เนื้อหาวันที่ : 2010-02-25 12:31:12 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 10280 views

อุปกรณ์เปลี่ยนความร้อนในงานอุตสาหกรรม (ตอนที่ 1)

ในการทำงานของเครื่องจักรและอุปกรณ์ที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรนั้น สิ่งที่เกิดมาพร้อมกับการทำงานของเครื่องจักรคือความร้อน ดังนั้นสิ่งที่ต้องมีควบคู่กันกับเครื่องจักรก็คือการระบายความร้อน เพื่อที่จะควบคุมและรักษาระดับความร้อนไม่ให้มากเกินไปจนเป็นอันตรายต่อเครื่องจักรซึ่งนำมาสู่ความเสียหายต่อการผลิตอันเนื่องมาจากต้องหยุดเครื่องจักรที่เสียหายดังกล่าวเพื่อซ่อมแซม

อาจหาญ ณ นรงค์
แผนกวิศวกรรมและซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด
 

.

 

.

ในการทำงานของเครื่องจักรและอุปกรณ์ที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรนั้น สิ่งที่เกิดมาพร้อมกับการทำงานของเครื่องจักรคือความร้อน ดังนั้นสิ่งที่ต้องมีควบคู่กันกับเครื่องจักรก็คือการระบายความร้อน เพื่อที่จะควบคุมและรักษาระดับความร้อนไม่ให้มากเกินไปจนเป็นอันตรายต่อเครื่องจักรซึ่งนำมาสู่ความเสียหายต่อการผลิตอันเนื่องมาจากต้องหยุดเครื่องจักรที่เสียหายดังกล่าวเพื่อซ่อมแซม

.
กฎของการถ่ายเทความร้อน ธรรมชาติของการถ่ายเทความร้อน 

ก่อนที่เราจะมารู้จักรูปแบบของการถ่ายเทความร้อน อยากให้เราได้รู้จักกฎของการถ่ายเทความร้อนกันก่อน โดยกฎของการถ่ายเทความร้อนนี้จะเป็นไปตามกฎความเป็นศูนย์ของเทอร์โมไดนามิก (Zero Law of Thermodynamic) หรือกฎการสมดุลอุณหภูมิดังรูปที่ 1 ได้กล่าวไว้สรุปได้ว่า “ในสภาวะสมดุล ถ้าวัตถุ A มีอุณหภูมิเท่ากับวัตถุ B และวัตถุ B มีอุณหภูมิ เท่ากับวัตถุ C ดังนั้นวัตถุ C จะมีอุณหภูมิเท่ากับวัตถุ A” 

.

รูปที่ 1 แสดงการสมดุลอุณหภูมิของวัตถุ

.

จากที่กล่าวมาข้างต้นสามารถอธิบายให้เข้าใจง่าย ๆ ได้ว่า "เมื่อวัตถุที่มีอุณหภูมิไม่เท่ากันถูกนำมาอยู่ใกล้ ๆ กันหรือติดกัน วัตถุก็จะเกิดการถ่ายเทความร้อนให้กัน กลไกการถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นและดำเนินต่อไปจนกว่าวัตถุทั้งสองนั้นจะมีอุณหภูมิเท่ากัน การถ่ายเทความร้อนจึงจะหยุด"

.

ตัวอย่างเช่น เมื่อเราเอาแท่งเหล็กที่เผาไฟจนร้อนแดงแล้วจุ่มลงในน้ำที่อุณหภูมิห้อง กลไกการถ่ายเทความร้อนจะเริ่มเกิดขึ้น โดยเหล็กร้อนจะถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำจนกระทั่งเหล็กมีอุณหภูมิเท่ากับน้ำที่อุณหภูมิห้องการถ่ายเทความร้อนจึงจะหยุด

.

เราจึงสามารถสรุปใจความตามตัวอย่างนี้ได้ว่า “เมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิเกิดขึ้น กลไกการถ่ายเทความร้อนก็จะเกิดขึ้นโดยความร้อนจะถ่ายเทจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงไปยังแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า และจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งระบบอยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหภูมิ หรืออุณหภูมิเท่ากันทั้งระบบหรือขอบเขต กลไกการถ่ายเทความร้อนจึงจะหยุด”

.
รูปแบบและกลไกการถ่ายเทความร้อน

รูปแบบและกลไกการถ่ายเทความร้อนนั้นหมายถึงวิธีการและกลไกของการถ่ายเทความร้อนจากแหล่งความร้อนหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่งซึ่งมีอยู่ 3แบบ โดยจะขออธิบายโดยย่อ ๆ พอเป็นที่เข้าใจดังต่อไปนี้คือ

.
1. การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน (Conduction Heat Transfer)

กลไกการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนนั้นจะเกิดขึ้นกับวัสดุตัวกลางโดยที่การส่งผ่านความร้อนของกลไกการถ่ายเทความร้อนแบบการนำความร้อนจะเกิดขึ้นจากการสั่นของโมเลกุล ซึ่งจะเกิดขึ้นกับวัสดุตัวกลางหรือตัวนำความร้อนที่เป็นของแข็ง (Solid)

.

การสั่นของโมเลกุลจะเกิดจากโมเลกุลหนึ่งและถ่ายทอดไปยังอีกโมเลกุลหนึ่งของวัสดุตัวนำต่อเนื่องกันไป เพื่อความเข้าใจให้เรานึกถึงตอนที่เรานำลวดเส้นหนึ่งมาเผาไฟแล้วรออยู่สักครู่หนึ่งความร้อนก็จะค่อย ๆ ถ่ายทอดจากด้านที่เป็นเปลวไฟไปอีกด้านหนึ่งของลวดดังรูปที่ 2  

.

ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนนั้น ขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุตัวกลาง (Thermal Conductivity: k) หรือตัวนำความร้อนซึ่งเป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของวัสดุเมื่อมีความร้อนผ่าน สำหรับในระบบ SI จะมีหน่วยเป็น  หมายถึง ความสามารถในการถ่ายเทปริมาณความร้อนเป็นจำนวนวัตต์ (Watt) ต่อความยาวหรือความหนาเป็นเมตรของตัวนำเมื่ออุณหภูมิของวัสดุตัวนำเปลี่ยนไป 1 องศาเคลวิน (K) หรือองศาเซลเซียส (C)

.

เช่น เหล็กหล่อ (Cast Iron) มีค่าการนำความร้อนประมาณ  ในขณะที่อะลูมิเนียมอัลลอยด์ (Aluminum Alloy) มีค่าการนำความร้อนประมาณ  ดังนั้นอะลูมิเนียมอัลลอยด์จึงนำความร้อนดีกว่าเหล็กหล่อ จะเห็นว่ายุคหลัง ๆ เสื้อสูบของเครื่องยนต์รุ่นใหม่ ๆ จะเปลี่ยนมาใช้อะลูมิเนียมอัลลอยด์แทนเสื้อสูบเหล็กหล่อเพราะว่านอกจากน้ำหนักจะเบากว่าแล้วยังสามารถระบายความร้อนออกจากเครื่องยนต์ได้ดีกว่านั่นเอง

.

รูปที่ 2 แสดงนำความร้อนของลวดที่ถูกเผาไฟ

.
สำหรับปริมาณการถ่ายเทความร้อนจากการนำความร้อนจะเป็นไปตามสมการ 

.

โดยที่  qc   คือปริมาณของความร้อนที่ถ่ายเทโดยการนำความร้อน, Watt
               k   คือค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุ,
              Th คืออุณหภูมิฝั่งที่ร้อนของวัสดุ, K
              TL คืออุณหภูมิฝั่งที่เย็นของวัสดุ, K 
                L คือระยะระหว่างฝั่งที่ร้อนกับเย็นหรือความหนา, m
                A คือพื้นที่หน้าตัด (Area) ของวัสดุตัวนำ, m2 

..

รูปที่ 3 องค์ประกอบของกลไกการระบายความร้อนด้วยการนำ

..

สำหรับการเกิดขึ้นของกลไกการถ่ายเทความร้อนแบบนำความร้อนเราสามารถอธิบายได้ว่า “เมื่อมีวัตถุตั้งแต่สองอย่างที่มีอุณหภูมิต่างกันมีขอบเขตติดต่อกัน จะเกิดการถ่ายเทความร้อนขึ้น โดยการถ่ายเทความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุที่มีอุณหภูมิที่สูงกว่าไปสู่วัตถุที่อุณหภูมิต่ำกว่า การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและจะหยุดต่อเมื่อวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน” จากรูปที่ 3 แสดงวัตถุสองชิ้น โดยที่ชิ้นหนึ่งเป็นวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง (Hot) และอีกชิ้นหนึ่งเป็นวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ (Cold)

..

วัตถุทั้งสองชิ้นถูกต่อเชื่อมด้วยวัสดุตัวนำความร้อน (Conductor) ที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัด (Area, A) และความยาว (Length, L) จากรูปดังกล่าวความร้อนจากแท่งวัตถุร้อนจะถูกถ่ายเทไปยังแท่งวัตถุเย็นที่มีอุณหภูมิเย็นกว่าโดยผ่านวัสดุตัวนำ โดยกลไกการถ่ายเทความร้อนจะเป็นไปตามสมการที่ (1) และความร้อนที่ถ่ายเทนั้นจะมากหรือน้อยก็จะขึ้นอยู่กับ

..

- พื้นที่การนำความร้อนของตัวนำ (Area) ถ้าพื้นที่การนำร้อนมีมาก ก็จะสามารถถ่ายเทความร้อนได้ในปริมาณที่มาก
- ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุสองชิ้น (Thot-Tcold) ถ้าอุณหภูมิมีความแตกต่างกันมาก ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทก็จะมากตามไปด้วย

..

- ความหนาหรือความยาว (L) ของวัสดุตัวนำที่เป็นตัวนำความร้อนระหว่างวัตถุสองชิ้น ถ้าความหนาหรือความยาวน้อยก็จะสามารถถ่ายเทความร้อนได้มากกว่า

..

- ชนิดของวัสดุที่นำมาเป็นตัวนำความร้อน วัสดุแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติของการนำความร้อนได้มากน้อยต่างกัน ถ้าเป็นวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนมากกว่าการถ่ายเทความร้อนก็ได้มากตามมาด้วยดังแสดงในตารางที่ 1

 ..
ตารางที่ 1 แสดงค่าสัมประสิทธิ์กานำความร้อนของวัสดุตัวนำชนิดต่าง ๆ
 

 ..
 ..
2. การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน (Convection Heat Transfer)

การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน จะเกิดขึ้นกับสารตัวกลางที่เป็นของไหล เช่น อากาศ น้ำ หรือน้ำมัน หรือของไหลอื่น ๆ เมื่อของไหลดังกล่าวสัมผัสกับวัตถุที่มีอุณหภูมิแตกต่างกับตัวของไหลก็จะเกิดการถ่ายเทความร้อนขึ้น เช่น เมื่ออากาศที่มีอุณหภูมิสูงไหลผ่านคอยล์เย็นของเครื่องปรับอากาศ การถ่ายเทความร้อนก็จะเกิดขึ้นทำให้อากาศที่ไหลผ่านคอยล์เย็นออกมามีอุณหภูมิที่ลดลง

 ..

หรือในระบบระบายความร้อนของหม้อน้ำรถยนต์ดังรูปที่ 4 เมื่อความร้อนจากเครื่องยนต์ถูกถ่ายเทสู่น้ำและน้ำร้อนถูกส่งมายังหม้อน้ำ ในขณะที่ลมไหลผ่านหม้อน้ำ ความร้อนจากหม้อน้ำก็จะถูกถ่ายเทโดยการพาความร้อนสู่อากาศที่ไหลผ่านหม้อน้ำทำให้อากาศที่ไหลผ่านออกจากหม้อน้ำร้อนขึ้น และน้ำที่ไหลออกจากหม้อน้ำกลับไปในเครื่องยนต์จะมีอุณหภูมิลดลง  

 .
ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทด้วยการพาความร้อนจะเป็นไปตามสมการ                                                 

 .
โดยที่      qv    คือปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทโดยการพา, Watt
                   A   คือพื้นที่ของวัตถุที่สัมผัสกับของไหล, m2
                 Ts   คืออุณหภูมิพื้นผิวของวัตถุ (Solid Surface Temp.), K
                  Tf   คืออุณหภูมิของของไหล (Fluid Surface Temp), K
                   h   คือค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนโดยเฉลี่ยของสาร - ตัวกลาง,        
 .

รูปที่ 4 การระบายความร้อนของหม้อน้ำรถยนต์

 .

ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนโดยเฉลี่ยของสารตัวกลางจะมากหรือน้อยนั้นก็จะขึ้นอยู่กับชนิด ลักษณะการไหลหรือเคลื่อนตัวของสารตัวกลางผ่านวัตถุที่กำลังถ่ายเทความร้อน ดังเช่น น้ำจะมีค่าสัมประสิทธิ์ในการนำความร้อนมากกว่าลมหรืออากาศ ลมที่มีความเร็วสูงที่ไหลผ่านแหล่งความร้อนจะมีค่าสัมประสิทธิ์ในการพาความร้อนโดยเฉลี่ยมากกว่าลมที่ไหลช้าดังแสดงในตารางที่ 2 ซึ่งเป็นตารางแสดงค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนโดยเฉลี่ยของของไหลแบบต่าง ๆ

 .

ตารางที่ 2 แสดงค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนโดยเฉลี่ยของของไหลแบบต่าง ๆ

 .

จากตารางที่ 2 เราจะเห็นว่าในการพาความร้อนแบบอิสระหรือการพาความร้อนแบบธรรมชาตินั้นค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนโดยเฉลี่ยของสารตัวกลางจะต่ำกว่าค่าของการพาความร้อนแบบบังคับ สำหรับรายละเอียดการพาความร้อนทั้งสองแบบนี้นั้นให้ดูรายละเอียดต่อไปในหัวข้อที่ 1.2.1 และหัวข้อที่ 1.2.2 

 .

เพื่อความเข้าใจในกลไกการพาความร้อนดียิ่งขึ้นให้พิจารณารูปที่ 5 ลมเย็นที่อุณหภูมิและความเร็วหนึ่ง เคลื่อนที่ผ่านแผ่นโลหะร้อนในแนวขนานจากซ้ายไปขวา โดยที่แผ่นโลหะร้อนมีพื้นที่ (A) และอุณหภูมิ (TH) ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิของลมเย็น (TC) ในตอนแรกลมเย็นจะเริ่มสัมผัสกับแผ่นโลหะร้อน เมื่อเลยจากจุดที่เริ่มสัมผัสไป

 .

ในขณะที่ลมเย็นเคลื่อนที่ผ่านแผ่นโลหะร้อนนั้นความร้อนจากแผ่นโลหะจะถ่ายเทเข้าสู่ลมเย็นทุก ๆ ช่วงระยะทางทำให้อุณหภูมิของลมเย็นค่อย ๆ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนเมื่อผ่านแผ่นโลหะออกไปลมที่ออกก็จะมีอุณหภูมิสูงหรือลมร้อน แต่อุณหภูมิของลมที่ออกจะเพิ่มขึ้นมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับความร้อนของแผ่นโลหะว่ามากน้อยเพียงใดและอีกอย่างหนึ่งก็คือความเร็วลมที่พัดผ่านแผ่นโลหะ 

 .

