นักวิจัย มจธ. พัฒนา “ท่อเพิ่มความร้อนฯ” และ “นวัตกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน” เพิ่มสมรรถนะทางความร้อนให้สูงขึ้น-ประหยัดพลังงานมากยิ่งขึ้น

ผลงาน “ท่อเพิ่มความร้อนสำหรับเพิ่มสมรรถนะทางอุณหภาพ” โดย ศ. ดร.สมชาย วงศ์วิเศษ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) และคณะนักวิจัย ซึ่งประกอบด้วย ดร.คณิต อรุณรัตน์ ดร.สุริยัน เลาหเลิศ เดชาธน อากาศอำนวย และ รชต ลีลาประชากุล คว้ารางวัลรองชนะเลิศอันดับ 1 จาก Thailand Energy of Innovation and Technology Awards 2019 (TE-IT 2019) ในโครงการประกวดการเพิ่มประสิทธิภาพด้านการอนุรักษ์พลังงานและพลังงานทดแทน ของกรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน (พพ.) ณ ห้องแกรนด์ เอบี โรงแรมมิราเคิล แกรนด์ คอนเวนชั่น กรุงเทพฯ นอกจากนี้ ผลงาน “นวัตกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวเพื่อการประหยัดพลังงาน” โดย ศ. ดร.สมชาย วงศ์วิเศษ และ ร.ท. ดร.ปรญิ ญาเกียรติภาชัย ยังได้รับรางวัลนวัตกรรมที่น่าสนใจเป็นพิเศษอีกด้วย

ศ. ดร.สมชาย วงศ์วิเศษ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) กล่าวว่า ผลงานทั้ง 2 เป็นการคิดค้นแนวทางในการเพิ่มประสิทธิภาพให้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีความเกี่ยวข้องกับระบบพลังงาน สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ โดยเพิ่มสมรรถนะทางความร้อนให้สูงขึ้น จะทำให้การใช้พลังงานเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถประหยัดพลังงานได้มากยิ่งขึ้น

ปัจจุบันนักวิจัยพยายามใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อน ปรับปรุงสมรรถนะทางความร้อนของอุปกรณ์ให้สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนให้ดีขึ้น ซึ่งเทคนิคการทำผิวท่อให้ขรุขระเป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุด ท่อเพิ่มความร้อน (Enhanced Tube) สามารถเพิ่มการถ่ายเทความร้อนโดยสร้างการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent Flow) และเพิ่มพื้นที่ในการถ่ายเทความร้อน ท่อเพิ่มความร้อนมีอยู่หลายประเภท หนึ่งในนั้นคือ ท่อที่มีร่องเกลียวภายใน (Internally Corrugated Tube) ท่อชนิดนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้แทนท่อเรียบในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนได้ทุกประเภท ผลที่ตามมาคือ จะทำให้สมรรถนะทางอุณหภาพของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนสูงขึ้น ส่งผลให้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเล็กลง หรือช่วยเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนให้มากยิ่งขึ้น ในขณะที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเท่าเดิม

นวัตกรรมนี้เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมเครื่องทำความเย็นและเครื่องปรับอากาศ ท่อที่มีร่องเกลียวสามารถนำไปใช้แทนที่ท่อเรียบ ทั้งในคอนเดนเซอร์และอีวาโปเรเตอร์ท่อชนิดนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในกระบวนการทางความร้อนได้ทุกประเภทอีกด้วย เช่น นำไปใช้เป็นท่ออุปกรณ์แลกเปลี่ยนอุปกรณ์ความร้อนแบบเปลือกและท่อ หรือใช้เป็นท่อในหม้อไอน้ำ

“เราพัฒนาท่อแลกเปลี่ยนความร้อนมาแล้ว 3 แบบ แบบแรกเป็นท่อมีครีบภายใน แบบที่ 2 เป็นท่อที่มีลักษณะเกลียวข้างใน และแบบที่ 3 เป็นท่อที่มีปุ่มอยู่ข้างในท่อ ซึ่งท่อทั้ง 3 แบบที่พัฒนาขึ้นมา แบบที่เป็นปุ่มจะให้การถ่ายเทความร้อนได้ดีที่สุด แต่ให้ค่าความดันลด (Pressure Drop) สูงที่สุด หากนำไปใช้งานจริง ท่อแบบนี้จะให้การถ่ายเทความร้อนได้ดีที่สุด แต่ต้องใช้พลังงานในการขับเคลื่อนของไหลสูง จึงขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ในการนำไปใช้งาน ต้องพิจารณาว่าควรเลือกใช้งานแบบไหน” ศ. ดร.สมชาย กล่าว

