วงนี้เรียกว่า ช่วงอบด้วยอัตราเร็วคงท่ี ซ่ึงจะดาเนินไปตราบ

ห น้ า | 2-6 เทา่ ทม่ี คี วามชนื้ อสิ ระใหร้ ะเหยอยู่ท่ีผิวหน้าของวัตถุดิบ โดยอัตราความช้ืนของวัตถุดิบจะลดลง ด้วยอัตราเรว็ คงท่ี c. ช่วงอบด้วยอัตราเร็วลดลงเม่ืออบไปเร่ือยๆ จนปริมาณความชื้นที่ผิวหน้าวัตถุดิบแห้งลง และ ความชื้นภายในเนื้อวัตถุดิบเริ่มลดลง ความช้ืนอิสระภายในตัววัตถุดิบจะซึมข้ึนมาทดแทน ให้ ทนั กับอัตราเรว็ ในการระเหยท่ผี ิวหน้า จงึ เร่มิ เข้าสชู่ ว่ งท่ี c ได้แก่ ชว่ งอบดว้ ยอัตราเรว็ ลดลง ช้ัน ของการระเหยจะค่อยๆ เล่ือนลงลึกเข้าไปในเนื้อวัตถุดิบ อุณหภูมิของวัตถุดิบจะเร่ิมเข้าใกล้ อุณหภูมิของลมร้อนจากบริเวณพ้ืนผิว ในการอบความร้อนจะต้องเข้าไปถึงภายในเน้ือวัตถุดิบ นอกจากน้คี วามร้อนส่วนหนง่ึ ยงั ต้องใช้ไปในการให้ความร้อนตัววัตถุดิบเองอีกด้วย อัตราเร็วใน การอบจึงคอ่ ยๆ ลดลงตามเวลาที่ผ่านไป รูปท่ี 2.3 แสดงการเปล่ียนแปลงของอตั ราความชนื้ กับอุณหภมู ขิ องวตั ถุดบิ 3. ความสามารถในการดดู ซับความชนื้ ของวัสดชุ นื้ กับกลไกการเคลือ่ นที่ สภาพของความช้ืนทีม่ ีอย่ภู ายในวัตถุดิบช้ืนเป็นปัจจัยท่ีสาคัญที่สุดท่ีมีอิทธิพลต่อกลไกการเคล่ือนที่ ของความชื้น ในวัตถุดิบเปียกนอกจากจะมีความชื้นในรูปน้าอิสระแล้ว ยังมีน้า adsorption water ที่ เกาะติดกับพ้ืนผิวของแข็ง ความชื้น bonding water และไอน้าในช่องว่างอีกด้วยตารางท่ี 2.1 จะแบ่ง ความช้ืนในวัตถุดิบออกตามสภาพของความช้ืน โดยอธิบายความสามารถในการอุ้มน้าภายในวัตถุดิบ กลไกการเคล่อื นทข่ี องความชน้ื และความดันไอของนา้ ของวตั ถุดิบต่างๆ ตอ่ ไปน้ีโดยละเอียด

ห น้ า | 2-7 ตารางท่ี 2.1 สภาพการอมุ้ ความช้ืนภายในวัตถดุ บิ เปยี ก (1) วัสดุ non-hydrophilic หมายถึงกรณีท่ีพ้ืนผิวที่เป็นองค์ประกอบของของแข็งไม่สามารถดูดความช้ืน หรือดูด ความชื้นได้น้อยมาก จนปริมาณความช้ืนสูงสุด (ปริมาณน้า) มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลสัมบูรณ์ของ ของแข็ง นา้ ท่ีเกาะอยบู่ นผิวของวัสดเุ หล่านจี้ ะมีลกั ษณะดงั น้ี ถ้าวัสดนุ ั้นมลี กั ษณะ ของแขง็ ตนั ผวิ มนั : น้าจะอยใู่ นสภาพนา้ เกาะผวิ หน้าท่ีทาใหพ้ ื้นผวิ อนุภาคเปียก ของแข็งผิวหยาบ : ภายในของแข็งที่มีรูพรุน เช่น อิฐ จะเสมือนมีหลอด capillary ขนาด ต่างๆ เป็นจานวนมาก ด้วยแรง capillary suction force ที่เกิดจากแรงตึงผิวของน้า จะดึงดูดน้าไว้ใน สภาพ capillary water เม่ือการอบดาเนินไป น้า capillary water น้ีจะเคลื่อนท่ีไปในสถานะของเหลว เหลือแต่น้า suspended water ในช่องว่าง น้าท่ีเหลือน้ีไม่สามารถเคลื่อนท่ีไปในสถานะของเหลวได้ โดยท่ัวไปจะระเหยเป็นไอไปในช่วงการอบด้วยอัตราเร็วลดลง ณ ตาแหน่งเดิม แล้วไอน้าจะแพร่ไปในรู เลก็ ๆ ออกไปทพี่ ื้นผิว

ห น้ า | 2-8 ของแข็งผิวละเอียด : กรณีที่มีอนุภาคคอลลอยด์ท่ีมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 1 m แขวนลอยอยู่ในนา้ ระหว่างอนุภาคจะมแี รงผลกั ทางไฟฟ้าซงึ่ เกดิ จากประจุข้วั เดยี วกันบนพ้ืนผิวอนุภาค ซึ่ง จะทาพยายามใหอ้ นภุ าคอยหู่ ่างจากกันและดูดนา้ เขา้ มา แรงดึงดูดนี้เรียกว่า osmotic suction force (2) วัสดุ hydrophilic หมายถึงวสั ดทุ ี่พนื้ ผิวของแขง็ ทีเ่ ป็นองค์ประกอบของวัสดมุ สี มบตั ดิ ูดความชน้ื หรือวัสดุท่ีตัว ของแขง็ เองมสี มบัติ adsorption กับน้า โดยน้าทเี่ กาะอยูบ่ นผวิ ของวัสดเุ หล่าน้ีจะมีลักษณะดังน้ี ของแข็งมีรูพรุน : น้าท่ีมีอยู่ในช่องว่างในวัสดุในช่วงความช้ืนสูงจะเป็นน้าอิสระ ซ่ึงมี พฤติกรรมเหมือนกับกรณีของวัสดุ non-hydrophilic เม่ืออัตราความช้ืนลดลง น้าอิสระน้ีจะหายไปก่อน หลังจากน้ันจะเกิดการเคลื่อนท่ีและระเหยของน้า bonding water (น้า adsorption water และ absorption water) ความดนั ไอของนา้ น้ันจะข้นึ อยกู่ บั ท้งั อุณหภมู แิ ละอัตราความชื้น วัสดุที่มีลักษณะเป็น cytoplasm : กรณีท่ีเซลล์หน่ึงๆ อ่ิมตัวอยู่ด้วยน้าอย่างเพียงพอ ทั้ง cytoplasm และช่องว่างภายในเซลล์จะอิ่มตัวไปด้วยน้า เมื่ออัตราความช้ืนลดลง น้าในช่องว่างภายใน เซลล์จะหายไปก่อน หลงั จากนั้นน้าใน cytoplasm ซึ่งจะเรม่ิ หายไป และ cytoplasm จะเกดิ การหดตวั (3) วัสดเุ นื้อเดียว (homogeneous) โมเลกุลน้าในวสั ดเุ น้อื เดยี ว เชน่ สารละลายไฮโพลเิ มอร์ สบู่ ฯลฯ โดยทั่วไปจะละลาย หรือ เกิด affinity กับองค์ประกอบของแข็ง ขณะท่ีน้ามีความเข้มข้นสูง จะมีความดันไอเกือบเท่ากับน้าอิสระ แตเ่ ม่ือนา้ มคี วามเขม้ ข้นลดลง ความดันไอจะลดลงอย่างรวดเร็ว และปริมาตรของวัตถุดิบจะหดตัวจนมีค่า เทา่ กบั ปริมาตรเม่ือไม่มีน้า 2.13 จลนศาสตรก์ ารอบแหง้ (Drying kinetics) การอบแห้งส่วนใหญ่ใช้การถ่ายเทความร้อนไปยังวัสดุท่ีชื้นเพื่อไล่ความช้ืนออกโดยการระเหย ความร้อนที่ได้รับเป็นความร้อนแฝงของการระเหย ปัจจัยท่ีมีความสาคัญต่อการอบแห้งได้แก่ อุณหภูมิ ความชืน้ สัมพทั ธ์ อตั ราการไหลของอากาศ และประสิทธิภาพของเคร่ืองอบแห้งโดยพฤติกรรมการอบแห้ง โดยใช้ลมร้อนเป็ นตัวกลางในการพาความช้ืนออกจากวัสดุ เมื่อสมมติให้อุณหภูมิความชื้นและความเร็ว ของอากาศเหนือผิวของวัสดุอบแห้งมีค่าคงท่ีตลอดกระบวนการและมีการถ่ายเทความร้อนสู่วัสดุโดยการ พาความร้อน การเปลยี่ นแปลงความช้ืนของวัสดุตลอดระบวนการอบแห้งแสดงในรูป โดยแบ่งการอบแห้ง ออกเปน็ 3 ชว่ งคือ

ห น้ า | 2-9 รปู ที่ 2.4 การลดลงของความช้นื วสั ดุ ชว่ ง A-B ช่วงนีเ้ ปน็ ชว่ งสภาวะทผี่ ิวของวสั ดเุ ข้าสสู่ มดุลกบั อากาศเกิดข้ึนเม่ือเริ่มทาการอบแห้ง ความร้อนจากลมร้อนจะถ่ายเทสู่ผิววัสดุเป็นการเพิ่มอุณหภูมิให้กับวัสดุโดยความร้อนจากอากาศอบแห้ง จะถา่ ยเทเขา้ สผู่ ิววัสดุ ซึง่ ความรอ้ นทีใ่ ห้กบั วสั ดนุ ้ีจะอย่ใู นรปู ของความร้อนสมั ผสั อุณหภูมิของวัสดุจะสูงข้ึน จนถึงประมาณอณุ หภมู กิ ระเปาะเปียก ซงึ่ มคี วามสมดุลระหว่างผิววัสดุกับอากาศ ช่วง B-C ช่วงน้ีเป็นช่วงอัตราการอบแห้งคงที่ (constant rate period of drying) ช่วงน้ีผิว วัสดุยงั คงชุ่มไปด้วยน้า ซ่ึงจะถกู นาออกจากผิววสั ดุด้วยการระเหยซงึ่ อัตราการอบแห้งในช่วงน้ีจะข้ึนอยู่กับ อัตราการถ่ายเทความร้อนไปยังผิวของการอบแห้ง อัตราการถ่ายเทมวลมีความสมดุลกับอัตราการถ่ายเท ความร้อนจึงทา ให้อุณหภูมิที่ผิวของวัสดุอบแห้งคงท่ี ซ่ึงสอดคล้องกับอุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศ อบแห้ง ช่วง C-D ช่วงน้ีเป็ นช่วงอัตราการอบแห้งลดลง (Falling Rate Period) เนื่องจากปริมาณ ความช้ืนภายในเน้ือวัสดุเคล่ือนท่ีมาสู่ผิวด้านนอกลดลง ณ จุด C ในรูป อัตราการอบแห้งเริ่มลดลง ความชน้ื ของวสั ดทุ ่ีจุดนเ้ี รียกวา่ ความชน้ื วกิ ฤต (Critical Moisture Content) เมอ่ื กระบวนการอบแห้งดา เนินต่อไปอุณหภูมิท่ีผิวของวัสดุจะเพ่ิมข้ึนอย่างต่อเน่ืองตลอดกระบวนการ โดยปกติช่วงอัตราการอบแห้ง ลดลงประกอบไปด้วยสองช่วงคือ ช่วงของการอบแห้งลดลงส่วนท่ี1 (CE) ช่วงนี้ผิวของวัสดุจะแห้งและ อัตราการอบแห้งลดลง ช่วงของการอบแห้งลดลงส่วนท่ี2 (E-D) ช่วงน้ีระนาบของการระเหยจะเคลื่อนตัว เข้าสู่ภายในเน้ือวัสดุและผลกระทบจากปัจจัยภายนอก เช่นอัตราการไหลของอากาศมีค่าน้อยลงเม่ือ พจิ ารณาตลอดกระบวนการอบแหง้ จะพบวา่ ชว่ งของการอบแหง้ ลดลงเปน็ ชว่ งหลักที่เกิดข้ึน อัตราการอบแห้งวัสดุโดยทั่วไปที่ใช้ลมร้อนเป็นตัวกลางในการส่งผ่านความร้อนจะเกิดขึ้นช้า หรอื เร็วนน้ั มปี ัจจยั ท่ีสา คญั ซึง่ มผี ลต่ออตั ราการอบแห้งคือ

ห น้ า | 2-10 1. ลักษณะทางธรรมชาติของวัสดุ เป็นปัจจัยท่ีสาคัญที่สุดที่มีผลต่ออัตราการอบแห้งถ้าสภาพ ทางธรรมชาติของวสั ดเุ อ้ืออา นวยตอ่ การส่งผ่านความรอ้ นไปยังโมเลกุลของน้า ภายในเน้ือวัสดุและเอ้ืออา นวยต่อการเคลื่อนที่ของไอน้า ออกจากวัสดุ เช่น วัสดุที่มีโครงสร้างเป็นรูพรุนโมเลกุลของน้า ในเนื้อวัสดุ สามารถเคลือ่ นทอี่ อกมาไดง้ ่ายทา ใหอ้ ตั ราการอบแหง้ เรว็ ขนึ้ 2. ขนาดและรูปร่างของวัสดุ วัสดุที่มีขนาดและรูปร่างท่ีทา ให้อัตราส่วนของพ้ืนท่ีต่อปริมาตร มาก จะชว่ ยเพ่มิ ประสิทธิภาพในการสง่ ผา่ นความร้อนใหท้ ่ัวช้ินวัสดทุ า ให้การระเหยน้า ออกจากเน้ือวัสดุดี ขน้ึ อตั ราการอบแห้งจึงเร็วข้นึ 3. ปรมิ าณและการจัดเรียงวัสดุ วัสดุที่นา มาจัดเรียงซ้อนกันหลายๆ ชั้นในถาดทา ให้ปริมาณ ของวัสดุต่อถาดมากเกินไปจะทา ให้วัสดุที่อยู่บริเวณตรงกลางได้รับความร้อนไม่ท่ัวถึงทา ให้บริเวณน้ันมี อัตราการอบแห้งท่ีช้าการจัดเรียงท่ีเหมาะสมควรทา การจัดเรียงเป็นแบบช้ันบางเพื่อให้วัสดุได้รับความ รอ้ นอยา่ งสมา่ เสมอ 4. อุณหภูมิของอากาศร้อน เม่ืออุณหภูมิของอากาศร้อนสูงข้ึนอัตราการอบแห้งจะเร็วข้ึน เนื่องจากความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของอากาศร้อนกับวัสดุมีมากทา ให้การถ่ายเทความร้อนสู่น้า ใน เนื้อวัสดุได้ดีจึงทา ให้น้า ในเน้ือวัสดุเคล่ือนท่ีและระเหยได้เร็วข้ึนถึงแม้ว่าอุณหภูมิที่สูงจะทาให้อัตราการ อบแห้งเรว็ ขึ้นแต่ก็ตอ้ งคานึงถงึ ความเหมาะสมกับวสั ดทุ ี่ใชใ้ นการอบแหง้ ด้วย 5. ความชื้นของอากาศร้อน หากความช้ืนของอากาศร้อนมีค่ามากจะมีผลให้การเคลื่อนท่ีของ นา้ และการระเหยของไอนา้ ออกจากเนือ้ วสั ดุไดย้ าก 6. ความดันของบรรยากาศ การอบแห้งโดยท่ัวไปมักทา ที่ความดันหนึ่งบรรยากาศ ถ้าหากมี การลดความดันของบรรยากาศในขณะทา การอบแห้งจะทา ให้อัตราการอบแห้งเพิ่มขึ้น เนื่องจากจะทา ให้จุดเดือดของน้า ลดลง ซ่ึงการอบแห้งประเภทนี้เหมาะกับการอบแห้งวัสดุที่เส่ือมคุณภาพได้ง่าย เน่ืองจากความร้อน เครื่องอบแห้งมีการลดความดันในสภาวะการอบแห้งเช่น เครื่องอบแห้งสุญญากาศ แบบลูกกลิ้ง (Vacuum Drum Drier) เป็นต้น 7. ความเรว็ ลมร้อน ถา้ ความเรว็ ของลมร้อนมีค่ามากจะทา ให้เกิดการระเหยของน้า ที่ผิวหน้า วสั ดุไดด้ ีข้ึนทา ให้อัตราการอบแหง้ เร็วขนึ้ 8. คุณสมบัติเชิงความร้อนและฟิสิกส์ของวัสดุ คุณสมบัติเชิงความร้อนของวัสดุที่เกี่ยวข้องกับ การอบแห้งคือ ความร้อนจา เพาะ สภาพการนา ความร้อน และการแพร่ความร้อน ส่วนคุณสมบัติทาง ฟสิ ิกส์ ไดแ้ ก่ ความหนาแน่นจรงิ ความหนาแนน่ ปรากฏ และสัดสว่ นช่องว่างอากาศในกองวสั ดุ ตัวแปรสาคัญท่ีมีผลต่อพลังงานท่ีใช้การอบแห้ง คือสมบัติและประเภทของความชื้นวัสดุโดย ปกตคิ วามช้นื ทอ่ี ย่ใู นวสั ดจุ ะประกอบไปดว้ ย ความชนื้ รอบผิว (Boundary Moisture) และความช้ืนในเน้ือ

ห น้ า | 2-11 วัสดุ (Absorbed Moisture) ซึ่งความชื้นรอบผิวจะเป็นความชื้นที่ถูกดึงออกไปได้ง่ายนอกจากนี้ยังมี ความชืน้ ของบรรยากาศ (Relative Humidity) ซึ่งมีผลทา ให้ระยะเวลาในการอบแหง้ นานขึ้นอีกด้วย โดย ปกติในการอบแห้งวัสดุใดๆ ความชื้นสุดท้ายของวัสดุที่ยังคงเหลืออยู่ในเนื้อวัสดุจะสมดุลกับความช้ืน อากาศท่ใี ชอ้ บโดยท่ีความช้ืนในวัสดุดงั กลา่ วจะไม่ลดตา่ กว่านี้อีกแม้ว่าจะใช้เวลานานเท่าใดก็ตามเราเรียก ความชื้น ณ จดุ นี้วา่ ค่าความช้ืนสมดุล (Equilibrium Moisture Content) อัตราการอบ (Drying Rate) เป็นตัวแปรอีกตัวหนึ่งท่ีสามารถบอกให้เราทราบถึงระยะเวลาท่ี ใชใ้ นการอบแห้ง ซึ่งเป็นคา่ ที่แสดงถึงค่าความช้ืนท่ีระเหยออกไปได้ต่อหน่วยเวลา หน่วยอาจเป็นปอนด์น้า ต่อชว่ั โมงหรือกโิ ลกรมั น้า ตอ่ ชั่วโมงโดยปกติ ในการอบแห้งวัสดหุ นึง่ ๆ จะมอี ัตราการอบแห้ง 2 ชว่ ง คอื 1. Constant Rate Drying คือ การอบแห้งในช่วงท่ีมีอัตราการระเหยน้าเป็นการอบแห้ง ในช่วงท่ีวัสดุมีความชื้น เหลือเพียงความช้ืนจึงเดินทางมาสู่ผิวหน้าได้ทันเวลากับความร้อนที่จ่ายจากลม ร้อนมาท่ีผิว ส่วนใหญ่จะเป็นความช้ืนรอบผิว (Boundary Moisture) หรือความช้ืนอิสระ(Unbound Moisture) 2. Falling Rate Drying (Rf) คอื การอบในช่วงท่ีปริมาณน้าท่ีผิววัสดุแห้งลงเมื่อน้าระเหยมาที่ ผิวไม่ทนั อัตราการระเหยตอ่ หน่วยพ้ืนที่และเวลาก็จะลดในช่วงนี้อุณหภูมิที่ผิวอาจค่อยๆ เพิ่มข้ึนและค่า Rf อาจจะแปรผนั ตรงกบั คา่ ความช้ืนทเี่ หลอื อยู่บางประเภทอาจมีแต่ falling rate ตลอดการอบเลยก็ได้ ทั้งน้ี การอบแหง้ จะส้ินสุดลงเมือ่ ความชื้นของวัสดลุ ดลงถงึ จุดความชนื้ สมดุลย์ วัสดุจากส่ิงมีชีวิตส่วนใหญ่จะมีลักษณะโครงสร้างภายในเป็นรูพรุนเมื่อนา ไปทาแห้งใน ลักษณะชั้นบาง ท่ีสภาวะคงที่ (อุณหภูมิ ความช้ืน และ ความเร็วลมร้อน) อัตราการอบแห้งจะคงที่ใน ระยะเวลาหนงึ่ แล้วจะเริ่มลดลงขณะท่ีอัตราการอบแห้งเร่ิมเปลี่ยนจากคงที่เป็ นลดลงเรียกว่าความช้ืนจุด วิกฤตในเมล็ดพืชส่วนใหญ่จะมีแต่ช่วงอัตราการอบแห้งลดลง เนื่องจากอัตราการอบแห้งอยู่ในช่วงอัตรา การอบแห้งลดลง อัตราการถ่ายเทมวลจึงถูกควบคุมด้วยกระบวนการถ่ายเทมวลจากภายในไปยังผิววัสดุ ในระยะแรกของการอบแห้งการเคล่ือนที่ของน้า จะเคล่ือนที่ในรูปของเหลวเน่ืองจากวัสดุยังมีความช้ืนสูง แต่เมอ่ื ความชื้นลดลงมากการเคลื่อนที่ของน้าจะเคลื่อนท่ีในรูปของไอน้า จากลักษณะการเคล่ือนที่ของน้า ดงั กลา่ วแสดงวา่ ความเร็วลมไมม่ ีผลตอ่ อัตราการอบแห้ง (สมชาติ โสภณรณฤทธ์, 2540)

ห น้ า | 2-12 รูปที่ 2.5 การอบแหง้ วสั ดจุ ากสิ่งมีชีวติ ในช่วงอตั ราการอบแหง้ ลดลงและคงที่ 2.2 ทอ่ ความร้อน (Heat pipe) [10] ทอ่ ความรอ้ น คือ ส่วนทย่ี นื่ ออกมาจากพนื้ ท่ีผิวปกติของวัตถุ โดยมีเจตนาเพ่ือเพ่ิมพื้นที่ในการ พาความร้อนออกจากวัตถุไปสู่อุณหภูมิภายนอกท่ีล้อมรอบอยู่ ลักษณะของท่อความร้อนอาจเป็นแนวยาว บนพน้ื ผิว (Longtitudinal) ท่อความร้อน (Heat pipe) เน่ืองจากท่อคึวามร้อนมีค่าการนาความร้อนสูงนอกจากจะใช้ใน การระบายความร้อนในคอมพิวเตอร์แล้วยังสามารถนาไปประยุกต์ใช้กับงานอื่นๆ เพื่อให้เกิดประโยชน์ใน เชิงความร้อนได้อีกมากมาย ท่อความร้อนเป็นอุปกรณ์ส่งถ่ายความร้อนแบบปิดสองสถานะซึ่งทาจากท่อ โลหะภายในท่อประกอบดว้ ย วัสดุพรุน (Wick) และสารทางาน แสดงดงั รูปที่ 2.6 รปู ท่ี 2.6 ท่อความร้อน [11]

ห น้ า | 2-13 โดยทวั่ ไปทอ่ ความรอ้ นจะสามารถแบ่งออกได้เป็นสามส่วน (ดังรูปที่ 2.7) คือ ส่วนทาระเหย ส่วน ควบแน่น และมีส่วนท่ีเป็นฉนวนอยู่ตรงกลาง หลักการทางานของท่อความร้อนคือ เมื่อให้ความร้อนแก่ สว่ นทีท่ าระเหยซ่ึงอยดู่ ้านลา่ ง สารทางานทเี่ ปยี กอยทู่ ว่ี ัสดุพรุนจะเดือดและเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอไหล ขนึ้ ไปส่วนดา้ นบนหรือส่วนควบแนน่ ท่ีต่าแหน่งนี้จะมีอุณหภูมิต่ากว่าจึงทาให้สารทางานเกิดการควบแน่น กลายเปน็ ของเหลว จากนน้ั สารทางานจะถูกวัสดุพรุนท่ีอยู่ภายในท่อดึงของเหลวย้อนกลับลงสู่ส่วนระเหย โดยอาศยั แรงคาปิลลารีและจะทางานเปน็ วฏั จักร (12) รูปท่ี 2.7 ทอ่ ความรอ้ นแบ่งออกไดส้ ามส่วน [12] 2.2.1 โครงสร้างของท่อความรอ้ น ท่อความร้อน โดยปกติแล้วจะรูปร่างเป็นทรงกระบอกท่ีภายในบรรจุของเหลวที่สามารถ ระเหยไดจ้ ากส่วนต่างของท่อความรอ้ น (ดังรูปที่ 2.8)

ห น้ า | 2-14 รปู ที่ 2.8 โครงสร้างของทอ่ ความร้อน [12] โดยที่แต่ละส่วนมีลักษณะดังน้ีท่อความร้อนส่วนแรกจะรับความร้อนเข้ามาในส่วนของการทา ระเหย heat in จากน้ันสารทางานท่ีอยู่รูปของเหลวจุดเดือดต่า เมื่อรับความร้อนของเหลวจะระเหย กลายเป็นไอ และลอยขึ้นสู่ด้านบนท่อความร้อน ความร้อนจะถูกพาออกสู่สิ่งแวดล้อม heat out จากน้ัน ของเหลวอุณหภูมิเย็นลงจะเกิดการควบแน่นกลายเป็นของเหลว ไหลลงไปรับความร้อนใหม่ ไปเร่ือยๆ แบบวัฏจกั ร จากหลักการของเหลวได้กลายเป็นไอและได้เคล่ือนตัวไปสู่ส่วนควบแน่นนั้นจะมีการส่งถ่ายความ ร้อนนอกจากมีค่าการนาความร้อนสูงแล้วยังไม่ต้องใช้พลังงานเพื่อขับเคลื่อนระบบ มีน้าหนักเบา สร้าง และบารุงรักษาง่าย สะดวกต่อการติดต้ังเพราะเนื่องจากท่อความร้อนสามารถทางานได้ทุกตาแหน่งการ วาง สาหรับการออกแบบท่อความร้อนเพื่อประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์ระบายความร้อนมีส่วนประกอบท่ี สาคัญอยู่สามส่วนได้แก่ ท่อท่ีใช้บรรจุ วัสดุพรุน และสารทางานที่ใช้ ส่วนใหญ่ท่อท่ีใช้ทาท่อความร้อนจะ ทามาจากท่อทองแดงเน่ืองจาก ทองแดงมีค่าการนาความร้อนสูงทั้งที่สามารถที่จะใช้ท่อชนิดอ่ืนแทนได้ ข้ึนอยู่กับความเหมาะสมในการใช้งาน เช่น ถ้าใช้กับอุตสาหกรรมเคมีก็สามารถเปลี่ยนมาใช้ท่อแสตนเลส ไดแ้ ต่ จะทาให้ประสิทธิภาพการนาความร้อนของท่อความร้อนลดลง สาหรับการเลือกวัสดุพรุนที่ใช้ มีอยู่ หลายแบบซ่งึ แสดงดงั รปู ท่ี 2.9

ห น้ า | 2-15 รปู ท่ี 2.9 วสั ดพุ รุนลักษณะต่างๆ [13] ซงึ่ สามารถแบง่ ออกได้เปน็ 3 ชนิด คือ 1. ทามาจากการอดั ตวั ของผงโลหะ 2. เซาะผิวผนังด้านในของท่อใหเ้ ปน็ ร่อง 3. ใช้แผ่นโลหะลักษณะเปน็ ตาข่ายม้วนเป็นวงรอบแลว้ สอดเข้าไปภายในท่อ ส่วนใหญ่ทีใ่ ชโ้ ดยทวั่ ไปจะเปน็ แบบที่สองและสามเน่ืองจากการทาไม่ซับซ้อนเหมือนชนดิ แรก การเลือกสารทางานท่ีใช้อันดับแรกต้องพิจารณาถึงความเข้ากันได้ของสารทางานและวัสดุท่ีใช้ทาท่อ เพราะถ้าสารทางานที่ใช้ไม่สามารถทางานร่วมกันได้จะทาให้ท่อความร้อนมีอายุการใช้งานต่า เช่น น้ากับ อลมู เิ นียมเป็นตน้ สิ่งสาคัญสาหรับการเลือกสารทางานท่ีใช้ คือ ช่วงอุณหภูมิการทางานของท่อความร้อน ทจี่ ะใช้สารโดยจะเลอื กจากตารางที่ 2.2 ตารางที่ 2.2 ตารางแนะนาการใชส้ ารทางาน ไมแ่ นะนาการใช้ สามารถใช้ได้ copper Ammonia Aluminum -60 oC Carbon Steel -100 oC Nickel Stainless Streel Acetone Copper

ห น้ า | 2-16 0 oC สามารถใชไ้ ด้ ไมแ่ นะนาการใช้ -120 oC Aluminum Aluminum Methanol Stainless Streel 0 oC~130 oC Copper Stainless Streel Stainless Streel Aluminum Water Copper Carbon Steel 30 oC 347Stainless Streel Nickel -200 oC Stainless Streel Sodium inconel 600 oC -1200 oC เน่อื งจากความสามารถในการถา่ ยเทความร้อนซึ่งมีอยู่หลายประการดว้ ยกัน คือ - ขีดจากัดความดันไอ (Vapour pressure limit) การทางานของท่อความร้อนที่ความดันต่า กว่าบรรยากาศทาให้เกิดผลต่างของความดันในส่วนทาระเหยน้อยกว่าส่วนควบแน่นมากๆ และจะทาให้มผี ลตอ่ การถา่ ยเทความรอ้ น - ขดี จากดั เนอ่ื งจากการเดอื ด (Boiling limit) จะเกิดขึ้นในสภาวะท่ีมีการป้อนฟลักซ์ความร้อน เข้าสู่ช่วงการระเหยสูงๆ ทาให้เกิดการเดือดและฟองของไอ (Vapour bouble) ไปรวมตัว กับฟิล์มของไอที่ผนังอย่างรวดเร็วเกิดเป็นจุดร้อนจัด (Hot spot) ข้ึนขัดขวางการหมุนเวียน ของของเหลว - ขีดจากัดการหมุนเวียน (Countercurrent flow limit) เม่ือเติมสารเพียงพอท่ีไม่ทาให้เกิด การแห้ง อัตราการถ่ายเทความร้อนจะขึ้นคือ แรงดันไอของสารทางานจะดันสารทางานที่ กล่ันตัวเป็นของเหลวไม่ให้ตกลงมายังแหล่งของเหลวเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า Flooding หรือ Entrainment limit อย่างไรก็ตามท่อความร้อนยังมีขีดจากัดในการทางาน คือ ขีดจากัดคาปิลลารีซึ่งเกิดจาก โครงสรา้ งวสั ดุพรุนไมส่ ามารถนาของเหลวยอ้ นกลบั มาสว่ นทาระเหยได้อย่างเพยี งพอ สาหรับท่อ

ห น้ า | 2-17 ความร้อนทั้งแบบธรรมดาท่ีมีวัสดุพรุนยังมีขีดจากัดการถ่ายเทความร้อนสูงสุด คือ เมื่ออุณหภูมิแตกต่าง ระหว่างแหล่งให้ความร้อนกับแหล่งรับความร้อนมีค่าเพ่ิมข้ึนจนถึงจุด ๆ หนึ่งซึ่งจะมีค่าการถ่ายเทความ ร้อนสูงสุด เรียกว่า อัตราการถ่ายเทความร้อน (Critical heat flux) เพื่อป้องกันเหตุการณ์ดังกล่าว สามารถตรวจสอบการทางานได้จากสมการท่ี (2.6) ในการออกแบบต้องออกแบบให้ท่อความร้อนมีค่าการ ส่งถา่ ยความร้อนไมเ่ กนิ คา่ การสง่ ถ่ายความร้อนทใี่ ห้ไวใ้ นสมการท่ี (2.6) Qwick    hfg  2K   Av   2   gdLeff sin   (2.6)       Leff       d   Qwick คอื ค่าการส่งถ่ายความร้อนสงู สุด  คือ ค่าความหนาแน่น (kg/m3)  คือ สัมประสทิ ธ์ิความหนืด (N.s/m)  คอื แรงตึงผิว (N/m) hfg คือ ความรอ้ นแฝงของการกลายเป็นไอ (J/kg) A คอื พน้ื ท่ีหนา้ ตดั (m2) d คอื เส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อ (m) Leff คือ คา่ ความยาวท่อประสิทธผิ ล (m) K คือ ค่าการดดู ซบั สารทางานของวสั ดพุ รนุ (m2) จะเห็นได้ว่าปัญหาของท่อความร้อนแบบธรรมดา คือ มีขีดจากัดทางด้านแรงคาปิลลารีและ ขีดจากัดการหมุนเวียน จากปัญหาดังกล่าวได้มีการพัฒนาสร้างท่อความร้อนชนิดใหม่ เรียกว่า ท่อความ ร้อนแบบสน่ั โดยทาการต่อทอ่ คาปิลลารซี ง่ึ วางตวั ขนานกนั แบบอนุกรมและไม่มีวสั ดุรูพรุนอยู่ในท่อแสดงใน รูปที่ 2.10

ห น้ า | 2-18 รปู ที่ 2.10 ท่อความร้อนแบบสั่นโค้ง [14] ลักษณะของสารทางานในท่อจะก่อตัวในรูปของแท่งของเหลว (Slugs) และฟองไอ (Vapor bubbles) ซ่งึ การถา่ ยเทความร้อนจะเกดิ การเคลอ่ื นที่แบบส่นั ของของไหลทางานท่ีเกิดขึ้นด้วยการกระตุ้น การสั่นด้วยตัวมันเอง (Self-Excited oscillation) จาการขับตัวของแรงดันคล่ืนท่ีรุนแรงและรวดเร็วมี สาเหตุการเดือดแบบฟอง และการกลั่นตัวของสารทางาน จึงช่วยนาความร้อนจากปลายที่มีออุณหภูมิสูง ไปยังปลายท่มี ีอุณหภูมิต่ากว่า ข้อดีของท่อความร้อนแบบสั่น คือ สร้างข้ึนได้โดยง่าย สมรรถนะทางความ ร้อนสูง รวดเร็วต่อการตอบสนองทางความร้อน สามารถทางานได้ท่ีผลต่างอุณหภูมิต่าและทางานได้ใน หลายๆตาแหน่ง Akachi ได้ทาการศึกษาเก่ียวกับหลักการ ลักษณะสาคัญและการนาไปใช้งานของท่อความ ร้อนแบบส่ัน พบว่ากลไกพ้ืนฐานในกรถ่ายเทความร้อนของท่อความร้อนแบบสั่น คือ ทาการทาท่อให้เป็น สูญญากาศแล้วเตืมสารทางานจานวนท่ีเพียงพอ ภายในท่อจะเกิดมีฟองไอ (Vapor bubbles) และแท่ง ของของเหลว (Liquid plugs) รวมตวั กันอยู่ภายในท่อตามยาว เม่ือดา้ นใดด้านหนง่ึ ของท่อได้รับความร้อน (ส่วนทาระเหย) ฟองไอจะเกิดการขยายตัวทาให้เกดิ แรงดันข้ึน เม่ือเพิ่มความร้อนมากขึ้นแรงดันก็จะสูงข้ึน และจะเกิดแรงขับ (Driving force) ผลักเอาแท่งของเหลวให้เคล่ือนท่ีต่อไปยังส่วนท่ีมีอุณหภูมิต่า (ส่วน ควบแน่น)และเนอ่ื งจากท่อมคี วามยาวท่ีตอ่ กันจะทาใหเ้ กิดการเคลอื่ นทข่ี องฟองไอและแท่งของเหลวในท่อ นั้นๆความร้อนจะถูกส่งถ่ายออก และก็จะเกิดการกล่ันตัวที่ส่วนน้ี ฟองไอที่จะยุบตัวลงแล้วแรงดันก็จะ ลดลง ซึ่งจะทาให้เกิดแรงดันท่ีแตกต่างกันระหว่างด้านทั้งสอง ในขณะเดียวกันเมื่อแรงดันในส่วนที่ อุณหภูมิต่าลงจะเกิดแรงย้อนกลับ (Restoring force) ทาให้ไอเกิดการเคล่ือนท่ีไปผลักเอาแท่งของเหลว ให้ไหลกลับไปยังส่วนท่ีอุณหภูมิสูง เม่ืออุณหภูมิในส่วนท่ีอุณหภูมิต่าลดลงอีกครั้ง ก็จะเกิดแรงขับไปผลัก แท่งของเหลวให้เคลื่อนท่ีต่อไปยงั ส่วนท่ีมีอณุ หภูมติ ่าอกี การทางานของท่อความร้อนแบบสั่นจะต่อเนื่องกัน

ห น้ า | 2-19 เป็นวัฏจักร ซ่ึงการเคล่ือนไหวที่ติดต่อกันระหว่างแรงขับและแรงย้อนกลับจะทาให้ฟองไอและแท่ง ของเหลวเกดิ การสนั่ ข้ึนในทศิ ทางตามแนวแกน [15] 2.2.2 ทฤษฎีทอ่ ความรอ้ น การทางานของท่อความร้อนนี้จะข้ึนกับความดันเนื่องจากแรงคาปิลลารีที่มากท่ีสุด Pc  โดยจะตอ้ งมากกว่าความดนั ลดรวมภายในทอ่ บรรจุ ความดันลดนีป้ ระกอบด้วย 1. ความดนั ลดเน่อื งจากการไหลของของเหลวจากสว่ นควบแนน่ ไปสสู่ ว่ นทา ระเหย Pe  2. ความดันลดเน่ืองจากการไหลของไอของไหลทางานจากส่วนทาระเหยไปสู่ส่วนควบแน่น PV  3. ความดันลดเนอื่ งจากแรงโนม้ ถว่ งของโลก Pg  ซ่ึงอาจมีคา่ เป็น ศนู ย์ บวกหรือลบ ก็ได้ หากเขยี นเปน็ สมการสาหรบั ความดันลดนีแ้ ล้วจะไดว้ า่  Pc   Pe  PV  Pg (2.7) max หากไม่เป็นไปตามเง่ือนไขข้างต้นแล้วของไหลทางานจะไม่สามารถไหลไปสู่ส่วนทาระเหยได้ ทาใหว้ สั ดุพรุนที่บรรจุอย่ใู นสว่ นทาระเหยแห้งและท่อความร้อนไม่สามารถทางานได้ หากท่อความร้อนเร่ิมทางานท่ีอุณหภูมิสูง ความเร็วของไอของไหลทางานจะมีค่าสูงมากและ อาจสูงถึงค่าความเร็วเสียง (Sonic value) สภาพความเร็วเท่าเสียงหรือมากกว่าน้ีเป็นส่วนหน่ึงของจากัด การส่งผ่านความร้อนมากที่สุดของท่อความร้อน ส่วนข้อจากัดอื่น ๆ ที่ควบคุมการส่งป่านความร้อนสูงสุด ของท่อความรอ้ นกม็ อี ีกดว้ ย เช่น ท่อี ณุ หภูมิตา่ ๆ จะมขี อ้ จากัดเน่ืองจากความหนืด (Viscous force) และ เมื่ออุณหภมู ิเพม่ิ ขนึ้ กจ็ ะมีข้อจากัดเน่ืองจากการส่งผ่านของไหลทางานในวสั ดุพรุนท่ีเรียกว่า entrainment limit กล่าวคอื หยดของไหลทางานจะถกู ไอความเร็วสงู หอบไปสสู่ ่วนควบแน่นหมดเน่ืองจากเฮดคาปิลลารี ไม่เพียงพอ ขอ้ จากัดในการส่งผ่านความรอ้ นมากที่สดุ ของทอ่ ความรอ้ น ซ่ึงในการใช้งานจะต้องเลือกจุดท่ี อยู่ใต้เส้นของข้อจากัดการส่งผ่านความร้อนน้ีลงมา รูปร่างของเส้น น้ีจะขึ้นกับชนิดของวัสดุพรุนและของ ไหลทางาน ถ้าไม่คิดความดันไอท่ีลดลงและความดันเน่ืองจากแรงโน้มถ่วงแล้ว คุณสมบัติของของไหล ทางานจะเป็นตัวกาหนดส่งผ่านความร้อนสูงสุดซึ่งจะบอกได้ในรูปของตัวเลขของความเหมาะสม ( Merit number, M)

ห น้ า | 2-20 M  ll L / l (2.8) โดยที่ l คอื ความหนาแนน่ ของของไหลทางาน l คอื แรงตึงผวิ ( Surface tension ) L คอื ความร้อนแฝงของของไหลทางาน l คอื ความหนดื ของของไหลทางาน 2.2.3 การเปลีย่ นแปลงความดันไอทผ่ี ิวของเหลวโค้ง จะเหน็ ได้ว่าความดันไอทผ่ี ิวเวา้ จะนอ้ ยกวา่ ทผ่ี ิวแบนธรรมดาเปน็ ค่าเท่ากับน้าหนักของแท่งไอ ทม่ี คี วามสูง h คา่ ความดันแตกตา่ งนหี้ าได้จาก Pc  Po  gvh (2.9) ความดันแตกต่าง Pc  Po น้ีน้อยมากเมื่อเทียบกับเฮดคาปิลลารีท้ังหมดและในการ ออกแบบทอ่ ความรอ้ นนัน้ อาจไม่ต้องคดิ รวมก็ได้ 2.2.4 ความดันแตกต่างเนื่องจากแรงเสยี ดทาน ตอ่ ไปน้จี ะพิจารณาความดันแตกต่างของสถานะของเหลวและไอซ่ึงเกิดจากแรงเสียดทาน ซึ่ง ต้องนยิ ามพจนบ์ างพจนท์ ีจ่ าเปน็ การไหลราบเรียบ – สมการ Hagen – Poiseuille สมการ Hagen – Poiseuille นพ้ี ิจาณาการไหลราบเรยี บแบบคงตวั ของของไหลท่ียุบตัวไม่ได้ หรือมีค่าความหนืด  คงที่ ผ่านท่อหน้าตัดวงกลมรัศมี a ซึ่งจะหาความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของ ไหล Vr ท่รี ศั มี r กบั ความแตกต่าง P2 – P1 ทค่ี วามยาวทอ่ I

ห น้ า | 2-21 รปู ที่ 2.11 วัสดพุ รนุ และตวั แปรชอ่ งว่างในส่วนทาระเหยและส่วนควบแนน่ รูปที่ 2.12 การกระจายความเร็วในท่อหนา้ ตดั กลมในการไหลแบบราบเรียบและปั่นป่วน Vr  a2 1 r / a 2  P2  P1 (2.10) 4  l ความเรว็ นี้จะแปรผนั ตามสมการพาราโบลิคจากคา่ สูงสดุ  Vm  a2 / 4  P2  P1  / l (2.11) ความเร็วเฉล่ียบนแกนท่อท่รี ะยะศนู ยจ์ ากผนงั จะมีคา่ เปน็

ห น้ า | 2-22  V  a2 / 8  P2  P1  / l (2.12) (2.13) หรือจดั รูปใหม่ไดเ้ ป็น P2  P1  8V / a2 l หากเป็นระบบท่ีคิดมิติเดียวแล้วจะใช้ค่าความเร็วเฉล่ีย V ตลอดค่าปริมาตรท่ีไหลผ่านต่อวินาทีหรือค่า S จะมคี ่าเป็น S   a2V   a4P2  P1 (2.14) 8l และหาก  เป็นความหนาแน่นของของไหลแลว้ ค่าอตั รามวลทีไ่ หล m จะมคี า่ m  S    a4P2  P1 (2.15) 8l 2.3 การดึงของเหลวกลับ (Entrainment) ในทอ่ ความร้อนไอจะไหล จากส่วนทาระเหยไปสู่ส่วนควบแน่นและของเหลวจะไหลสวนทาง กัน ท่ีผิวหน้าระหว่างผิวของวัสดุพรุนและไอจะเกิดแรงเฉือนบนของเหลวในวัสดุพรุน ปริมาณของแรง เฉือนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของไอและความเร็วและแรงน้ีจะดึงเอาหยดของเหลวออกมาและส่งไปยัง ปลายทางส่วนควบแน่น สภาวะเช่นนี้เรียกว่าการดึงของเหลวกลับซ่ึงจะต่อต้านการทางานของท่อความ รอ้ นและเปน็ ข้อจากดั สมรรถนะของท่อความร้อน ตัวเลขเวเบอร์ ( We ) คือ สัดส่วนระหว่างแรงเฉื่อยของไอและแรงตึงผิวของของเหลวซึ่งจะ เป็นตวั วดั การดึงของเหลวกลับน้ี We  vV 2Z (2.16) 2 l โดยที่ v คอื ความหนาแน่นของไอ V คือ ความเร็วไอ

ห น้ า | 2-23  คือ แรงตึงผวิ Z คอื ความยาวควบคมุ ของผวิ สัมผสั ของเหลว – ไอ ถ้าคดิ วา่ การดึงหยดของเหลวกลับจะเกิดก็ตอ่ เมื่อ We = 1 ดงั นั้น ข้อจากัดของความเรว็ ไอ  2 l 1/ 2  vZ  Vc    (2.17) แต่ q  vLV  2v L2l 1/ 2  Z  ดงั น้นั q    (2.18) 2.4 การถ่ายเทความรอ้ นและความแตกตา่ งอณุ หภูมใิ นท่อความรอ้ น พิจารณาการส่งผ่านความร้อนและการลดลงของอุณหภูมิซ่ึงจะเสนอในรูปความต้านทานความ ร้อนและวงจร ความร้อนเข้าและออกจากท่อความร้อนโดยการนา การพาและการแผ่รังสี อุณหภูมิ แตกต่างเกดิ ขึ้นเพราะการนาความร้อนผ่านผนงั ทสี่ ่วนระเหยและส่วนควบแน่น 2.4.1 ลักษณะการถา่ ยเทความรอ้ นในสว่ นทาระเหย ท่ีอตั ราความร้อนต่า ๆ ความร้อนจะถูกส่งผ่านผิวหน้าของของเหลวโดยการนาผ่านวัสดุพรุน และของไหลบางส่วนซ่ึงจะเป็นการพาความร้อนตามธรรมชาติและเม่ือคาความร้อนเพ่ิมข้ึนของเหลวที่ติด กบั ผนังจะมีสภาพร้อนยวดย่ิงและจะเป็นฟองอากาศ ฟองอากาศนี้จะนาพลังงานบางส่วนไปสู่ผิวหน้าของ ของเหลวโดยค่าความร้อนแฝงแห่งการระเหยและจะมีการพาวามร้อนมากข้ึน จนกระทั่งถึงจุดวิกฤต ของเหลวในวสั ดพุ รุนจะแหง้ ทอ่ ความรอ้ นกจ็ ะหยุดทางาน 2.4.2 การถา่ ยเทความรอ้ นจากแผ่นราบ พิจารณาแผ่นให้ความร้อนซึ่งจุ่มอยู่ในของเหลวซ่ึงมีอุณหภูมิ Ts จุดเดือดของของเหลวจะ ขึ้นอยกู่ ับความดนั ของระบบและอุณหภมู ทิ ี่ผิวของแผ่นราบท่ีให้ความร้อนคือ Tw เห็นว่า q จะแปรผันตาม ( Tw – Ts ) Nukiyama ไดศ้ กึ ษาเส้นกราฟแห่งความสมั พันธข์ อง q และ Tw – Ts น้ีเป็นชว่ ง ๆ คอื A – B ; เปน็ ช่วงทีม่ ีการพาความรอ้ นตามธรรมชาติจากผิวใหค้ วามร้อน

ห น้ า | 2-24 B – C ; เมอ่ื อตั ราความรอ้ นมากขน้ึ จะเกดิ ฟองอากาศท่ีผวิ ของแผ่นให้ความร้อนค่า q จะมาก ขึ้นในช่วง T น้อย เรียกว่าช่วงการเดือดเป็นฟองหรือการเดือดแบบแอ่งและท่ีจุด C ฟองอากาศจะมี มากจนของเหลวไม่สามารถสัมผัสผิวของแผ่นให้ความร้อนได้และตรงผิวของแผ่นให้ความร้อนจะเกิดฟิล์ม ไอและ T จะเพ่ิมข้ึนอย่างรวดเร็วเรียกจุดน้ีว่ามีการไหม้ ( burn out ) หรือจุดแห่งความร้อนวิกฤต ( critical heat flux ) C – D ; เรียกช่วงนีว้ า่ การเดือดแบบฟิล์มบางส่วนและที่ผิวของแผ่นให้ความร้อนจะมีฟิล์มอยู่ บนสว่ นซ่ึงไมค่ งทต่ี ลอดเวลา D – E ; จะมีฟิล์มไอคงท่ี เรียกช่วงน้ีว่าการเดือดแบบฟิล์มเสถียรและท่ีจุด E จะเป็นจุด หลอมเหลวของแผน่ ให้ความรอ้ น การเดือดแบบฟองและการก่อตัวของฟอง สมการต่อไปน้ีจะแสดงความดันแตกต่างระหว่าง ผวิ โคง้ ทม่ี รี ศั มี R P  2l (2.19) R การเกิดฟองอากาศจะเร่ิมด้วยรัศมีที่เล็ก ๆ ต่อมาของเหลวรอบ ๆ จะถูกให้ความร้อนจนมี สภาพร้อนยวดยิ่งจึ่งเกิดความดันแตกต่าง P Clausius – Clapeyron แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง P และอณุ หภมู ทิ จ่ี ะทาให้ของเหลวเป็นสภาพร้อนยวดยิ่ง Ts คือ T  2lTvv  2lT (2.20) Lr v Lr โดยท่ี Vv คอื ปริมาตรของไอหนงึ่ หนว่ ยมวล ในการเกดิ ฟองอากาศจะข้ึนอยู่กับลักษณะความเปียกได้ของพื้นที่ผิวให้ความร้อนผลของการ เปยี กน้ี แตฟ่ องอากาศพรอ้ มที่จะเกดิ มากกว่าถ้าผิวเปน็ แบบไม่เปียก แสดงถึงการเกิดฟองอากาศท่ีรอยแยกของผิวคาดว่าพื้นที่ผิวสะอาดเรียบจะมีอุณหภูมิร้อน ยวดย่ิงมากกว่าแบบอ่ืน แสดงถึงผลของอุณหภูมิท่ีมีต่อระยะทางจากผิวภายใต้สภาวะการเดือดเป็นฟอง Hsu ไดแ้ สดงสมการไวค้ ล้าย ๆ กับของ Clausius – Clapeyron คือ

ห น้ า | 2-25 T  12.8lTs  3.06lTs (2.21) J vL v L โดยที่  คอื ความหนาของชั้นความร้อน ดังนั้นจึงจะสรุปได้ว่าการเดือดแบบฟองขึ้นอยู่กับการปลดปล่อยของก๊าซท่ีดูดกลืนไว้ ความ หยาบของผิว การออกซิไดสท์ ผ่ี วิ ความเปียกไดข้ องผิว เป็นตน้ รูปท่ี 2.13 การก่อตัวของฟองอากาศจากผวิ ใหค้ วามรอ้ น Rohsenhow ไดแ้ สดงความสัมพันธต์ ่าง ๆ ของการถ่ายเทความร้อนแบบพาของของไหลท่ีได้ กล่าวมาแลว้ เปน็ สมการในรูป qc  0.012  l  v 0.6 (2.22) Lv  v    และ Caswell and Balzhieser ได้ประยกุ ตส์ มการสาหรับโลหะและอโลหะคอื qcp Pr 0.71  1.02106  l  v  (2.23) L2kl v  v    2.5 อณุ หภูมแิ ตกต่างทผ่ี ิวสมั ผสั ของเหลว – ไอ พิจารณาระหว่างผิวสัมผัสของของเหลวและไอจะอยู่ในสภาวะสมดุลมวลเข้าและออกจาก ของเหลงหรอื ไอจะสมดลุ กัน ดงั นัน้ จงึ ไม่มกี ารสญู เสียมวลแตอ่ ย่างไรกต็ ามเม่ือผิวของของเหลวสูญเสียมวล

ห น้ า | 2-26 โดยการระเหยและกลายเป็นไออุณหภูมิของไอจะมากกว่าอุณหภูมิของไอที่จุดสมดุลการอุณหภูมิท่ีลดลง T กห็ าได้จากสมการ q  TL2 P  1 (2.24) RTs2 2 RTs 1/2 2.6 การนาความร้อนของวสั ดุพรนุ ในการหาสมั ประสทิ ธ์กิ ารนาความร้อนจะแยกได้ 2 กรณีคอื 1.ตอ่ ขนาน คอื ตาแหนง่ ของวัสดุพรุนและของไหลทา kw  1   ks   kl (2.25) โดยที่ kl คือ ความนาความรอ้ นของของไหลทางาน ks คือ ความนาความรอ้ นของวสั ดพุ รุน  คอื อัตราส่วนความกลวง เท่ากับ ปริมาตรของไหลทางานในวัสดุพรุน / ปรมิ าตรวสั ดุพรนุ ทงั้ หมด 2.ต่ออนุกรม คอื ใหว้ สั ดพุ รุนและของไหลทางานอยใู่ นตาแหนง่ เป็นเส้นตรงเดยี วกนั ซึ่งจะไดว้ า่ kw  1  (2.26) 1  ks kl ในทางปฏบิ ตั จิ ะหา kw ทงั้ สองกรณีแล้วนามาเปรียบเทยี บกนั แล้วใชอ้ ันที่มีค่าน้อยกว่าในการ คานวณ 2.7 การถ่ายเทความรอ้ นในสว่ นควบแน่น ไอจะถูกควบแน่นในส่วนควบแน่น กลไกของมันคล้ายกับส่วนทาระเหยท่ีได้กล่าวมาแล้วแต่มี อณุ หภมู ลิ ดลงนอ้ ยเน่อื งจากความต้านทานความร้อนการควบแน่นจะมี 2 ลักษณะ คือ

ห น้ า | 2-27 1. โดยการควบแนน่ ไอ จากผวิ ของของเหลว 2. โดยการควบแน่นไอจนเป็นหยดของเหลวจานวนมากๆ เน่อื งจากการถา่ ยเท ความร้อน 2.8 ขดี จากัดในการถ่ายเทความร้อน 2.8.1 ขดี จากดั ความหนืด เป็นข้อจากัดเกี่ยวกับความหนืด คือเม่ืออุณหภูมิต่า ๆ ของไหลทางานจะมีความหนืดซ่ึงจะ ตอ่ ต้านกากรไหลของของไหลและจะส่งผลตอ่ การถา่ ยเทความร้อนของระบบท้งั หมด Busse ไดก้ ล่าววา่ อตั ราความร้อนตามแนวแกนจะเพิ่มขึ้นในขณะที่ความดันในส่วนควบแน่น ลดลงและอตั ราความร้อนสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่อความดันในส่วนควบแน่นลดลงจนเท่ากับศูนย์หรืออาจจะหา จากสมการ q  rv2Lv Pv (2.27) 16vleff 2.8.2 ขดี จากดั การดงึ ของเหลวกลบั สภาวะการเกิดการดึงของเหลวกลับได้กล่าวมาแล้วในข้างต้น จึงจะไม่อธิบายอีก แต่จะแสดง วธิ ีการหาการถา่ ยเทความร้อนสูงสดุ เนือ่ งจากขดี จากดั การดงึ ของเหลวกลบั คือ  2v L2 1/ 2  Z  q   l  (2.28) 2.8.3 ขดี จากดั คาปลิ ลารี จากในบทนาเราทราบว่า  Pc max  Pe  PV  Pg ซึ่งปริมาณ Pe , PV , Pg เรา ก็ได้ทราบจากหัวข้อต้น ๆ แล้วแต่ในหัวข้อนี้เราจะหากการถ่ายเทความร้อนสูงสุด จากสูตรโดยมี สมมตุ ฐิ าน 3 ข้อ คือ 1. ใหค้ ณุ สมบตั ิของของเหลวไม่เปลี่ยนแปลงไปตามความยาวของท่อความร้อน 2. รปู ร่างของวัสดพุ รุนจะคงท่ีตลอดความยาวของท่อความร้อน 3. ความดันลดเนือ่ งจากการไหลของไอถือว่านอ้ ยมาก

ห น้ า | 2-28 Qmax   l l L   KA   2 l gl sin   (2.29)  l   l   re l      2.9 ท่อความรอ้ นทมี่ แี รงโนม้ ถว่ งเสริม ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมีผลต่อการทางานของท่อความร้อนมากน้อยเพียงใด โดยจะดจู ากกราฟหรอื หาจากสมการเพอ่ื หาค่าความร้อนสูงสดุ Abhat และ Nguyen – Chi ได้ศึกษาว่า ความเร่งเน่ืองจากแรงโน้มถ่วงของโลกมีส่วนช่วย ทอ่ ความร้อนในการทางานอย่างไร โดยใชท้ ่อความรอ้ นทองแดง / นา้ ใช้วัสดุพรุนอย่างง่าย โดยทดลองทา ท่ีมมุ เอยี งตาง ๆ (จากแนวราบ) ผลการทดลองไอ้นาเปรียบเทียบกับพวกทฤษฎีโดย Kaser และ Kaser ได้ สรุปวา่ ขดี จากดั ของการถ่ายเทความร้อนจะเกิดเม่ือมีหยดของเหลวท่ีถดถอยออกจากปลายส่วนทาระเหย และไดม้ กี ารพฒั นาสมการการหาอัตราความร้อนสูงสดุ ของท่อความรอ้ นคือ qmax  3.26102 a cos / 2cos.  .l L (2.30) l โดยท่ี a คือ ความกวา้ งของรอ่ ง  คอื มมุ รอ่ ง  คอื มุมสัมผัส

ห น้ า | 2-29 รปู ท่ี 2.14 ผลของอุณหภมู ิที่มีตอ่ สมรรถนะต่อท่อความร้อนที่มมุ เอียงตา่ งๆ 2.10 ท่อบรรจคุ วามรอ้ น หน้าทขี่ องท่อความร้อนก็คือที่จะกันของไหลทางานออกจากสิ่งแวดล้อมใด ๆ ดังน้ันเองจะต้องเป็น ส่วนท่ีป้องกันการรั่วไหลได้และสามารถควบคุมความแตกต่างของความดันระหว่างผนังและสามารถท่ีจะ ถา่ ยเทความร้อนทเี่ กิดขึ้นเขา้ และออกจากของไหลทางานได้ การเลือกวัสดุของผนงั ทอ่ นั้นข้นึ อยู่กับหลายปจั จยั ดว้ ยกนั ดงั ต่อไปนี้ ก. ความเขา้ กันได้กบั ของไหลทางาน ข. อัตราสว่ นความแข็งแกรง่ ตอ่ น้าหนกั ค. ความนาความรอ้ น ง. งา่ ยทจ่ี ะข้นึ รปู เช่อื ม กลงึ ขัดและดึง จ. มีความพรุนตา่ ฉ. ความเปยี กได้ คณุ สมบัติเหล่านี้ก็เป็นท่ีเข้าใจได้งา่ ย เชน่ อัตราส่วนของความแข็งแกร่งต่อน้าหนักนั้นมากในการใช้ งานในยานอวกาศและวัสดุนั้นควรจะเป็นวัสดุท่ีไม่พรุนเพ่ือท่ีจะไม่ให้แก๊สที่เกิดขึ้นในท่อความร้อนนั้น

ห น้ า | 2-30 แพร่กระจายออกไปและความนาความร้อนท่ีสูงน้ันจะทาให้มีอุณหภูมิลดท่ีน้อยมากในระหว่างแหล่งความ รอ้ นและตวั วัสดุพรนุ เอง 2.10.1 ข้อดขี องท่อความร้อน - งา่ ยตอ่ การสร้าง ราคาไม่แพง - สามารถนาความร้อนสงู - สามารถถา่ ยเทความร้อนได้เมื่อแหลง่ รับและระบายความร้อนอย่หู ่างกัน - สามารถใช้เป็นอุปกรณ์ความร้อนที่มีพื้นที่เล็กและแคบได้ - ไมต่ ้องการพลงั งานภายนอกสาหรบั ใช้ในการทางาน รปู ที่ 2.15 แสดงทอ่ ความร้อนทีท่ าจากทอ่ ทองแดงและสแตนเลส 2.11 การควบแน่น (Condensation) เมื่อไอของของไหลเคลื่อนท่ีมาสัมผัสกับผิวของผนังท่ีมีอุณหภูมิต่ากว่าอุณหภูมิอ่ิมตัวของไอ ไอจะ เปล่ียนสภาวะเป็นของเหลว อัตราการควบแน่นของไอขึ้นอยู่กับว่าความร้อนจะถูกระบายออกจากผนังได้ รวดเร็วแค่ไหน การควบแน่นแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ การควบแน่นแบบเป็นแผ่น( filmwise condensation) และการควบแนน่ แบบเปน็ หยด (dropwise condensation) การควบแน่นแบบเป็นแผ่น คือ การควบแน่นที่ของเหลวที่ได้จากการควบแน่นมีลักษณะเป็นหยด อยู่บนผิวของผนัง การควบแน่นแบบน้ีเกิดขึ้นมากในทางปฏิบัติการควบแน่นแบบเป็นหยด คือ การ ควบแน่นที่ของเหลวทไี่ ด้จากการควบแน่นมลี ักษณะเป็นหยดอยู่บนผิวของผนัง อัตราการถ่ายเทความร้อน ของการควบแน่นแบบน้ีมคี ่าสูงมาก แต่การควบแน่นแบบน้ีจะเกิดในระยะแรกของการควบแน่น โดยปกติ แล้วการควบแน่นแบบนจ้ี ะไม่เกิดข้นึ บ่อยนัก

ห น้ า | 2-31 2.11.1 การควบแน่นบนพ้ืนลาดเอยี ง (Condensation on an Inclined Plane) แสดงการวิเคราะห์ของนัสเซลท์ในการหาสัมประสิทธ์ิการพาความร้อนบนพื้นราบที่มีความ ยาว L และมีความกว้าง W เอนทามุมกับแนวราบด้วยมมุ  ในการวเิ คราะห์ นสั เซลท์ตอ้ งตงั้ สมมตุ ิฐาน 2 ประการ คือ 1. การไหลของของไหลลงมาตามพื้นลาดเอียงเป็นการไหลแบบราบเรียบ น่ันคือ ความร้อน เคลือ่ นท่ผี า่ นชนั้ ของของเหลวโดยวธิ กี ารนา (conduction) 2. ความเรว็ ของของเหลว ที่ระยะทาง y จากผิวของผนงั ให้ได้โดยสมการ Vy  Vo 2  y    y 2  (2.31)        โดยที่  = ความหนาของของเหลวที่ไหลบนพืน้ ทีล่ าดเอียง Vo = ความเรว็ สูงสดุ น้ันก็คือ ความเรว็ ทสี่ ว่ นบนสุดของของเหลว พิจารณาของเหลวบนพื้นราบที่มีความยาว dx แรงท่ีกระทาบนของเหลวนั้น จะต้องอยู่ในลักษณะสมดุล นั้นคือ น้าหนักของของเหลวในทิศทางตามพ้ืนที่ลาดเอียง จะต้องเท่ากับ แรงเฉือน (shear force) ซึ่ง กระทาบนของเหลว ดังนน้ั จึงเขียนได้ว่า mg sin = Ao g dx w sin =  dxw   vy  yo  y    = dxwvo  2     เพราะว่า  Vy  yo = 2Vo  y   ดงั น้ัน Vo =  2 g sin (2.32) 2

ห น้ า | 2-32 อตั ราการถา่ ยเทของความร้อนท้งั หมด จะหาได้จาก L L = W  qx dx O Q =  qx dA O = WkT L 1 1 x 4 dx  4kT   4 O     2 ghfg sin  3 =  4  kTL4W (2.33)  3    4kT  1  4   2 ghfg sin  2.11.2 การควบแน่นแบบหยด (Dropwise Condensation) สัมประสิทธ์ิของการพาความร้อนเม่ือเกิดการควบแน่นแบบหยด จะมีค่าสูงกว่าค่า สัมประสิทธิ์ของการพาความร้อนสาหรับการควบแน่นแบบแผ่น (Filmwise condensation) มากใน เคร่ืองแลกเปลี่ยนความร้อน จึงได้พยายามทาให้เกิดการควบแน่นแบบเป็นหยด เพื่อจะทาให้ค่า สัมประสิทธิ์การพาความร้อนสูงข้ึน แต่ความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนส่วนอื่นๆ มีค่ากว่าความ ต้านทานของการควบแน่นของไอมาก ดังนั้น จึงยังไม่มีความจาเป็นท่ีจะหาสมการเพื่อทานายค่าของ สมั ประสิทธ์ิการพาความรอ้ นระหวา่ งการควบแน่นแบบหยดมากนกั Incroper and Dewitt [11] ได้ให้สมการสาหรับทานายค่าสัมประสิทธ์การพาความร้อน สาหรบั การควบแน่นแบบหยดของไอนา้ ที่มีความดันใกล้กับความดันบรรยากาศ บนผิวทองแดงไว้ดงั นี้คอื เมื่อ 22 C < Ts < 100 C h = 51104 + 2044Ts เม่อื Ts > 100 C h = 255510 โดยที่ ค่าสมั ประสทิ ธิก์ ารพาควมรอ้ นท่หี าไดม้ หี น่วยเปน็ W/m2K และ Ts คือ อุณหภมู ิ อิ่มตัว (saturation temperature) ของไอ