รูปที่ 5 แสดงกลไกและลักษณะการพาความร้อน

 .

สำหรับความเร็วของลมที่ไหลผ่านแผ่นโลหะเราจะเห็นว่าตำแหน่งที่ติดกับแผ่นโลหะความเร็วของของไหลหรือลมจะมีค่าเป็นศูนย์ ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะเกิดจากความเสียดทานที่เกิดขึ้นจากความหนืดของของไหล แต่ที่ระดับความห่างที่มากขึ้นจากแผ่นโลหะความเร็วก็จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ในส่วนของอุณหภูมิของของไหลที่ไหลผ่านแผ่นโลหะเราจะเห็นว่าอุณหภูมิของของไหลที่ติดกับแผ่นโลหะจะมีความร้อนมาก และจะค่อย ๆ ลดที่ระยะทางห่างจากแผ่นโลหะมากขึ้นดังแผนภูมิแสดงระดับชั้นของอุณหภูมิรูปที่ 5

 .
* รูปแบบการถ่ายเทความร้อนแบบการพา

การพาความร้อนแบบอิสระ (Free Convection) ตัวอย่างของการพาความร้อนแบบนี้ก็คือการถ่ายเทความร้อนระหว่างถ้วยกาแฟสู่บรรยากาศ หรือการถ่ายเทความร้อนของหลังคาบ้านสู่บรรยากาศแบบในวันที่ไม่มีลมพัด  

 .

รูปที่ 6 การพาความร้อนแบบอิสระขอครีบระบายความร้อนของหม้อแปลง 

 .

รูปที่ 7 แสดงกลไกของการพาความร้อนแบบอิสระ

 .

ในแง่ของการใช้งาน การระบายความร้อนแบบนี้จะใช้กับอุปกรณ์ที่มีภาระทางความร้อนไม่มาก เช่น ครีบระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ครีบระบายความร้อนของหม้อแปลงไฟฟ้า ดังรูปที่ 6 กลไกการทำงานของการพาความร้อนแบบอิสระแสดงดังรูปที่ 7 เป็นรูปแผ่นโลหะร้อนวางไว้ในแนวตั้งอยู่ในที่ที่อากาศนิ่งสงบไม่มีลมพัดผ่าน

 .

เมื่อพิจารณาการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นเราจะเห็นว่า เมื่อแผ่นโลหะร้อนดังกล่าวมีความอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของบรรยากาศที่อยู่รอบ ๆ ตัวมัน แผ่นโลหะดังกล่าวก็จะถ่ายเทความร้อนออกจากตัวมันให้กับอากาศที่อยู่ติดกับแผ่นโลหะ เมื่ออากาศได้รับความร้อนก็จะทำให้อากาศเกิดการขยายตัวหรือมีปริมาตรจำเพาะ (Specific Volume,,) เพิ่มขึ้น (น้ำหนักของอากาศต่อปริมาตรจะลดลง)

 .

หรือจะพูดง่าย ๆ คืออากาศตรงนั้นเบาขึ้นจึงทำให้เกิดการลอยตัวสูงขึ้น เมื่ออากาศที่ได้รับการถ่ายเทความร้อนจากแผ่นโลหะร้อนดังกล่าวลอยตัวสูงขึ้นแล้ว อากาศเย็นที่อยู่รอบ ๆ ก็จะไหลเข้ามาแทนที่อากาศที่ร้อน และทำหน้าที่รับความร้อนที่ถ่ายเทออกจากแผ่นโลหะร้อนต่อไป เป็นอย่างนี้หมุนเวียนกันไป ส่วนขอบเขตของเส้นการเคลื่อนที่ของอากาศที่แสดงในรูปที่ 7

 .

