ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump)

(1) หลักการทำงานของเทคโนโลยี

ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) คืออะไร

ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม ทำงานโดยการดึงความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 100 ^oC) ร่วมกับแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง เพื่อผลิตน้ำร้อนอุณหภูมิประมาณ 80-90 ^oC ทำให้สามารถลดการใช้พลังงานในการผลิตน้ำร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูงเพียงอย่างเดียวลงได้

การทำงานของปั๊มความร้อนแบบดูดซึม ประกอบด้วย 4 ส่วนหลัก คือ Evaporator, Absorber, Generator และCondenser โดยปั๊มความร้อนแบบดูดซึมจะรับความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำที่ Evaporator และถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเพื่อผลิตเป็นน้ำร้อนที่ Absorber ในขณะที่ความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูงจะเข้าสู่ปั๊มความร้อนแบบดูดซึมที่ Generator และถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเพื่อผลิตเป็นน้ำร้อนที่ Condenser และ Absorber ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ไดอะแกรมแสดงหลักการทำงานของปั๊มความร้อนแบบดูดซึม

สำหรับรายละเอียดการแลกเปลี่ยนความร้อนและความเย็นของสารทำงาน (ลิเทียมโบรไมด์กับน้ำ) ในส่วนประกอบทั้ง4 ส่วนที่กล่าวมา สามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้

1. Generator จะทำหน้าที่แยกสารละลายลิเทียมโบรไมด์ (LiBr) ออกจากน้ำโดยแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้ไอน้ำ หลังจากที่ได้รับความร้อน สารทำความเย็น (น้ำ) ก็จะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอที่แรงดันสูง ไหลไปคายความร้อนที่เครื่องควบแน่น (Condenser)
2. Condenser จะทำหน้าที่ควบแน่นสารทำความเย็น (น้ำ) โดยสารทำความเย็นจะคายความร้อนให้แก่น้ำที่เข้ามาแลกเปลี่ยนความร้อนและระบายทิ้งผ่านทางหอระบายความร้อน (Cooling Tower) หลังจากนั้นสารทำความเย็นก็จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวไหลไปรับความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ ที่ชุด Evaporator โดยน้ำร้อนที่ได้จะมีอุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 80 ถึง 95 ^oC
3. Evaporator จะทำหน้าที่ดูดความร้อนจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำ โดยอุณหภูมิของแหล่งความร้อนจะอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 30 ถึง 50 ^oC ซึ่งแหล่งความร้อนที่ใช้อาจจะเป็นน้ำที่ระบายความร้อนจากระบบหรือเป็นความร้อนทิ้งที่อุณหภูมิต่ำ ความร้อนทั้งหมดจะไปถ่ายเทความร้อนที่ Absorber
4. Absorber จะทำหน้าที่ดูดซึมน้ำและความร้อนที่อยู่ในสารทำงาน ทำให้สารละลายลิเทียมโบรไมด์ (LiBr) มีความเข้มข้นสูงขึ้นก่อนที่จะถูกปั๊มไปที่ Generator และการทำงานของระบบก็จะเริ่มต้นหมุนเวียนขึ้นใหม่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในสภาวะต่างๆ ที่กล่าวมา สามารถแสดงได้ดังไดอะแกรมในรูปที่ 2 ดังต่อไปนี้

รูปที่ 2 ไดอะแกรมแสดงการเปลี่ยนแปลงสภาวะอุณหภูมิของเทคโนโลยีปั๊มความร้อนแบบดูดซึม

จากรูปที่ 2 เป็นการทำน้ำร้อนโดยปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) ซึ่งจะรับความร้อนจากแหล่งความร้อนสองส่วนด้วยกัน คือ ความร้อนอุณหภูมิต่ำจากน้ำระบายความร้อนที่อุณหภูมิ 60 ^oC และไอน้ำที่ระดับแรงดัน7 บาร์ (อุณหภูมิไอน้ำประมาณ 180 ^oC) โดยแหล่งความร้อนทั้งสองจะคายความร้อนให้แก่สารทำงานที่ชุดแลกเปลี่ยนความร้อน โดยอุณหภูมิของน้ำเข้า 40 ^oC รับความร้อนจากสารทำงานที่ชุดแลกเปลี่ยนความร้อนทำให้อุณหภูมิของน้ำเพิ่มเป็น 89 ^oC โดยความร้อนที่ได้จากไอน้ำและน้ำจากระบบระบายความร้อนจะคายความร้อนให้แก่น้ำที่เข้ามาแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมด ซึ่งจะทำให้ระบบมีค่า COP = 1.7

การใช้งานปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump)

จากหลักการทำงานของปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) ที่เป็นระบบที่มีการใช้ความร้อนจากไอน้ำและความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการผลิต ซึ่งจะสามารถนำกลับมาใช้ในการผลิตน้ำร้อนอุณหภูมิสูงแทนการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีการใช้ไอน้ำโดยตรง โดยน้ำร้อนที่ได้จะมีอุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 80 ถึง 95 ^oC สำหรับน้ำร้อนที่ได้อาจจะนำไปใช้เป็นน้ำป้อนสำหรับหม้อไอน้ำหรือใช้ในกระบวนการผลิตในส่วนอื่น ๆ

(2) การใช้ทดแทนเทคโนโลยีเดิม

ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานร่วมกับกระบวนการผลิต ในส่วนของชุดแลกเปลี่ยนความร้อนของเดิม เช่น Plate Heat Exchanger, Shell and Tube ที่ใช้ไอน้ำมาทำน้ำร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 80 ถึง 95 ^oC โดยที่ระบบจะต้องมีแหล่งความร้อนอื่นเข้ามาเสริม

รูปที่ 3 ระบบหม้อไอน้ำเดิม

การประยุกต์การใช้งานก่อนการปรับปรุง ระบบเดิมมีการใช้น้ำระบายความร้อนออกจากระบบโดยที่อุณหภูมิน้ำเข้า 40 ^oC และน้ำออก 60 ^oC น้ำป้อนที่เข้าหม้อไอน้ำจะมีการใช้น้ำคอนเดนเสทเข้ามาผสมกับน้ำป้อนที่อุณหภูมิ 95 ^oC และอุณหภูมิของน้ำป้อนอยู่ที่ 40 ^oC หลังจากที่ผสมที่ถังน้ำป้อนจะได้น้ำป้อนที่อุณหภูมิประมาณ 50 ถึง 60 ^oC หลังจากนั้นจะใช้ไอน้ำที่ระดับแรงดัน 7 บาร์ มาแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำป้อนผ่านชุดแลกเปลี่ยนความร้อนจนได้อุณหภูมิของน้ำที่ 95 ถึง 100 ^oC ลังจากนั้น น้ำป้อนจะเข้าถัง Deaerator เพื่อลดปริมาณออกซิเจนที่เจือปนอยู่ในน้ำโดยการใช้ไอน้ำในการลดปริมาณออกซิเจนที่อยู่ในน้ำป้อนโดยใช้ไอน้ำที่ระดับแรงดัน 7 บาร์ ในการลดปริมาณออกซิเจนในน้ำป้อน น้ำป้อนหลังจากที่ผ่านระบบ Deaerator จะมีอุณหภูมิอยู่ที่ 120 ^oC เข้าสู่หม้อไอน้ำ

รูปที่ 4 ระบบหม้อไอน้ำหลังปรับปรุง

หลังการปรับปรุงโดยการใช้ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) เข้ามาใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ Make Up แทนชุดแลกเปลี่ยนความร้อนของเดิม สำหรับการทำงานของระบบจะใช้ความร้อนจากระบบระบายความร้อนที่มีอุณหภูมิ 60 °C  เข้ามาแลกเปลี่ยนความร้อนในชุด Evaporator โดยอุณหภูมิของน้ำหลังจากที่ได้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนจะอยู่ที่ประมาณ 40 °C และใช้ไอน้ำที่ระดับแรงดัน 7 บาร์ ในส่วนของ Generator เพื่อให้ความร้อนแก่สารทำงาน โดยความร้อนที่ใช้ในระบบทั้งหมดจะคายความร้อนให้แก่น้ำที่เข้ามาแลกเปลี่ยนความร้อน โดยอุณหภูมิน้ำ Make Up ขาเข้าจะอยู่ที่ 40 °C หลังจากที่ได้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนในชุด Condenser อุณหภูมิของน้ำ Make up จะอยู่ที่ 89 0C และเข้าไปผสมกับน้ำคอนเดนเสทที่อุณหภูมิ 95 °C จะได้น้ำที่อุณหภูมิ 85-90 °C

หลังจากนั้นน้ำป้อนจะเข้าถัง Deaerator เพื่อลดปริมาณออกซิเจนที่เจือปนอยู่ในน้ำโดยการใช้ไอน้ำในการลดปริมาณออกซิเจนที่อยู่ในน้ำป้อน โดยใช้ไอน้ำที่ระดับแรงดัน 7 บาร์ ในการลดปริมาณออกซิเจนในน้ำป้อน โดยน้ำป้อนหลังจากที่ผ่านระบบ Deaerator จะมีอุณหภูมิอยู่ที่ 120 °C เข้าสู่หม้อไอน้ำ จากหลักการทำงานจะเห็นได้ว่าระบบ Absorption Heat Pump จะช่วยในการลดการใช้พลังงานความร้อนในการทำน้ำร้อนโดยการใช้พลังงานความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำเข้ามาช่วยในการแลกเปลี่ยนความร้อน

(3) ศักยภาพการประหยัดพลังงาน

จากผลการวิเคราะห์การใช้พลังงานของปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) เมื่อเปรียบเทียบกับค่า COP โดยความร้อนขาออกที่ได้จะมากกว่าความร้อนขาเข้าที่ป้อนเข้าสู่ระบบประมาณ 1.7 เท่า และมีศักยภาพในการประหยัดพลังงานได้ประมาณ 30-45%

(4) สภาพที่เหมาะสมกับการใช้เทคโนโลยี

จากกระบวนการผลิตที่มีความร้อนเหลือทิ้งและมีการใช้น้ำร้อนที่อุณหภูมิสูง การใช้ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม(Absorption Heat Pump) จะสามารถช่วยลดต้นทุนในการผลิตลงได้ โดยน้ำร้อนที่ผลิตได้จะมีอุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ80 ถึง 95 ^oC จึงเหมาะสำหรับโรงงานที่มีความต้องการใช้น้ำร้อนที่อุณหภูมิสูง เช่น น้ำป้อนหม้อไอน้ำ การทำความสะอาดวัตถุดิบ (โรงงานที่มีหม้อไอน้ำขนาดตั้งแต่ 10 ตัน ขึ้นไป และต้องมีแหล่งความร้อนเสริม) ดังนั้นการใช้ปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) ในกระบวนการผลิตแทนชุดแลกเปลี่ยนความร้อนของเดิมจะสามารถช่วยลดการใช้พลังงานไฟฟ้าและความร้อนในภาพรวมได้

(5) กลุ่มเป้าหมายการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี

กลุ่มของโรงงานอุตสาหกรรมที่สามารถประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ ได้แก่

• • โรงงานผลิตไฟฟ้า

• • โรงงานผลิตอาหารและเครื่องดื่ม

• • โรงงานเคมี

• • โรงงานเหล็ก

(6) ความคุ้มค่าในการลงทุน

ราคาของปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) จะขึ้นอยู่กับขนาดของความร้อนที่ต้องการโดยประเมินจาก kWt โดยเฉลี่ยราคาจะอยู่ที่ประมาณ 6,000 – 7,000 บาท/kWt (ขนาดต่ำสุดที่ระบบทำได้อยู่ที่  200 kWt โดยจะทำน้ำร้อนได้ที่อุณหภูมิประมาณ 80 ถึง 95 ^oC ที่อัตราการไหลของน้ำร้อน 4 ตันต่อชั่วโมง)

จากข้อมูลกรณีศึกษาของ ราคาของปั๊มความร้อนแบบดูดซึม (Absorption Heat Pump) สามารถให้ผลประหยัดซึ่งมีระยะเวลาคืนทุนประมาณ 2 – 4 ปี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งความร้อนและความร้อนเหลือทิ้ง ถ้ามีมากพอก็จะสามารถคืนทุนได้เร็ว

References :

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2557). บทที่ 6 แนวทางการอนุรักษ์พลังงานด้วยการปรับเปลี่ยนด้านเทคโนโลยีในอุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์โลหะ เครื่องจักร อุปกรณ์. In คู่มือการอนุรักษ์พลังงานจากกรณีตัวอย่างที่ประสบผลสำเร็จ อุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์โลหะ เครื่องจักร อุปกรณ์ (pp. 6-22 - 6-26).