หลักการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า

(Principle of Electric Heating)

ในภาคอุตสาหกรรมมีการใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำความร้อนในกระบวนการผลิตอย่างมากมาย เรามาเริ่มทำความรู้จักกับหลักการทำความร้อนด้วยไฟฟ้าในเบื้องต้นกันก่อน

คุณสมบัติพิเศษของการนำพลังงานไฟฟ้า

คุณสมบัติพิเศษของการนำพลังงานไฟฟ้ามาใช้ในการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า โดยทั่วไปมีดังต่อไปนี้

(1) เป็นวิธีให้ความร้อนที่ไม่เกิดมลพิษ มีสภาพแวดล้อมในการทำงานที่ดี

วิธีนี้ต้องการพลังงานเพียงสำหรับให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวเท่านั้น โดยพื้นฐานแล้วจึงเป็นวิธีให้ความร้อนที่สะอาด ไม่เกิดการปนเปื้อนต่อสิ่งแวดล้อม และสภาพแวดล้อมในการทำงานจะสะอาด

(2) บังคับอุปกรณ์ไฟฟ้าได้สะดวก มีความปลอดภัยสูง

สามารถเริ่มและหยุดให้ความร้อนได้ด้วยการเปิด-ปิดสวิตช์เท่านั้น จึงสะดวกในการบำรุงรักษาและรักษาความปลอดภัย

(3) ทำการควบคุมได้สะดวก

ระบบให้ความร้อนทั้งหมดรวมทั้งภาระให้ความร้อนประกอบด้วยระบบไฟฟ้าทั้งสิ้น  โดยทั่วไปความเฉื่อยความร้อนจึงมีค่าน้อย มีความเที่ยงตรงในการควบคุมสูง เหมาะกับการควบคุมอัตโนมัติและการควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์

ที่กล่าวไปแล้วข้างต้นเป็นคุณสมบัติพิเศษโดยทั่วไปของการใช้ประโยชน์จากพลังงานไฟฟ้า  ส่วนคุณสมบัติพิเศษที่สำคัญในแง่ของหน้าที่การทำงานในการให้ความร้อนไฟฟ้าจะมีดังต่อไปนี้

• สามารถเลือกใช้วิธีให้ความร้อนที่เหมาะสมให้สอดคล้องกับความต้องการในการให้ความร้อนได้

สามารถเลือกแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นรูปแบบที่เหมาะสมที่สุดให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์การใช้งานได้ เช่น แปลงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า พลาสมา ฯลฯ จึงสามารถทำให้กระบวนการให้ความร้อนมีประสิทธิภาพสูงได้

• สามารถบีบรวมพลังงานป้อนให้แก่ตำแหน่งที่ต้องการให้ความร้อนบนวัตถุเป้าหมายได้

การบีบรวมพลังงานให้ความร้อนป้อนให้แก่ตำแหน่งที่ต้องการ ทำให้สามารถหลีกเลี่ยงพลังงานสูญเสียที่ไม่จำเป็นได้    จึงมีประสิทธิภาพการถ่ายเทพลังงานสูง และสามารถป้องกันผลกระทบของความร้อนที่ไม่พึงประสงค์ต่อวัตถุเป้าหมายได้

• สามารถให้ความร้อนแก่วัตถุเป้าหมายจากภายใน

วิธีให้ความร้อนในอดีตเกือบทั้งหมดจะเป็นการให้ความร้อนแก่วัตถุจากภายนอก การถ่ายเทความร้อนเข้าไปภายใน จะอาศัยการนำความร้อน จึงต้องใช้เวลานานในการให้ความร้อน อย่างไรก็ตาม ด้วยการนำสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์ จะสามารถให้ความร้อนแก่ภายในวัตถุได้โดยตรง จึงสามารถลดเวลาในการให้ความร้อนได้อย่างมาก รวมทั้งประสิทธิภาพของการให้ความร้อนยังสูงขึ้นอีกด้วย

• สามารถป้อนพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงได้ และสามารถให้ความร้อนด้วยอุณหภูมิสูงได้