ให้พิจารณาจากจุด ก. ซึ่งเป็นส่วนล่างสุดของแผ่นโลหะร้อนซึ่งตรงนี้เป็นส่วนแรกที่อากาศเริ่มได้รับความร้อนที่ถ่ายเทออกจากแผ่นโลหะร้อน เราจะเห็นว่าขอบเขตการเคลื่อนที่ของอากาศเริ่มตรงจุดนี้ จากนั้นในระดับที่สูงขึ้นไปของเขตการเคลื่อนที่ของอากาศร้อนก็จะขยายออกไปในแนวแกน X เพราะความร้อนที่อากาศรับมานั้นมีมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับด้านล่าง

 .

ในส่วนของความเร็วในการไหลของอากาศจากเส้นแสดงความเร็วที่จุด ข. เราจะเห็นว่าความเร็ว (V) ของอากาศที่ไหลขึ้นสู่ด้านบนจะมากที่สุดในจุดที่ห่างจากแผ่นโลหะระยะหนึ่ง ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่าอากาศส่วนที่ไหลติดกับแผ่นโลหะนั้นจะมีความหนืดและแรงต้านทานที่เกิดจากแผ่นโลหะความต้านทานต่อการไหลจะมากทำให้อากาศไหลได้ช้า แต่แรงต้านทานต่อการไหลจะลดไปเรื่อย ๆ ที่ระยะห่างจากแผ่นโลหะมากขึ้น

 .

ดังนั้นที่ระยะห่างจากแผ่นโลหะมาก อากาศจึงเคลื่อนที่ได้เร็วยิ่งขึ้น จนถึงจุดที่อากาศเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุดดังรูป และหลังจากนั้นในระยะที่ห่างออกไปอีกความเร็วของอากาศก็จะเริ่มลดลงทั้งนี้ก็เพราะว่าอุณหภูมิของอากาศในจุดที่ห่างออกไปเริ่มลดลง ทำให้ความหนาแน่นของอากาศตรงจุดนั้นเริ่มมากขึ้น (อากาศมีน้ำหนักมากขึ้น)

 .

สรุปก็คือการพาความร้อนแบบอิสระจะอาศัยการเคลื่อนตัวของสารตัวกลางโดยอาศัยความแตกต่างของความหนาแน่นของสารตัวกลาง โดยที่ความหนาแน่นของสารตัวกลางจะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความร้อนที่อากาศได้รับจากแหล่งความร้อนที่ถ่ายเทออกมา

 .

รูปที่ 8 แสดงกลไกการพาความร้อนแบบอิสระ

 .

การพาความร้อนแบบบังคับ (Force Convection) การพาความร้อนแบบบังคับนั้นต่างกับการพาความร้อนแบบอิสระตรงที่อากาศหรือน้ำซึ่งเป็นสารตัวกลางที่ใช้ระบายความร้อนนั้นไหลผ่านวัตถุที่ต้องการระบายความร้อนด้วยอัตราการไหลที่มากและความเร็วที่สูงด้วยการบังคับจากแรงภายนอกที่มาจากพัดลมหรือปั๊มน้ำ

 .

ดังนั้นจึงสามารถถ่ายเทความร้อนได้มากและรวดเร็วกว่าการพาความร้อนแบบอิสระ จึงเหมาะสำหรับอุปกรณ์หรือเครื่องจักรที่มีภาระทางความร้อนมาก เช่นเราใช้พัดลมเป่าระบายความร้อนหม้อน้ำของรถยนต์ หรือพัดลมที่ติดไว้ที่หลังมอเตอร์เพื่อช่วยระบายความร้อนให้กับมอเตอร์ที่รับภาระมาก ๆ และหมุนที่รอบช้า เช่น มอเตอร์ปรับความเร็วรอบได้ขนาดใหญ่ดังรูปที่ 9

 .

รูปที่ 9 ครีบระบายความร้อนใช้เพิ่มพื้นที่ระบายความร้อนของมอเตอร์ไฟฟ้า การที่ติดพัดลมเป่าอากาศทำให้เป็นการพาความร้อนแบบบังคับ 

 .

รูปที่ 10 แสดงกลไกการพาความร้อนแบบบังคับ

 .
3. การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน (Radiation Heat Transfer)

จากตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนทั้งสองแบบที่ผ่านมาคือ การนำความร้อนและการพาความร้อนนั้นเป็นการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นโดยอาศัยตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน แต่ในการถ่ายเทความร้อนแบบการแผ่รังสีนั้นไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน การถ่ายเทความร้อนก็สามารถที่จะเกิดขึ้นได้ 

 .

ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนแบบนี้เช่นการแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มาสู่โลกโดยพลังงานจากการแผ่รังสีนั้นจะเคลื่อนที่ไปในรูปของคลื่นแม่เหล็ก เท่ากับอัตราการเคลื่อนที่ของแสงคือ 300,000 กิโลเมตร/วินาที 

 .

รูปที่ 11 การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์สู่โลก

 .
โดยอัตราความร้อนจากการแผ่รังสีนั้นจะเป็นดังสมการ 

 .
โดยที่       qr    คือความร้อนจากการแผ่รังสี, Watt
                     คือค่าคงที่ (Stefan – Boltzmann Constant),
                      คือค่าการแผ่รังสีของวัตถุเทาซึ่งวัตถุแต่ละชนิดจะมีค่าแตกต่างกัน (ไม่มีหน่วย)
                 A     คือพื้นที่ผิวของการแผ่รังสีความร้อน, m2
                 T1   คืออุณหภูมิของตัววัตถุที่รับความร้อน, K
                 T2   คืออุณหภูมิรอบ ๆ ตัววัตถุที่รับความร้อน, K
การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีนั้นจะมีผลเกิดขึ้นน้อยกับเครื่องจักร  ดังนั้นจึงจะไม่ขอกล่าวถึงในรายละเอียดในที่นี้
 .
ชนิดของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่นิยมใช้กับเครื่องจักรในงานอุตสาหกรรม
1.  อุปกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศโดยใช้ครีบระบายความร้อน (Air Cooled by Fin)

การระบายความร้อนด้วยอากาศนั้นเป็นการระบายความร้อนโดยอาศัยหลักการพาความร้อน เป็นการระบายความร้อนที่ไม่ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมมาก ซึ่งการระบายความร้อนแบบนี้จะใช้กับอุปกรณ์ที่มีภาระทางความร้อนไม่มาก เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า และแผงวงจรทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ          

 .

โดยการติดครีบระบายความร้อนเข้าไป ซึ่งการติดครีบระบายความร้อนก็คือการเพิ่มพื้นที่ในการระบายความร้อนโดยการให้มีพื้นที่ของแหล่งกำเนิดความร้อนให้สัมผัสกับอากาศมากขึ้นนั่นเอง โดยการระบายความร้อนด้วยอากาศที่ใช้ครีบระบายความร้อนนั้นแบ่งออกเป็น 2 แบบคือ

 .

แบบการพาความร้อนโดยอิสระ ซึ่งส่วนมากจะใช้กับแหล่งกำเนิดความร้อนที่มีความร้อนไม่มากเช่น หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเล็กและแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ จุดสังเกตสำหรับการระบายความร้อนแบบนี้ก็คือจะมีแต่ครีบระบายความร้อนแต่ไม่มีพัดลมที่จะเป่าบังคับลมให้ผ่านครีบ

 .

แบบการพาความร้อนแบบบังคับ จะใช้กับอุปกรณ์ที่เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนที่มีความร้อนออกมามากเช่น มอเตอร์ไฟฟ้า วงจรเพาเวอร์ของระบบควบคุมทางไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น ครีบระบายความร้อนของอินเวอร์เตอร์ควบคุมความเร็วของมอเตอร์และอุปกรณ์อื่น ๆ ซึ่งการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบนี้ส่วนใหญ่จะมีการติดไบพัดหรือพัดลมเพื่อเพิ่มปริมาณลมให้ไหลผ่านครีบระบายความร้อนให้มากและรวดเร็วขึ้น

 .

ดังที่กล่าวมาแล้วว่าครีบที่ใช้ในการระบายความร้อนแบบนี้นั้นเป็นตัวเพิ่มพื้นที่ในการระบายความร้อน  ดังนั้นในการบำรุงรักษาเพื่อที่จะให้กลไกการระบายความร้อนแบบนี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพจึงต้องปฏิบัติดังนี้คือ

 .

- หมั่นทำความสะอาดครีบระบายความร้อนให้สะอาดอยู่เสมอ  เพราะการที่ครีบระบายความร้อนสกปรกจะทำให้ประสิทธิภาพของการระบายความร้อนลดลงหรือระบายความร้อนได้น้อยลงนั่นเอง

 .

- ระวังไม่ให้ครีบระบายความร้อนชำรุดเสียหายเพราะจะทำให้ความสามรถในการระบายความร้อนลดลง
- ครีบระบายความร้อนต้องยึดติดแน่นอยู่กับเครื่องจักรหรือแหล่งกำเนิดความร้อน  และในกรณีที่ต้องติดตั้งครีบระบายความร้อนใหม่  ในการติดตั้งต้องยึดครีบระบายความร้อนให้แน่นเพื่อประสิทธิภาพที่ดีในการระบายความร้อน

 .

- ในระบบระบายความร้อนด้วยครีบที่ใช้ลมเป่าหรือบังคับทิศทางการไหลของอากาศ  ต้องไม่ให้มีอะไรมากีดขวางทางไหลของลมทั้งทางดูดและทางเป่า  เพราะเมื่อมีอะไรมาขวางทิศทางการไหลของลมจะทำให้ลมที่ไหลน้อยลง  และประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อนลดลงด้วย  นอกจากนี้ยังต้องหมั่นตรวจสอบการหมุนและสภาพของใบพัดของพัดลมให้อยู่ในสภาพดีตลอดเวลาด้วย

 .

 - ในอุปกรณ์บางตัวที่ใช้พัดลมเพื่อระบายความร้อนออกจากครีบนั้น  การระบายความร้อนที่ถูกต้องนั้นต้องให้พัดลมเป่าลมเข้าหาครีบไม่ใช่ให้พัดลมดูดความร้อนออกจากครีบ  เพราะการเป่าลมเข้าหาครีบจะเป็นการบังคับทิศทางและปริมาณลมให้ผ่านครีบได้มากกว่า

 .
สรุป

จากรายละเอียดที่นำเสนอมาตั้งแต่ตอนต้น จะเป็นในเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนซึ่งจะช่วยให้ผู้อ่านมีที่ไม่มีพื้นฐานทางด้านนี้มากนัก ให้สามารถเข้าใจแนวคิดและรูปแบบของการถ่ายเทความร้อนได้ รวมถึงการนำเสนอรายละเอียดเบื้องต้นของอุปกรณ์ระบายความร้อน สำหรับตอนต่อไปนั้นจะนำเสนอรายละเอียดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอุตสาหกรรม

 .

อาทิเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเชลล์ (Shell & Tube Heat Exchanger) ซึ่งเราพบมากที่สุดสำหรับเครื่องจักรในงานอุตสาหกรรม, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (Plate Heat Exchanger, PHE) และคูลลิ่งทาวเวอร์ (Cooling Tower)

 .
เอกสารอ้างอิง

[1]   WILBERT F. STOCKER/JEROLD W. JONES, REFRIGERATION & AIR CONDITIONING, NACHI BEARING.
       2nd Edition, McGraw-Hill
[2]   รศ.สุนันท์ ศรัณยนิตย์, การถ่ายเทความร้อน, พิมพ์ครั้งที่1. 2545, สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย–ญี่ปุ่น)

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด