วิศวกรรมเครื่องกล

การปรับสมดุลด้านน้ำของระบบปรับอากาศ

โดย จักรพันธ์ ภวังคะรัตน์ 
บริษัท เอ็นไวรอนเมนตอล เอ็นจิเนียริ่ง คอนซัลแตนส์ จำกัด
                ระบบน้ำในระบบปรับอากาศแบ่งได้เป็นสองส่วนหลัก ก็คือส่วนน้ำเย็น และส่วนน้ำระบายความร้อนทั้งสองส่วนมีหลัก และเป้าหมายในการออกแบบเหมือนกัน คือส่งความร้อนหรือความเย็นจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยทางด้านน้ำเย็นเป็นการนำความร้อนจากเครื่องส่งลมเย็นไปยังเครื่องทำน้ำเย็น หรือพูดอีกแบบหนึ่งได้ว่าเป็นการนำความเย็นจากเครื่องทำน้ำเย็นไปยังเครื่องส่งลมเย็นและทางด้านน้ำระบายความร้อนเป็นการนำความร้อนจากเครื่องทำน้ำเย็นไปยังหอระบายความร้อน
จากสมการ     qํ = mํc(t2-t1)    
    โดยที่                      qํ      =     ความร้อน, kW
                                   mํ      =     อัตราไหลเชิงมวล, kg/s
                                    c     =     ความจุความร้อนจำเพาะ, kJ/(kg.C)
                               t1,t2     =     อุณหภูมิในจุดที่ 1 และ 2, C
เมื่อแทนค่า     c= 4.2 kJ/(kg. C)      และเปลี่ยนอัตราไหลเชิงมวลเป็นอัตราไหลเชิงปริมาตร
จะได้                         Q     =      (0.24qํ)/(t2-t1)
           โดยที่              Q      =      อัตราไหลเชิงปริมาตร, L/s
                จะเห็นได้ว่าถ้าต้องการส่งความร้อนหรือความเย็น   qํ  จากจุดที่ 1 ไปยังจุดที่ 2 อัตราการไหล Q ที่ต้องการจะแปรผกผันกับ D t  หมายความว่าถ้า D t   มากจะใช้อัตราไหลน้อย และถ้า   D t   น้อยจะต้องใช้อัตราไหลมาก
                               Q    a     1/ D t
                ในการออกแบบระบบปรับอากาศโดยทั่วไปจะใช้ D t   เท่ากับ  5.5 C หรือเท่ากับ 10 C แต่ในระบบปรับอากาศขนาดใหญ่มากซึ่งมีการเดินท่อเป็นระยะทางไกลๆ ผู้ออกแบบอาจพิจารณาใช้  D t   มากขึ้นเพื่อลดอัตราการไหล ซึ่งจะส่งผลให้ขนาดเครื่องสูบน้ำ ท่อน้ำ วาล์ว และอุปกรณ์ประกอบอื่นๆมีขนาดเล็กลง และประหยัดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งระบบลงได้
                สำหรับการคำนวณอัตราไหลของน้ำระบายความร้อน สามารถใช้สมการเดียวกันกับน้ำเย็นได้โดยประมาณว่าความร้อนที่ต้องระบายออกจากเครื่องทำความเย็นจะมีค่า 1.25 เท่าของความเย็น เช่นเครื่องทำน้ำเย็นขนาด 1000 kW จะระบายความร้อนออกมาประมาณ 1250 kW

