Oil temperature control units with forced circulation
หลักการทำงาน
เครื่องควบคุมอุณหภูมิน้ำมันประกอบด้วยชุดทำความร้อนที่มีลักษณะการไหลที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ (แบบบังคับการไหล) ซึ่งหากตั้งค่าอย่างถูกต้อง จะช่วยป้องกันไม่ให้น้ำมันถ่ายเทความร้อนเกิดความร้อนเกิน
ในตัวอย่างนี้ ชุดทำความร้อนเป็นท่อที่มีฮีตเตอร์ติดตั้งอยู่ภายใน กำลังให้ความร้อน 20 หรือ 40 กิโลวัตต์ โดยน้ำมันถ่ายเทความร้อนจะไหลผ่านรอบฮีตเตอร์ ซึ่งมีครีบช่วยนำทิศทางการไหล
โครงสร้างแบบนี้มีความเฉื่อยความร้อนต่ำ (สะสมความร้อนได้น้อย) ทำให้ควบคุมอุณหภูมิได้ดี และด้วยการออกแบบให้สภาวะการไหลภายในฮีตเตอร์มีความแม่นยำ เช่น อัตราการไหลของปั๊ม และกำลังให้ความร้อน ถูกปรับให้สอดคล้องกัน จึงทำให้อุณหภูมิภายในฮีตเตอร์ไม่เกินค่าฟิล์มอุณหภูมิสูงสุดที่ผู้ผลิตน้ำมันกำหนด
โดยทั่วไป เงื่อนไขสำคัญนี้สามารถทำได้ด้วยการใช้ฮีตเตอร์แบบบังคับการไหลที่มีการกำหนดลักษณะการไหลไว้อย่างชัดเจนเท่านั้น ดังนั้น การออกแบบชุดทำความร้อนจึงเป็นปัจจัยสำคัญต่อการควบคุมอุณหภูมิรวมถึงความปลอดภัยในการใช้งาน ความน่าเชื่อถือของเครื่อง และอายุการใช้งานของน้ำมันถ่ายเทความร้อน โดยการออกแบบฮีตเตอร์จะพิจารณาจาก 3 ปัจจัยหลัก ได้แก่
- อัตราการไหลของปั๊ม (Pump capacity)
- กำลังให้ความร้อน หรือภาระความร้อนจำเพาะ (Heating capacity, W/cm²)
- ขนาดของเครื่อง (Dimensions)
ความสัมพันธ์ของปัจจัยเหล่านี้คือ:หากอัตราการไหลสูง สามารถใช้ภาระความร้อนในฮีตเตอร์ที่สูงขึ้นได้ ซึ่งช่วยให้ขนาดของฮีตเตอร์และตัวเครื่องโดยรวมเล็กลงแต่ปั๊มที่มีอัตราการไหลสูงจะมีราคาสูงกว่าในทางกลับกัน หากอัตราการไหลต่ำ ภาระความร้อนในฮีตเตอร์ก็ต้องต่ำลงตาม ซึ่งหมายถึงต้องใช้กำลังความร้อนต่ำ หรือไม่ก็ต้องเพิ่มขนาดของเครื่องให้ใหญ่ขึ้น แต่สามารถใช้ปั๊มที่มีราคาถูกกว่าได้
Regloplas แนะนำให้ใช้ระบบทำความร้อนแบบบังคับการไหลสำหรับน้ำมันถ่ายเทความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 °C ทั้งในด้านความปลอดภัย และสำหรับงานที่เน้นการให้ความร้อนเป็นหลัก
นอกจากอุปกรณ์พื้นฐานที่กล่าวมาแล้ว เช่น ระบบควบคุมระดับของเหลว เทอร์โมสตัทนิรภัย อุปกรณ์ตัดการทำงานเพื่อค วามปลอดภัย และรีเลย์ความร้อนของมอเตอร์ปั๊ม เพื่อความปลอดภัย เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบบังคับการไหลยังต้องมีอุปกรณ์เพิ่มเติม ได้แก่ ถังขยาย (expansion vessel), บายพาส (bypass) และตัวตรวจจับการไหล (flow monitor)
ถังขยาย (Expansion vessel)ทำหน้าที่แยกน้ำมันร้อนที่หมุนเวียนออกจากอากาศ ช่วยลดปัญหาน้ำมันเสื่อมเร็วจากการเกิดออกซิเดชันแบบที่พบในระบบอ่างความร้อน และยังป้องกันไอของน้ำมันที่ติดไฟได้ไม่ให้เล็ดลอดออกสู่บรรยากาศในกรณีที่อุณหภูมิทางออกสูงมาก (สูงกว่าจุดเดือดของน้ำมัน) หรือเพื่อลดการเกิดออกซิเดชัน อาจเติมก๊าซไนโตรเจนคลุมในถังขยายได้
