ระบบอากาศอัด...ทำงานอย่างไร ?

เครื่องอัดอากาศ เป็นอุปกรณ์หลักที่มีใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมแทบทุกประเภท ทุกขนาด เนื่องจากในกระบวนการผลิตหลายกระบวนการ จำเป็นต้องมีการใช้งานอากาศอัดสำหรับอุปกรณ์นิวแมติกส์ ต่างๆ เช่น Air Cylinder ปืนลม เครื่องขัด เครื่องเจาะ เครื่องพ่น และการลำเลียง ตลอดจนเป็นส่วนประกอบในการใช้งานของเครื่องจักรอัตโนมัติต่าง ๆ

รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างอุปกรณ์ที่ใช้อากาศอัด

เครื่องอัดอากาศ มีหน้าที่หลักในการเพิ่มความดันของอากาศจากความดันบรรยากาศปกติ (ประมาณ 1 บาร์) ให้สูงขึ้นตามความต้องการใช้งาน ซึ่งโดยส่วนใหญ่มักใช้งานที่ความดันในช่วง 4-7 บาร์ โดยอาศัยหลักการลดปริมาตรของอากาศลง ส่งผลให้มีความดันเพิ่มขึ้น

1. ชนิดและหลักการทำงานของเครื่องอัดอากาศ

เครื่องอัดอากาศสามารถแบ่งตามลักษณะวิธีการของการอัดอากาศได้หลายชนิด เช่น แบบลูกสูบ แบบสกรู แบบโรตารี่เวน แบบหมุนเหวี่ยง ฯลฯ ซึ่งมากกว่า 80% ของโรงงานอุตสาหกรรมเป็นการใช้งานเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบและแบบสกรูแทบทั้งสิ้น ดังนั้นจึงขออธิบายเฉพาะเครื่องอัดอากาศที่นิยมใช้งานทั้ง 2 ชนิด ดังนี้

•  ชนิดของเครื่องอัดอากาศ

ภาพจาก : www.conexstore.com เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ส่วนใหญ่จะมีขนาดเล็ก โดยมีขนาดตั้งแต่ ¼ แรงม้าขึ้นไป แต่ที่นิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมมักมีขนาดตั้งแต่ 5-15 แรงม้า (3.7 – 11.0 kW)

หลักการทำงาน เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบผลิตอากาศอัดได้โดยการลดปริมาตรอากาศในกระบอกสูบ ซึ่งสามารถอธิบายการทำงานได้ดังนี้ - เมื่อลูกสูบเลื่อนลงภายในกระบอกสูบจะมีปริมาตรมากขึ้นและเกิดสุญญากาศในกระบอกสูบอากาศซึ่งอยู่ภายนอกกระบอกสูบจะดันให้วาล์วทางเข้าเปิด อากาศก็จะไหลเข้าไปในกระบอกสูบ - เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจะดันให้อากาศมีปริมาตรเล็กลง ภายในกระบอกสูบจะเกิดความดันสูงขึ้นและดันให้วาล์วทางเข้าปิด อากาศอัดจะไหลออกจากกระบอกสูบไปสู่ถังเก็บลมต่อไป

ภาพจาก : www.chankaseminter.com เครื่องอัดอากาศแบบสกรู เครื่องอัดอากาศแบบสกรูโดยทั่วไปมีขนาดมอเตอร์ และปริมาณการผลิตอากาศอัดสูงกว่าเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ขนาดที่นิยมใช้มักอยู่ในช่วง 11 - 75 kW จึงมักใช้ในอุตสาหกรรมที่ต้องการอากาศอัดในปริมาณที่สูง

หลักการทำงาน เครื่องอัดอากาศแบบสกรู อาศัยตัวหมุน 2 ตัวทำเป็นเกลียว และมีทิศทางการหมุนตรงกันข้ามกัน โดยระหว่างเกลียวทั้งสองจะมีช่องว่างสำหรับดูดอากาศเข้ามาแล้วอัดให้มีปริมาตรน้อยลงเพื่อเพิ่มความดันอากาศเมื่อเพลาสกรูหมุนลมภายนอกจะถูกดูดผ่านท่อเข้ามาและถูกอัดตามร่องฟันที่ขบกันความเร็วสูง ทำให้อากาศถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้นและไหลออกอีกทางหนึ่ง ดังรูป

เลือกขนาดเครื่องอัดอากาศ โดยพิจารณาจากอัตราการใช้ลมของอุปกรณ์ทั้งหมด 25-50% สำหรับความสูญเสีย และการขยายตัวในอนาคต
จากหลักการทำงาน และคุณลักษณะของเครื่องอัดอากาศซึ่งเป็นที่นิยมใช้งานในปัจจุบัน สามารถแสดงรายการเปรียบเทียบระหว่างเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบและแบบสกรู ได้ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ และสกรู

2. อุปกรณ์ประกอบในระบบอากาศอัด

ในหัวข้อนี้จะอธิบายถึงอุปกรณ์ประกอบที่สำคัญของระบบอากาศอัด ดังนี้

รูปที่ 3 อุปกรณ์ประกอบในระบบอากาศอัด

ตารางประกอบรูปที่ 3 แสดงหน้าที่ของอุปกรณ์ประกอบในระบบอากาศอัด

อุปกรณ์หลักๆ ที่ติดตั้งร่วมอยู่กับถังอากาศอัดด้วยแสดงในรูปได้แก่วาล์วนิรภัย (Safety Valve) ทำหน้าที่ปล่อยอากาศออกจากถังเมื่อความดันในถังสูงเกินค่าที่ตั้งไว้เพื่อความปลอดภัย ในกรณีเครื่องอัดอากาศไม่ตัดการทำงานเกจวัดความดัน (Pressure Gauge) ใช้สำหรับตรวจดูความดันของอากาศอัดภายในถัง อุปกรณ์ระบายน้ำอัตโนมัติ (Automatic Drain) มีหน้าที่ระบายน้ำซึ่งเกิดจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศซึ่งอยู่ด้านล่างของถังอากาศอัดออกไปจากระบบตามปริมาณน้ำหรือเวลาที่กำหนดไว้

ขนาดของถังอากาศอัดที่เหมาะสมคำนวณได้จากสมการ

ปริมาตรถัง = ปริมาณอากาศอัดติดตั้ง (m³/min) x Safty Factor
        ความดันใช้งาน (ฺBar abs.)

โดยที่ Safety Factor มักใช้ค่าในช่วง 1.5-3.0 ขึ้นอยู่กับความคงที่ของปริมาณอากาศอัดที่ใช้งาน เช่น หากความต้องการใช้ค่อนข้างคงที่ใช้ค่า 1.5 และถ้ามีความผันผวนมากแนะนำให้ใช้ 3.0

ความดันที่อ่านได้จากเกจวัด = ความดันสัมบูรณ์ (P abs.) + ความดันบรรยากาศ (P atm.)

3. ประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศ

ประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศนั้นมักระบุในเชิงของดัชนีการใช้กำลังไฟฟ้าต่อการผลิตอากาศอัด ซึ่งจะต้องทราบข้อมูลใน 2 ส่วน คือ กำลังไฟฟ้าที่ป้อนให้เครื่องอัดอากาศ (kW) และอัตราการผลิตอากาศอัด (l/sec, m³/min) ซึ่งมักนิยมระบุประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศจึงนิยมระบุในเชิงความสัมพันธ์ของค่าทั้ง 2 โดยมีหน่วยเป็น kW/m³/min

รูปที่ 4 ตัวอย่าง Nameplate ของเครื่องอัดอากาศ

สามารถประเมินค่าประสิทธิภาพที่พิกัดตาม Nameplate ได้จาก

ค่า kW/m³/min ยิ่งต่ำ ยิ่งดี โดยทั่วไปเครื่องอัดอากาศใหม่มีค่าประมาณ 6 kW/m³/min

4. การประเมินการใช้พลังงานของเครื่องอัดอากาศ

จากนิยมที่ว่า พลังงานไฟฟ้าคือผลคูณของค่าพลังไฟฟ้า กับชั่วโมงการทำงานของอุปกรณ์นั้นๆ ดังนั้น สำหรับเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ สามารถประเมินค่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ได้ด้วยสมการ

พลังงานที่ใช้ = พลังไฟฟ้า x ชั่วโมงการใช้งาน x % การทำงาน

ตัวอย่าง  เครื่องอัดอากาศชนิดลูบสูบขนาด 10 แรงม้า มีการใช้พลังไฟฟ้า 7.5 kW ชั่วโมงการทำงาน 3,600 ชั่วโมงต่อปี Load Factor = 70 % คิดเป็นค่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ต่อปีเท่ากับเท่าไร?

พลังงานไฟฟ้า = 7.5 x 3,600 x 70% = 18,900 kWh/ปี

สำหรับเครื่องอัดอากาศแบบสกรู เนื่องจากมีการทำงานใน 2 สภาวะ คือ ช่วงทำงาน (Load) และช่วงเดินตัวเปล่า (Unload) ดังนั้น สามารถประเมินค่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ได้ด้วยสมการ

พลังงานที่ใช้ =  [(พลังไฟฟ้า Load x %Load) + (พลังไฟฟ้า Unload x %Unload)] x ชั่วโมงการใช้งาน

ตัวอย่าง  เครื่องอัดอากาศชนิดากรูขนาด 37 กิโลวัตต์ มีการใช้พลังไฟฟ้าในช่วง Load และ Unload เท่ากับ 35 kW และ 14 kW ตามลำดับ ชั่วโมงการทำงาน 3,600 ชั่วโมงต่อปี มีเปอร์เซ็นต์ Load 95 %, Unload 5 % คิดเป็นค่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ต่อปีเท่ากับเท่าไร?

พลังงานไฟฟ้า  = [(35x 95%) + (14 x 5%)] x 3,600 = 122,220 kWh/ปี

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2555). การตรวจวิเคราะห์การอนุรัก์พลังงาน ระบบอากาศอัด. In กระทรวงพลังงาน, คู่มือการตรวจวิเคราะห์การอนุรักษ์พลังงาน สำหรับวิสาหกิจขนาดกลางและขนาดย่อม (pp. 6-1 - 6-6).