เครื่องสูบน้ำ

                    เครื่องสูบน้ำเป็นอุปกรณ์เพื่อใช้ส่งน้ำจากเครื่องทำน้ำเย็นไปสู่เครื่องส่งลมเย็น หรือจากเครื่องทำน้ำเย็นไปสู่หอระบายคามร้อนด้วยอัตราไหลที่ต้องการ (คำนวณจากหัวข้อที่กล่าวมาแล้ว) และมีความสามารถเอาชนะแรงเสียดทานในระบบท่อได้ รวมถึง Static Head ในกรณีระบบเปิด (ระบบน้ำระบายความร้อน)ด้วยเครื่องสูบน้ำที่ใช้ในระบบปรับอากาศ ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องสูบน้ำแบบหอยโข่ง (Centrifugal Pump)  ซึ่งมีให้เลือกใช้หลายรูปแบบตามความเหมาะสม   เช่น Horizontal Split Case, Vertical Split Case, End Suction, Vertical In-lineเป็นต้นครื่องสูบน้ำแต่ละเครื่องจะมีสมรรถนะ แตกต่างกันตามลักษณะการออกแบบใบพัดและตัวเรือนผู้ผลิตจะทดสอบเครื่องสูบน้ำแต่ละรุ่นและแสดงข้อมูลไว้ในรูปแบบของกราฟซึ่งจะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันในแกนตั้งและอัตราไหลในแกนนอนเส้นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์นี้เรียกว่าเส้นสมรรถนะ(PerformanceCurve)ในตัวเรือนของเครื่องสูบน้ำรุ่นหนึ่งๆสามารถใสใบพัดได้หลายขนาดซึ่งจะมีสมรรถนะแตกต่างกันดังนั้นผู้ผลิตจึงใส่เส้นสมรรถนะของใบแต่ละขนาดแสดงไว้ด้วยในรูปเดียวกัน(ตัวเรือนเดียวกัน)เมื่อนำเครื่องสูบน้ำมาต่อขนานกันเส้นสมรรถนะของทั้งสองเครื่องรวมกันจะต้องเขียนขึ้นมาใหม่โดยนำอัตราไหลที่ความดันเดียวกันมารวมกันแล้วเขียนเส้นสมรรถนะเส้นใหม่ขึ้นมา

กฎของเครื่องสูบน้ำ

                    กฎของเครื่องสูบน้ำใช้สำหรับคำนวณผลของการเปลี่ยนแปลงขนาดใบพัดและความเร็วรอบที่มีต่อเส้นสมรรถนะกฎของเครื่องสูบน้ำกล่าวว่า
        1. อัตราไหลของเครื่องสูบน้ำ แปรผันตรงกับ อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบ หรือขนาดใบพัด
        2. ความดันของเครื่องสูบน้ำ แปรผันกับผลยกกำลังสองของ อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบ หรือขนาดใบพัด
        3. กำลังงานที่เครื่องสูบน้ำใช้ แปรผันกับผลยกกำลังสามของ อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบ หรือขนาดใบพัดความสัมพันธ์ของกฎของเครื่องสูบน้ำสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
            เมื่อเปลี่ยนขนาดใบพัด         Q2 = (D2/D1).Q1          H2 = (D2/D1)2.H1          P2 = (D2/D1)3.P1
           เมื่อความเร็วรอบ                    Q2 = (R2/R1).Q1          H2 = (R2/R1)2.H1             P2 = (R2/R1)3.P1
                โดยที่      Q   =   อัตราไหล, L/s หรือ GPM                                      D   =    เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด, mm หรือ inch.
                               H    =   ความดัน, kPa หรือ ft.wg.                                    P   =   กำลังงาน, kW หรือ Hp.
                               R   =   ความเร็วรอบ, RPM
                    ข้อควรระวังในการนำกฎของเครื่องสูบน้ำไปใช้ คือนอกจากขนาดใบพัดและความเร็วรอบแล้วทุกอย่างต้องอยู่ภายใต้สภาวะเดิม  มิฉะนั้นจะไม่สามารถใช้กฎของเครื่องสูบน้ำได้   เช่น หากเส้นระบบ (System Curve) มีการเปลี่ยนแปลง เช่น มีการหรี่วาล์วในระบบจะไม่สามารถใช้กฎของเครื่องสูบน้ำได้

Diversity Factor

                    ในการทำงานตามปรกติ เครื่องปรับอากาศแต่ละเครื่องจะเกิดภาระสูงสุดไม่พร้อมกัน เช่นเครื่องปรับอากาศที่อยู่ทางด้านตะวันออกของอาคารจะเกิดภาระสูงสุดในช่วงเช้า ขณะที่เครื่องทางด้านตะวันตกจะเกิดในช่วงบ่าย เป็นต้น ในการกำหนดขนาดเครื่องสูบน้ำและเครื่องทำน้ำเย็น ผู้ออกแบบจึงไม่กำหนดให้มีขนาดเท่ากับผลรวมภาระสูงสุดของทุกเครื่อง แต่จะคำนวณหาขนาดทำความเย็นสูงสุดที่มีโอกาสเกิดขึ้นได้จริง ซึ่งโดยทั่วไปจะมีค่าประมาณ 70 ถึง 80% ของผลรวมภาระสูงสุด โดยอัตราส่วนระหว่างขนาดความเย็นของเครื่องทำน้ำเย็น ต่อ ขนาดความเย็นรวมภาระสูงสุดของทุกเครื่อง เรียกว่า Diversity Factor เช่นระบบที่มีผลรวมภาระสูงสุดเท่ากับ 1000 ตัน และมีเครื่องทำน้ำเย็นขนาด 800 ตัน จะมี Diversity Factor เท่ากับ 80% จะเห็นได้ว่าในการปรับสมดุลระบบที่มี  Diversity Factor ถ้าเปิดเครื่องส่งลมเย็นทุกเครื่อง อัตราไหลที่เครื่องส่งลมเย็นจะไม่มีโอกาสสูงถึงอัตราไหลออกแบบของเครื่องส่งลมเย็น ถึงแม้ว่าจะเปิดเครื่องสูบน้ำเต็มที่ตามการออกแบบแล้วก็ตามทั้งนี้เพราะผลรวมอัตราไหลออกแบบของเครื่องส่งลมเย็น(คำนวณจากภาระสูงสุด)จะมากกว่าอัตราไหลของเครื่องสูบน้ำเสมอดังนั้นในการปรับสมดุลระบบที่มี Diversity Factor จึงต้องจำลองระบบให้เหมือนกับสภาวะออกแบบ คือ มีเครื่องส่งลมเย็นบางส่วนจ่ายความเย็นไม่เต็มที่หรือมีอัตราไหลไม่เต็มที่เพื่อให้ระบบมี Diversity เท่ากับที่ออกแบบก่อนที่จะลงมือปรับสมดุล

ทำไมต้องปรับสมดุล

                    ถึงแม้ว่าระบบจะได้รับการออกแบบและติดตั้งอย่างดี แต่ก็ยังจำเป็นต้องทำการปรับสมดุลเพื่อจำกัดไม่ให้มีอัตราไหลเกินในบางเครื่องซึ่งจะทำให้เกิดอัตราไหลขาดในบางเครื่องการปรับสมดุลจะใช้วาล์วปรับสมดุลในการจำกัดอัตราไหลซึ่งสามารถคำนวณรอบวาล์วได้ก่อนลงมือปรับสมดุลแต่อย่างไรก็ตามยังมีความจำเป็นต้องปรับสมดุลที่หน้างานด้วยทั้งนี้เนื่องจากเหตุผลต่อไปนี้
            1. ไม่สามารถคำนวณความดันลดได้อย่างแม่นยำ และพารามิเตอร์ที่ใช้ในการคำนวณบางตัวเป็นค่าโดยประมาณเท่านั้น เช่นความหยาบของผนังท่อด้านใน (Pipe roughness)
            2. โดยปรกติแล้วการติดตั้งจริงจะมีส่วนที่ไม่ตรงกับแบบที่ใช้ในการคำนวณ
            3. ค่าความดันลดในคอยล์เย็น วาล์ว และอุปกรณ์ประกอบอื่นๆขึ้นอยู่กับการเลือกใช้อุปกรณ์แต่ละยี่ห้อ และโดยทั่วไม่จะไม่ทราบตั้งแต่ในขั้นแรกจนกว่าจะมีการเลือกยี่ห้ออุปกรณ์
            4. ไม่สามารถเลือกวาล์วควบคุมให้มีค่าความดันลดเท่ากับที่คำนวณได้ เนื่องจากผู้ผลิตไม่สามารถผลิตวาล์วให้มีค่า Cv ตามต้องการได้ทุกค่า
                    จากเหตุผลข้างต้น จึงจำเป็นต้องมีการปรับสมดุลที่หน้างานเนื่องจากค่าที่คำนวณได้เป็นเพียงค่าโดยประมาณเท่านั้น ถ้าหากระบบไม่ได้รับการปรับสมดุลจะมีอัตราไหลเกินในบางจุดของระบบ ซึ่งจะส่งผลให้บางจุดมีอัตราไหลไม่เพียงพอ ผลที่ตามมาคือระบบปรับอากาศจะไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ โดยเฉพาะในจุดที่มีอัตราไหลขาดเครื่องส่งลมเย็นจะไม่สามารถจ่ายความเย็นได้อย่างเพียงพอ   สำหรับจุดที่มีอัตราไหลเกินซึ่งจะเย็นเกินไป  วาล์วควบคุมจะหรี่อย่างมาก ทำให้เกิดเสียงดังและวาล์วสึกหรออย่างรวดเร็ว

การปรับสมดุลด้วยวิธีสัดส่วน (Proportional Method)

 

                                  wpe25.jpg (14656 bytes)