สามารถให้ความร้อนด้วยอุณหภูมิสูงมากตั้งแต่ 10,000K ขึ้นไปด้วยการใช้พลาสมาจากการอาร์ก สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ลำแสงอิเล็กตรอน แสงเลเซอร์ ฯลฯ หรือด้วยความหนาแน่นพลังงานสูงมาก  (10⁷-10⁹W/cm²)  จึงเกิดการพัฒนาประยุกต์สาขาใหม่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เช่น การหลอมวัสดุ การแปรรูปด้วยความร้อน การเชื่อม เป็นต้น

• ควบคุมสภาวะบรรยากาศได้สะดวก

สามารถควบคุมสภาวะบรรยากาศให้เหมาะสมในเตาความต้านทาน ฯลฯ ด้วยการควบคุมอุณหภูมิที่มีความเที่ยงตรงสูง จึงสามารถให้ความร้อนแก่โลหะอย่างมีคุณภาพสูง นอกจากนั้นในอุปกรณ์ให้ความร้อนประเภทต่างๆ ยังสามารถหลอมและแปรรูปด้วยการให้ความร้อนแก่โลหะที่มีความบริสุทธิ์สูงด้วยการทำให้ภาชนะเป็นสูญญากาศ (ความดันต่ำ) อีกด้วย

2. การคำนวณการถ่ายเทความร้อน

พลังงานในรูปความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำเสมอ ปรากฏการณ์นี้โดยทั่วไปเรียกว่า การถ่ายเทความร้อน ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 แบบคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี

(1)   การนำความร้อน

เมื่อในวัตถุชิ้นหนึ่งมีผลต่างอุณหภูมิ θ ความร้อนจะถ่ายเทจากด้านที่มีอุณหภูมิ (T) สูงไปยังต่ำ และปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทตามทิศทาง x ผ่านพื้นที่หน้าตัดหนึ่งหน่วยต่อหนึ่งหน่วยเวลา หรือเส้นแรงกระแสความร้อน q จะเท่ากับ

โดยในที่นี้ λ เป็นสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัตถุ กรณีที่ภายในวัตถุไม่มีการกำเนิดความร้อน และการนำความร้อนอยู่ในสภาวะคงที่ ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทภายในผนังเรียบผิวขนานต่อหนึ่งหน่วยเวลา หรือกระแสความร้อน Q จะเท่ากับ

ในที่นี้สัญลักษณ์ S แสดงพื้นที่หน้าตัดของผนัง สัญลักษณ์ ℓ แสดงความยาว สัญลักษณ์ θ แสดงผลต่างอุณหภูมิระหว่างทั้งสองด้าน การนำความร้อนกับการนำไฟฟ้ามีสมการคล้ายคลึงกัน หากเขียนสูตรข้างต้นใหม่ว่า

แล้วพิจารณาว่าผลต่างอุณหภูมิเทียบเท่ากับแรงดันไฟฟ้า และกระแสความร้อนเทียบเท่ากับกระแสไฟฟ้าแล้ว จะสามารถนำการคำนวณวงจรไฟฟ้าไปประยุกต์ใช้กับการคำนวณความร้อนได้ กล่าวคือ หากพิจารณาว่า ℓ / (λS) เทียบเท่ากับความต้านทานไฟฟ้าแล้ว สูตรข้างต้นจะมีรูปเหมือนกับกฎของโอห์มในวงจรไฟฟ้านั่นเอง สูตรนี้เรียกว่ากฎความร้อนของโอห์ม และค่า ℓ / (λS) เรียกว่า ความต้านทานความร้อน

กรณีที่คำนวณการนำความร้อนของผนังเรียบผิวขนานหลายชั้น เช่น วัสดุทนไฟ ฉนวนความร้อน เฟรม ฯลฯ จะสามารถคำนวณได้ในทำนองเดียวกับการคำนวณวงจรไฟฟ้าที่มีความต้านทานไฟฟ้าหลายๆ ตัวต่ออนุกรมกัน กล่าวคือความต้านทานความร้อน R ของผนังเรียบผิวขนาน n ชั้นจะเท่ากับ

ถ้าให้ผลต่างอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวผนังทั้งสองด้านเท่ากับ Δθ แล้ว ปริมาณความร้อน Q ที่ถ่ายเทผ่านผนังเรียบผิวขนาน   หลายชั้นนี้จะเท่ากับ