ศ. ดร.สมชาย ในฐานะผู้เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์ของไหลและการถ่ายเทความร้อน ทำการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับท่อแลกเปลี่ยนความร้อนมานานกว่า 20 ปี มีผลงานตีพิมพ์มากกว่า 500 เรื่อง และผลงานได้ถูกนำไปต่อยอดงานวิจัยอื่นๆ อีกเป็นจำนวนมาก แม้ว่า ศ. ดร.สมชาย จะเน้นการทำงานเพื่อการตีพิมพ์ ไม่ได้ตั้งเป้าว่าจะผลิตออกมาใช้เชิงพาณิชย์หรือใช้กับภาคอุตสาหกรรม แต่ผลงานวิจัยได้รับความสนใจจาก รชต ลีลาประชากุล กรรมการผู้จัดการบริษัท ไทย-เยอรมัน โปรดักส์ จำกัด (มหาชน) หรือ TGPRO ซึ่งเป็นโรงงานผลิตท่อและแผ่นสเตนเลส ที่ติดต่อให้ช่วยพัฒนาท่อให้มีประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนให้ดีขึ้น

“EXTUBA TURBO TUBE” จึงเป็นผลงานที่ร่วมกันพัฒนาขึ้นระหว่าง มจธ. และ TGPRO ซึ่งผลจากการวิจัยและทดลองสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนพบจุดเด่นคือ การสร้างครีบร่องเกลียวภายในท่อ จะส่งผลให้ผนังท่อมีพื้นที่ผิวสำหรับแลกเปลี่ยนความร้อนสูงขึ้นกว่า 30% ทำให้จำนวนท่อที่ต้องใช้ในการแลกเปลี่ยนความร้อนมีจำนวนน้อยลง ขณะที่สมรรถนะในการถ่ายเทความร้อนเท่าเดิม ทำให้จำนวนท่ออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเล็กลงอย่างเห็นได้ชัดมีความกะทัดรัดมากขึ้น สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer Coefficient) สูงขึ้นประมาณ 50% เมื่อเปรียบเทียบกับท่อธรรมดาทั่วไป ขณะที่ความแข็งแรงได้มาตรฐาน โดยผ่านการทดสอบมาตรฐานสากล อาทิ ASTM (American Society of Testing Materials), PED (Pressure Equipment Directive) จากสถาบัน BUREAU VERTA’s

“ถือเป็นผลงานชิ้นแรกๆ ที่พัฒนาขึ้นจากงานวิจัยที่เราทำขึ้นเอง และเราสามารถนำไปสู่การใช้งานจริงในภาคอุตสาหกรรมด้วยตัวเราเอง ต่างจากที่ผ่านมาที่อาจจะมีผู้อื่นนำงานวิจัยของเราไปต่อยอดในเชิงอุตสาหกรรม” ศ. ดร.สมชาย กล่าว

สำหรับผลงานนวัตกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อติดครีบเกลียวที่วิจัยขึ้นนี้ ได้รับรางวัลเหรียญทองเกียรติยศจากเวทีระดับโลก จากผลงาน Enhanced Tubes for Improving the Thermal Performance ในงานนิทรรศการสิ่งประดิษฐ์ใหม่ของโลก 44th International Exhibition and Invention of Geneva 2016 ที่กรุงเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์

ชูจุดเด่นกินไฟน้อยลงแต่เย็นเหมือนเดิมประสานผู้ผลิตเครื่องปรับอากาศนำไปใช้งานในเชิงพาณิชย์

ศ. ดร.สมชาย กล่าวว่า ได้มีการพูดคุยกับบริษัทที่ผลิตเครื่องปรับอากาศ เพื่อให้นำผลงานวิจัยท่อแลกเปลี่ยนความร้อนที่เราวิจัยนำไปใช้ ซึ่งจากงานวิจัยพบว่าการถ่ายเทความร้อนและการประหยัดพลังงานดีกว่าท่อแบบเรียบ ซึ่งจะทำให้กินไฟน้อยลง แต่ยังให้ความเย็นเหมือนเดิม

อย่างไรก็ตาม ถ้าจะนำไปใช้จริง ทางผู้ประกอบการก็ต้องคำนวณเรื่องการสูญเสียของพลังงานในการไหลด้วย เพราะจากผลงานวิจัยพบว่า มีทั้งข้อได้เปรียบและเสียเปรียบ ดังนั้นจึงต้องดูจุดที่เหมาะสมที่สุด

Source: นิตยสาร Green Network ฉบับที่ 102 พฤศจิกายน-ธันวาคม 2563 คอลัมน์ Innovation โดย กองบรรณาธิการ