บายพาส (Bypass)ติดตั้งขนานกับอุปกรณ์ใช้งาน (consumer) มีหน้าที่:ป้องกันมอเตอร์ปั๊มทำงานเกินกำลังรักษาอัตราการไหลขั้นต่ำ เมื่อฝั่งใช้งานมีการไหลไม่พอ เพื่อป้องกันอุณหภูมิฟิล์มในฮีตเตอร์สูงเกิน และป้องกันน้ำมันเสื่อมป้องกันแรงดันเกินในระบบ (เช่น ระบบถังสองชั้น)ปรับอัตราการไหลไปยังจุดใช้งาน (โดยเฉพาะปั๊มที่มีอัตราการไหลสูง)
ตัวตรวจจับการไหล (Flow monitor)ทำหน้าที่ตรวจสอบการไหลของของเหลว หากอัตราการไหลต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ เครื่องจะตัดฮีตเตอร์ทันที จึงช่วยป้องกันปั๊มทำงานแห้งและป้องกันเครื่องร้อนเกินได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ข้อดีของระบบความปลอดภัยเหล่านี้ลดการเกิดคราบไหม้ (coking) และทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ดี ทำให้อายุการใช้งานของน้ำมันยาวขึ้นลดต้นทุนการใช้งาน และเพิ่มความเสถียรของระบบ
ระบบทำความเย็น (Cooler)
มักเป็นแบบท่อที่มีน้ำหล่อเย็นไหลภายใน และให้น้ำมันไหลผ่านด้านนอก โดยมีเช็ควาล์วที่ทางออกน้ำ เพื่อป้องกันน้ำไหลย้อนและลดการเกิดตะกรัน
ปั๊ม (Pump)
โดยทั่วไปใช้ปั๊มแรงเหวี่ยง (centrifugal pump) แบบซีลกล หรือแบบแมกเนติกไดรฟ์
วงจรบายพาสของคูลเลอร์ (Cooler bypass circuit)
สำหรับเครื่องที่ทำงานอุณหภูมิสูงกว่า 300 °C จะมีระบบนี้เพื่อลดภาระความร้อนและช่วยควบคุมได้ดีขึ้น
การทำงาน
ช่วงให้ความร้อน: วาล์วสามทางปิดทางไปคูลเลอร์ (ไม่ผ่านคูลเลอร์)
ช่วงทำความเย็น: วาล์วเปิดให้น้ำมันไหลผ่านคูลเลอร์และกลับเข้าสู่ฮีตเตอร์วาล์วนี้ควบคุมโดยตัวควบคุมอุณหภูมิผ่านโซลินอยด์วาล์ว
ข้อดีของระบบบายพาสคูลเลอร์
ควบคุมอุณหภูมิได้แม่นยำขึ้น (ไม่เกิดอุณหภูมิต่ำเกิน)
ลดการช็อกความร้อนในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
ลดการเกิดตะกรัน
ไม่เกิดไอน้ำมันในช่วงเริ่มและสิ้นสุดการทำความเย็น
อุณหภูมิทางออกสูงสุดของเครื่องควบคุมอุณหภูมิที่ไม่มีการใช้ไนโตรเจนคลุม จะอยู่ที่ประมาณ 350 °C
โดยอุณหภูมิทางออกสูงสุดนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลัก ได้แก่
-
ค่าอุณหภูมิฟิล์มสูงสุดที่ยอมรับได้ และอุณหภูมิทางออกสูงสุดของน้ำมันถ่ายเทความร้อนที่ใช้งาน
-
การออกแบบของชุดทำความร้อน ซึ่งกำหนดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิน้ำมันบริเวณผิวให้ความร้อน โดยค่าการเพิ่มอุณหภูมินี้จะขึ้นอยู่กับภาระความร้อนจำเพาะ และอัตราการไหลของน้ำมัน
- อุณหภูมิทางออกสูงสุดได้ถึง 350 °C หรือมากกว่า
- อัตราการเกิดออกซิเดชันของน้ำมันต่ำ ทำให้อายุการใช้งานยาวนาน
- สภาวะการไหลถูกควบคุมอย่างชัดเจน ช่วยยืดอายุการใช้งานและลดการเกิดคราบไหม้ของน้ำมัน
- ไม่มีกลิ่นรบกวน
- ไอของน้ำมันที่ติดไฟไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้
- มีความเสถียรและความน่าเชื่อถือในการทำงานสูง
ในโครงการร่วม นักวิจัยจากสถาบัน Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK) และ Institut für Energietechnik (IET) แห่ง Hochschule für Technik Rapperswil ได้ทำการวัดการประหยัดพลังงานจากการทดลองจริงหลายชุด โดยใช้ทั้งแม่พิมพ์ของลูกค้า และแม่พิมพ์ที่ผลิตขึ้นเฉพาะสำหรับการทดลอง (ผู้ผลิต: IWK, เมือง Rapperswil ประเทศสวิตเซอร์แลนด์)แม่พิมพ์ถูกใช้งานร่วมกับเครื่องควบคุมอุณหภูมิน้ำ 2 เครื่อง (รุ่น P200M จาก Regloplas) การศึกษานี้ทดสอบกับพลาสติก 3 ชนิดที่เหมาะกับการควบคุมอุณหภูมิแบบวาริโอเทอร์ม และเป็นวัสดุที่ลูกค้าใช้งานจริง (ตารางที่ 1) โดยกำหนดจุดการทำงานภายใต้สภาวะการผลิตจริงที่มีอัตราการผลิตต่อชั่วโมงสูงการวัดการประหยัดพลังงานทำหลังจากเครื่องเข้าสู่สภาวะคงที่แล้ว โดยดูจากกำลังไฟฟ้าที่ใช้ของชุดทำความร้อน ขณะที่พารามิเตอร์และการตั้งค่าต่าง ๆ ของเครื่องควบคุมอุณหภูมิ ยังคงเดิมทั้งในกรณีที่ใช้และไม่ใช้ energyBattery
ตารางที่ 1 เงื่อนไขการทดสอบสำหรับการผลิตชิ้นส่วนพลาสติกคุณภาพสูง โดยการทดลอง 3 ครั้งแรกใช้แม่พิมพ์จาก IWK
การแยกและการเก็บของเหลวถ่ายเทความร้อนแบบชั่วคราว ช่วยให้เกิดประโยชน์โดยไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของแม่พิมพ์หรือเงื่อนไขการทำงานที่เลือกใช้ โดยศักยภาพในการประหยัดโดยเฉลี่ยสามารถประเมินเบื้องต้นได้จาก ปริมาตรของของเหลว (Vstorage) หน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร (m³), อุณหภูมิการทำงานหน่วยเคลวิน (K) และเวลาในแต่ละรอบการทำงานหน่วยวินาที (s)
การผสมกันของของเหลวร้อนและเย็นจะทำให้สูญเสียพลังงานเฉลี่ย (วัตต์)
ตามสมการ:Pcapacity = Vstorage × p × cp × (Tu - T1) / tcycle time
สำหรับของเหลวถ่ายเทความร้อนประเภทน้ำ ในช่วงอุณหภูมิ 100–200 °C สามารถใช้ค่าความหนาแน่นเฉลี่ย (p) ที่ 920 kg/m³ และค่าความจุความร้อนจำเพาะเฉลี่ย (cp) ที่ 4320 J/(kg·K)ดังนั้น ในทางทฤษฎี การประหยัดต้นทุนจะสูงที่สุดในงานที่มีปริมาตรของเหลวมาก มีความแตกต่างของอุณหภูมิสูง และมีรอบการทำงานสั้น
ในการใช้งานจริง พบว่ามีความแตกต่างของรูปแบบอุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายเข้า (รูปที่ 3) เมื่อมีการใช้ระบบเก็บพักชั่วคราว อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะมีความผันผวนน้อยลงสำหรับงานที่มีรอบการผลิตสั้น จะช่วยให้อุณหภูมิเข้าใกล้เส้นโค้งการควบคุมอุณหภูมิในอุดมคติมากขึ้น โดยค่าที่เป็นจุดตกและจุดพีคของอุณหภูมิจะลดลงอย่างชัดเจน ส่งผลให้ควบคุมอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็วและเหมาะสมมากขึ้น พร้อมทั้งลดภาระความร้อนที่เกิดกับแม่พิมพ์อีกด้วย