(2)    การพาความร้อน

กรณีที่มีผลต่างอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวของของแข็งที่วางอยู่ในกระแสของอากาศ น้ำ ฯลฯ กับของไหลนี้ จะเกิดการถ่ายเทความร้อนระหว่างทั้งสอง การถ่ายเทความร้อนนี้ เรียกว่า การพาความร้อน ซึ่งแบ่งได้เป็นการพาความร้อนตามธรรมชาติซึ่งกระแสจะเกิดการไหลขึ้นจากแรงลอยตัว กับการพาความร้อนด้วยการบังคับซึ่งเกิดขึ้นด้วยกำลังจากภายนอก

ถ้าให้กระแสความร้อนจากการพาความร้อนระหว่างของแข็งกับของไหลเท่ากับ Q กรณีที่ผลต่างอุณหภูมิมีค่าน้อย จะได้ความสัมพันธ์โดยประมาณดังต่อไปนี้

โดยในที่นี้ค่า h เรียกว่า สัมประสิทธิ์การพาความร้อน ซึ่งจะมีค่าขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะตัวของของไหลกับความเร็วกระแสเป็นหลัก นอกจากนี้ ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอีกด้วย ค่า 1/h เรียกว่าอัตราความต้านทาน  ความร้อนของพื้นผิว ซึ่งเทียบเท่ากับ  ความต้านทานของพื้นผิวต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยในกรณีของไฟฟ้า ค่า θ₁ เป็นอุณหภูมิของพื้นผิวค่า θ₂ เป็นอุณหภูมิของของไหลที่อยู่ห่างจากชั้นรอยต่อ ค่า S เป็นพื้นที่ผิวของของแข็ง

(3)  การแผ่รังสี

วัตถุจะมีการแผ่พลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากพื้นผิวโดยการแผ่รังสีจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติและอุณหภูมิของวัตถุนั้น นอกจากนี้ เมื่อวัตถุได้รับรังสี รังสีส่วนหนึ่งจะสะท้อนออกไป

ส่วนหนึ่งจะถูกดูดกลืนไว้ ที่เหลือจะทะลุผ่านไป ถ้าสัดส่วนของรังสีที่สะท้อน ดูดกลืน และทะลุผ่านแทนด้วย ρ, α และ τ ตามลำดับแล้ว ρ + α + τ = 1

สมมติว่ามีวัตถุในอุดมคติซึ่งจะดูดกลืนพลังงานที่มาตกกระทบทั้งหมด (α = 1) วัตถุนี้เรียกว่า วัตถุดำพลังงานของการแผ่รังสีจากวัตถุที่เป็นแหล่งความร้อนจะประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างๆ กัน ความหนาแน่นพลังงานการแผ่รังสีรวม

E_b (Total Radiant Energy Density หรือ Total Radiant Exitance) ของทุกความยาวคลื่นของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิ T [K] จะคำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้

Radiant Exitance ของวัตถุทั่วไปจะมีค่าน้อยกว่าวัตถุดำ หากให้มีค่าเท่ากับ E แล้วจากสูตรข้างต้นจะได้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้

ค่า ε_t เป็นค่าที่แสดงอัตราส่วนของพลังงานการแผ่รังสีของวัตถุทั่วไปต่อการแผ่รังสีของวัตถุดำ เรียกว่า Total Emissivity ของวัตถุ (โดยทั่วไปจะเรียกว่า Emissivity เฉยๆ) อนึ่ง ที่อุณหภูมิคงที่ค่าหนึ่งๆ Emissivity ของวัตถุจะมีค่าเท่ากับอัตราการดูดกลืนรังสีของวัตถุนั้น ตัวอย่างค่า Total Emissivity ของวัตถุต่างๆ

อนึ่ง Radiant Exitance ของวัตถุทั่วไปที่ความยาวคลื่นใดๆ ก็จะมีค่าน้อยกว่าของวัตถุดำเสมอ ถ้าให้ Radiant Exitance ที่ความยาวคลื่นต่างๆ เท่ากับ E(λ) แล้ว จะได้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้ในทำนองเดียวกับข้างต้น

ค่า ε_λ เรียกว่า Spectral Emissivity ซึ่งเป็นค่าที่สำคัญในการระบุคุณลักษณะการแผ่-ดูดกลืนรังสีความยาวคลื่นต่างๆ ของวัตถุ

          (4) ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณในระบบความร้อนกับระบบไฟฟ้า

ปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อนกับการนำไฟฟ้ามีลักษณะที่คล้ายคลึงกัน ด้วยการพิจารณาปริมาณต่างๆ ในระบบความร้อนให้เทียบเท่ากับปริมาณต่างๆ ในระบบไฟฟ้า โดยมากแล้วจะทำให้สามารถพิจารณาปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อนได้เหมือนกับเป็นวงจรไฟฟ้า ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆ ในระบบความร้อนกับปริมาณต่างๆ ในระบบไฟฟ้าแสดงไว้ในตารางที่ 2

3. ตัวอย่างการคำนวณการถ่ายเทความร้อน

ในอุปกรณ์ในทางปฏิบัติ เช่น ผนังเตาของเตาให้ความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ฯลฯ การถ่ายเทความร้อนหลักจะเกิดจากการนำความร้อนภายในของแข็งกับการพาความร้อนระหว่างพื้นผิวผนังของแข็งกับของไหลเป็นหลัก (ในกรณีนี้จะเรียกว่า Overall Heat Transfer หรือ Over Heat Transmission) ต่อไปนี้จะลองคำนวณความร้อนสูญเสียของเตาให้ความร้อนเป็นตัวอย่าง รูป 1 (a) และ (b) แสดงตัวอย่างโครงสร้างของผนังเตาให้ความร้อนแบบดั้งเดิมกับแบบอนุรักษ์พลังงานโดยใช้ไฟเบอร์เซรามิก

ถ้าให้สัมประสิทธิ์การนำความร้อน λ ของวัสดุที่ใช้ทำผนังเตาและสัมประสิทธิ์การพาความร้อน h จากพื้นผิวผนังเตาด้านนอกออกไปยังอากาศภายนอกมีค่าเท่ากับในรูปที่1 สำหรับเตาในรูปที่1 (a) ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเท q ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ [m²] ต่อหนึ่งหน่วยเวลา [h] จากผนังในเตาผ่านวัสถุทำตัวเตาออกไปยังอากาศภายนอกในสภาพคงที่ในเชิงความร้อน จะสามารถคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้

ตารางที่ 1 ตัวอย่าง Total Emissivity (Emissivity) ของวัสดุชนิดต่างๆ

ตารางที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆ ในระบบความร้อนกับปริมาณต่างๆ ในระบบไฟฟ้า

ในที่นี้สัญลักษณ์ θ_A แทนอุณหภูมิของผนังภายในเตา สัญลักษณ์ θ₀ แทนอุณหภูมิของอากาศภายนอก สัญลักษณ์ ℓ₁, ℓ₂, ... แสดงความหนาของวัสดุทำผนังเตาแต่ละชั้น

ดังนั้น ถ้าให้ θ_A= 900°C   และ  θ₀ = 25°C แล้ว ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเท q จะเท่ากับสำหรับเตา (ก)

รูปที่ 1 ตัวอย่างโครงสร้างของผนังเตาให้ความร้อนแบบดั้งเดิมกับแบบอนุรักษ์พลังงาน

ในทำนองเดียวกันสำหรับเตา (b)

จากข้างต้นจะเห็นว่า เตา (ข) สามารถทำให้ผนังเตาบางได้ และความร้อนสูญเสียยังลดลงอีกด้วยความจุความร้อน (ปริมาณความร้อนสะสม) H

ต่อผนังเตา 1 m² จะคำนวณได้ดังสูตรต่อไปนี้

ปริมาณความร้อนสะสมของผนังเตา

สำหรับรูป 1 (b) ก็คำนวณได้ในทำนองเดียวกัน ผลลัพธ์จากการทดลองคำนวณ (รายละเอียดจะไม่อธิบาย) พบว่าเตาแบบปรับปรุง (b) จะมีปริมาณความร้อนสะสมน้อยกว่า (a) ถึง 30%

ตัวอย่างข้างต้นแสดงให้เห็นว่าการใช้วัสดุที่มีคุณลักษณะฉนวนความร้อนที่ดี เช่น
ไฟเบอร์เซรามิก ส่วนมากจะทำให้ลดความร้อนสูญเสียของเตาได้มากและทำให้เตามีคุณลักษณะดีขึ้นอีกด้วย

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน

หลักการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า

(Principle of Electric Heating)