นวัตกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวเพื่อการประหยัดพลังงาน
ศาสตราจารย์ ดร.สมชาย วงศ์วิเศษ และ ดร.ปริญญา เกียรติภาชัย
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
ในอดีต ทรัพยากรธรรมชาติมีความอุดมสมบูรณ์ มนุษย์จึงใช้แหล่งพลังงานฟอสซิล (Fossil energy) เช่น ถ่านหิน (Coal) น้ำมัน (Oil) และก๊าซธรรมชาติ (Natural gas) อย่างฟุ่มเฟือย ปัจจุบัน แหล่งพลังงานดังกล่าวลดน้อยลง รวมถึงปัญหามลภาวะ (Pollution) จากการใช้พลังงานของมนุษย์จะส่งผลต่อการเกิดภาวะโลกร้อน (Global warming) ทั้งภาครัฐและเอกชนแต่ละประเทศจึงคำนึงถึงความสำคัญในการใช้พลังงานที่มีอยู่ให้เกิดประโยชน์สูงสุด ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์ทางความร้อนชนิดต่าง ๆ จึงถูกวิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อน การสำรวจเอกสารแสดงให้เห็นว่า นักวิชาการได้ให้ความสนใจและมุ่งศึกษาไปที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchanger) เพื่อเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อน ยิ่งไปกว่านั้น ผู้ออกแบบอุปกรณ์ได้ให้ความสำคัญแก่ขนาดของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อการใช้งานในพื้นที่จำกัด การออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจึงเป็นเรื่องท้าทาย
รูปที่ 1 ระบบหม้อไอน้ำที่มีการติดตั้งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อขดติดครีบเกลียว
ตัวอย่างการนำอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนไปใช้ประโยชน์ เช่น การนำอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนไปประยุกต์ใช้กับระบบหม้อไอน้ำ (Boiler system) ที่ตำแหน่งปล่องปล่อยไอเสียเพื่อลดต้นทุนการใช้เชื้อเพลิงจากการอุ่นน้ำก่อนเข้าระบบหม้อไอน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งทำให้ประหยัดทรัพยากรและลดต้นทุนพลังงานในการผลิต การประหยัดพลังงานในภาคอุตสาหกรรมจะส่งผลกระทบในทางที่ดีต่อภาพรวมของการใช้พลังงานในประเทศไทย อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อขดติดครีบเกลียวถือเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเพื่อนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งเรามักเรียกกันว่า อีโคโนไมเซอร์ (Economizer) อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียว (spiral fin-and-tube heat exchanger)
แนวคิดในการสร้างสรรค์นวัตกรรม
รูปที่ 3 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสม (S. Wongwises, P. Kiatpachai, “MIXED LOUVER SPIRAL FIN”, Patent No. US 10,436,524 B2, Date of Patent Oct. 8 (2019) 1-5.)
จุดเริ่มต้นของการพัฒนาเทคโนโลยีนี้เกิดจากนโยบายการอนุรักษ์พลังงานของกระทรวงพลังงานเพื่อตอบสนองมาตรการการประหยัดพลังงานของภาคอุตสาหกรรมและอื่นๆ เนื่องจากความร้อนทิ้ง (Waste heat) ของอุตสาหกรรมในประเทศไทยมีปริมาณสูงและยังไม่มีการนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์อย่างเป็นรูปธรรม เนื่องจากภาครัฐและเอกชนไม่ทราบข้อมูลทางด้านเทคโนโลยีการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ใหม่มากนัก ด้วยเหตุนี้ จึงก่อให้เกิดจุดเริ่มต้นการศึกษา วิจัย ที่นำไปสู่นวัตกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน จนกระทั่งเป็น “อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสม” ดังแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งประกอบไปด้วยครีบรูปแบบใหม่ที่มีชื่อว่า “ครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสม (Mixed louver spiral fin)“ เป็นผลงานที่ทำการจดสิทธิบัตรในประเทศไทยและประเทศสหรัฐอเมริกา (US Patent) ตามการเอกสารอ้างอิงดังนี้ S. Wongwises, P. Kiatpachai, “MIXED LOUVER SPIRAL FIN”, Patent No. US 10,436,524 B2, Date of Patent Oct. 8 (2019) 1-5. ทำให้มั่นใจได้ว่าครีบนี้จะช่วยเพิ่มสมรรถนะในการถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบและยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมได้อย่างหลากหลาย เช่น กระบวนการทำความร้อน ความเย็น และการปรับอากาศ อีกทั้ง นวัตกรรมนี้ยังสามารถสร้างความมั่นคงด้านพลังงานได้เพื่อแก้ปัญหาวิกฤติพลังงาน (Energy Crisis) และสร้างความมั่นคงด้านพลังงาน (Energy Security) ของประเทศ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสมจะเป็นทางเลือกหนึ่งของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูงที่เกิดจากการวิจัยอย่างต่อเนื่องและนำไปสู่นวัตกรรมเพื่อประโยชน์ต่อสถานการณ์การใช้พลังงานของอุตสาหกรรมในประเทศไทย
ความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานของนวัตกรรม
ลักษณะของนวัตกรรมนี้เป็นการปรับปรุงครีบเกลียวธรรมดา (Conventional spiral fin) ให้มีบานเกล็ด (louver) บนผิวครีบ (Fin surface) ซึ่งถือเป็นนวัตกรรมในการออกแบบของครีบเกลียว ครีบเกลียวแบบใหม่นี้จึงถูกเรียกว่า “ครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสม (Mixed louver spiral fin)” ซึ่งจะส่งเสริมสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนด้านอากาศ ครีบเกลียวแบบบานเกล็ดจะส่งผลต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในกระบวนการทางความร้อนต่าง ๆ
รูปที่ 4 อิทธิพลของครีบเกลียวแบบบานเกล็ดผสมเมื่อเทียบกับครีบเกลียวแบบธรรมดาที่มีต่อผลอัตราการถ่ายเทความร้อนในช่วงความเร็วอากาศหน้าปะทะ 2-6 m/s
ทั้งนี้ รูปที่ 4 ได้แสดงผลการทดลองเพื่อศึกษาสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนของครีบเกลียวแบบบานเกล็ดผสม การเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าครีบเกลียวแบบบานเกล็ดผสมให้สมรรถนะการถ่ายเทความร้อนในรูปของอัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงกว่าครีบเกลียวแบบธรรมดาสูงถึง 33% และเกิดความดันลด (Pressure drop) เพิ่มขึ้นในปริมาณที่น้อย ประมาณ 5% ที่ความเร็วอากาศหน้าปะทะเท่ากัน ดังนั้น ผลงานนี้จะนำไปสู่การประยุกต์ในอุตสาหกรรมเพื่อนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ใหม่ หรือระบบปรับอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความ
ความคุ้มค่าของนวัตกรรม
งบประมาณที่ใช้ในการสร้างนวัตกรรมต้นแบบนี้เป็นเงินรวมทั้งสิ้น 20,000 บาท โดยมาจากค่าวัสดุและค่าแรงของการทำแม่พิมพ์ครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสม (Mixed louver spiral fin) ดังรูปที่ 5 ซึ่งไม่ส่งผลต้นทุนการผลิตเดิม
รูปที่ 5 แม่พิมพ์ครีบเกลียวเพิ่มสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนแบบบานเกล็ดผสม
นวัตกรรมนี้มีเพียงการลงทุนเริ่มต้น (Initial cost) เพื่อเพิ่มอุปกรณ์เชิงเทคนิค (แม่พิมพ์) ที่ใช้ในการปั้มลายบานเกล็ดผสมบนครีบ ดังนั้น ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะมีมูลค่าทางการตลาดสูงกว่าครีบเกลียวแบบธรรมดา เนื่องจากเป็นครีบรูปแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง ทั้งนี้ การกำหนดมูลค่าของผลิตภัณฑ์จะขึ้นอยู่กับการตลาดของผู้ประกอบการ ซึ่งเชื่อว่ามีความคุ้มค่าเชิงเศรษฐศาสตร์และเชิงการอนุรักษ์พลังงานต่อภาคอุตสาหกรรมและประเทศชาติ
นวัตกรรมนี้เหมาะสมกับใคร?
นวัตกรรมนี้สามารถนำไปประยุกต์ได้อย่างกว้างขวางเพื่อผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เช่น ใช้ในการดึงความร้อนซึ่งปกติจะทิ้งไปกลับมาใช้ใหม่ (Heat Recovery) หรือใช้ในระบบการทำความเย็น และการปรับอากาศ (Air-Conditioning) เป็นต้น ดังแสดงในรูปที่ 6
รูปที่ 6 รูปถ่ายอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียว (spiral fin-and-tube heat exchanger) ในรูปแบบต่าง ๆ
แนวคิดในการพัฒนาผลงานนวัตกรรมต่อไปในอนาคต
การปรับปรุงและพัฒนาแม่พิมพ์ให้เป็นลูกรีด (Rolling) ขบกันเพื่อง่ายต่อการปั้มลายบานเกล็ดผสมก่อนเข้าเครื่องผลิตท่อติดครีบเกลียว ซึ่งส่งผลต่อการเพิ่มและลดขั้นตอนการผลิต นอกจากนี้ ยังรวมถึงการวิจัยและพัฒนาครีบเกลียวรูปแบบใหม่นี้กับการกรองหรือดักฝุ่นละอองขนาดเล็กไม่เกิน 2.5 ไมครอน (PM2.5) และขนาดอื่นๆ เพื่อลดปัญหามลพิษทางอากาศ ควบคู่กับการประหยัดพลังงาน โดยที่ประสิทธิภาพและต้นทุนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนยังคงเดิม
