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
Eb (Total Radiant Energy Density หรือ Total Radiant Exitance) ของทุกความยาวคลื่นของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิ T [K] จะคำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้
Radiant Exitance ของวัตถุทั่วไปจะมีค่าน้อยกว่าวัตถุดำ หากให้มีค่าเท่ากับ E แล้วจากสูตรข้างต้นจะได้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้
ค่า εt 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 ελ 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
ชื่อวัสดุ | สภาพพื้นผิว | ช่วงอุณหภูมิเป้าหมาย [°C] | total emissivity |
อลูมิเนียม | 200-600 | 0.039-0.057 | |
อลูมิเนียม | ชั้นออกไซด์ | ” | 0.11-0.31 |
เบอริลเลียม | 100-1000 | 0.61 | |
โครเมียม | ” | 0.08-0.36 | |
ทองแดง | 100-500 | 0.018-0.072 | |
ทองแดง | ชั้นออกไซด์ | 200-600 | 0.57 |
ทองคำ | 200-700 | 0.018-0.035 | |
เหล็ก | ชั้นออกไซด์ | 200-1000 | 0.64-0.95 |
โมลิบดินัม | filament | 700-2500 | 0.096-0.292 |
ทองคำขาว | ” | 100-1500 | 0.036-0.192 |
ทังสเตน | ” | 1000-2500 | 0.30-0.39 |
nichrome | ชั้นออกไซด์ | 100-1000 | 0.95-0.95 |
คาร์บอน | 1500-3000 | 0.78-0.84 | |
Al2O3 | 100-2000 | 0.39-0.78 | |
SiO2 | 800 | 0.83 | |
soda glass | 100-600 | 0.84 |
ตารางที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆ ในระบบความร้อนกับปริมาณต่างๆ ในระบบไฟฟ้า
ในที่นี้สัญลักษณ์ θA แทนอุณหภูมิของผนังภายในเตา สัญลักษณ์ θ0 แทนอุณหภูมิของอากาศภายนอก สัญลักษณ์ ℓ1, ℓ2, ... แสดงความหนาของวัสดุทำผนังเตาแต่ละชั้น
ดังนั้น ถ้าให้ θA= 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