รูปที่ 3 อุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายเข้าสามารถปรับให้ดีขึ้นได้อย่างชัดเจนด้วยการควบคุมอุณหภูมิแบบวาริโอเทอร์มร่วมกับ energyBattery โดยการทดลองทั้งหมดใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิน้ำแรงดันรุ่น P200M ที่มีอัตราการไหล 60 ลิตร/นาที และกำลังทำความร้อน 18 กิโลวัตต์ (ที่มา: IET)
ในการทดสอบทั้งหมดที่ใช้ energyBattery พบว่าสามารถประหยัดพลังงานได้อย่างชัดเจนประมาณ 20% โดยยังคงคุณภาพของชิ้นงานสม่ำเสมอ (รูปที่ 4) ศักยภาพในการประหยัดพลังงานเห็นได้เด่นชัดเป็นพิเศษในแม่พิมพ์ของลูกค้าเนื่องจากมีการต่อวงจรควบคุมอุณหภูมิแบบอนุกรม ทำให้แม่พิมพ์มีระยะทางการไหลของของเหลวยาว และส่งผลให้ต้องใช้ปริมาณของเหลวในการควบคุมอุณหภูมิจำนวนมาก
รูปที่ 4 กราฟแสดงกำลังเฉลี่ยของชุดควบคุมอุณหภูมิฝั่งทำความร้อนที่สามารถประหยัดได้ เมื่อมีการใช้ระบบเก็บพักชั่วคราว (energyBattery) (ที่มา: IET)
เมื่อคำนวณสำหรับการทำงานแบบ 1 ที่ประมาณ 2,000 ชั่วโมงเครื่องต่อปี โดยสมมติค่าไฟฟ้าอุตสาหกรรมอยู่ที่ประมาณ 0.17 ยูโรต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง [1] แม่พิมพ์ของลูกค้าจะสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายได้ประมาณ 0.765 ยูโรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 1,530 ยูโรต่อปีส่วนพลังงานที่ประหยัดได้ในระบบทำความเย็น จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการทำความเย็นที่ใช้ และสภาวะการทำงานของระบบน้ำหล่อเย็นเป็นหลัก ดังนั้นศักยภาพในการประหยัดในส่วนของระบบทำความเย็นจึงไม่ได้ถูกนำมาศึกษาในรายละเอียดเพิ่มเติม
energyBattery ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบควบคุมอุณหภูมิในแม่พิมพ์ที่ทดสอบได้อย่างชัดเจน โดยยังคงคุณภาพของชิ้นงานฉีดขึ้นรูปให้อยู่ในระดับสูงและสม่ำเสมอด้วยการทำงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ระบบควบคุมอุณหภูมิสามารถปรับให้ได้ตามค่าที่ต้องการได้แม่นยำขึ้น และลดภาระความร้อนที่เกิดกับระบบน้ำหล่อเย็น นอกจากนี้ ในบางกรณี ผู้ใช้งานยังสามารถลดเวลาในแต่ละรอบการผลิตได้ เนื่องจากมีอุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายเข้าสูงขึ้นโดยเฉลี่ย
การพัฒนานี้เกิดขึ้นจากความร่วมมือกับสถาบัน Institut für Energietechnik (IET) แห่ง HSR Hochschule für Technik Rapperswil และได้รับการสนับสนุนทุนจาก KTI/Innosuisse
ภาพและเนื้อหา: © Kunstoffe