Water as a heat transfer fluid
น้ำในฐานะตัวกลางถ่ายเทความร้อน
ในเครื่องควบคุมอุณหภูมิ น้ำจะถูกใช้เกือบทั้งหมดสำหรับอุณหภูมิการทำงานที่ไม่เกิน 90 °C เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 90 °C ผู้ใช้งานต้องเลือกระหว่างน้ำกับน้ำมันถ่ายเทความร้อน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ระบบน้ำแรงดัน (pressurised water) ได้รับค วามนิยมมากขึ้นสำหรับอุณหภูมิสูงถึงประมาณ 250 °C บทความนี้จะอธิบายถึงข้อดีและข้อเสียของน้ำในฐานะตัวกลางถ่ายเทความร้อน รวมถึงแนวทางที่จำเป็นเพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
น้ำมีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดีมาก จึงเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง โดยค่าความจุความร้อนจำเพาะมีประมาณสองเท่าของน้ำมันถ่ายเทความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนก็สูงกว่าด้วย ทำให้ถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าข้อดีอีกอย่างคือ น้ำมีความหนืดต่ำและแทบไม่เปลี่ยนแปลงตลอดช่วงการใช้งาน อีกทั้งยังปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม ใช้งานและกำจัดได้ง่าย และมีต้นทุนต่ำน้ำยังมีการขยายตัวน้อย ซึ่งสำคัญเมื่อใช้กับระบบที่มีปริมาณตัวกลางมาก เช่น น้ำ 100 ลิตร เมื่อให้ความร้อนจาก 20 ถึง 140 °C จะขยายตัวประมาณ 7.4 ลิตร ในขณะที่น้ำมันจะเพิ่มขึ้นประมาณ 10.2 ลิตร จึงทำให้ระบบน้ำมันต้องใช้ถังขยายขนาดใหญ่กว่านอกจากนี้ น้ำไม่เกิดคราบไหม้ (coking) ทำให้สามารถใช้กำลังความร้อนได้สูงขึ้น เครื่องจึงมีขนาดเล็กและประหยัดกว่า และน้ำยังไม่ติดไฟด้วยข้อดีเหล่านี้ จึงมีการใช้น้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้นมาก
บางกรณียังมีข้อกังวลเรื่องความปลอดภัย เพราะที่อุณหภูมิ 250 °C ความดันในระบบอาจสูงกว่า 38 บาร์ และอาจถึง 50 บาร์เมื่อรวมแรงดันจากปั๊ม จึงต้องใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมและตรวจสอบระบบอย่างสม่ำเสมอหากสามารถควบคุมเงื่อนไขเหล่านี้ได้ ก็ยังสามารถใช้น้ำได้อย่างปลอดภัย แต่ในระบบที่รองรับแรงดันต่ำ อาจไม่สามารถใช้น้ำที่อุณหภูมิสูงได้ และต้องใช้น้ำมันแทนโดยทั่วไป การใช้น้ำจะไม่มีปัญหามากที่อุณหภูมิไม่เกินประมาณ 60 °C และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ผู้ผลิตส่วนใหญ่มักจำกัดอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 200 °C เนื่องจากความดันในระบบจะสูงมากและอาจมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย รวมถึงพฤติกรรมของน้ำที่อุณหภูมิสูงจะแตกต่างจากอุณหภูมิต่ำ ซึ่งผู้ใช้งานควรเข้าใจจุดนี้
ตราบใดที่ยังใช้น้ำประปาในวงจรควบคุมอุณหภูมิและในการระบายความร้อน ปัญหาอย่างการกัดกร่อนจะเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก สาเหตุหนึ่งคือในอดีตเครื่องทำงานที่อุณหภูมิไม่สูงมาก แต่เมื่อมีการใช้พลาสติกคุณภาพสูงมากขึ้น จึงต้องใช้แม่พิมพ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้ปัญหาเพิ่มขึ้นตามมา
เนื่องจากแทบไม่มีโรงงานใดสามารถใช้น้ำประปาได้ตลอด (เพราะต้นทุนและสิ่งแวดล้อม) จึงมีการใช้ระบบน้ำหล่อเย็นแบบหมุนเวียนร่วมกับคูลลิ่งทาวเวอร์ โดยน้ำจะถูกปรับสภาพ และผู้ใช้งานมักคิดว่าคุณภาพน้ำเพียงพอแล้ว ซึ่งอาจถูกต้องสำหรับอุณหภูมิประมาณ 40 °C ที่ใช้ในการระบายความร้อนแต่ปัญหาคือ น้ำเดียวกันนี้ถูกนำมาใช้เป็นตัวกลางหมุนเวียนในระบบควบคุมอุณหภูมิด้วย ทำให้ต้องเจอกับอุณหภูมิสูงถึง 180 °C หรือมากกว่า ซึ่งโดยทั่วไปน้ำประเภทนี้ไม่เหมาะกับอุณหภูมิสูง
เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหา น้ำที่ใช้เป็นตัวกลางควรมีคุณสมบัติดังนี้:
-
ความกระด้างรวม 4–18 °dH
-
ความกระด้างคาร์บอเนต 2–12 °dH
-
ค่า pH 7–9
-
ค่าการนำไฟฟ้าไม่เกิน 1000 µS/cm
สมดุลแคลเซียม–คาร์บอนไดออกไซด์ (CCB) ซึ่งดูจากค่า pH เป็นตัวชี้วัดคุณภาพน้ำที่สำคัญ หากน้ำอยู่ในสมดุลนี้ จะเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน
อย่างไรก็ตาม ถึงแม้น้ำจะอยู่ในเกณฑ์ ก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีปัญหา โดยเฉพาะในระบบที่มีการให้ความร้อนแบบถังเปิด ที่อุณหภูมิสูงกว่า 90 °C จะเกิดการระเหยสูง น้ำบริสุทธิ์จะระเหยออกไป แต่สารอื่นยังคงอยู่ ทำให้น้ำเข้มข้นขึ้น ซึ่งสามารถตรวจสอบได้จากค่าการนำไฟฟ้า
ตัวอย่าง: หากน้ำเติมมีค่าการนำไฟฟ้า 500 µS/cm และในระบบมี 1000 µS/cm แสดงว่าความเข้มข้นเพิ่มเป็น 2 เท่า และหากเกิน 1500 µS/cm ควรเปลี่ยนน้ำ
ความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นยังทำให้ความกระด้างสูงขึ้น ส่งผลให้เกิดตะกรันในท่อ ช่องควบคุมอุณหภูมิ และฮีตเตอร์ โดยตะกรันจะเป็นฉนวน ทำให้การถ่ายเทความร้อนแย่ลง และอาจทำให้ฮีตเตอร์ร้อนเกินจนเสียหาย
ตะกรันยังทำให้การไหลของของเหลวแย่ลง ส่งผลให้การควบคุมอุณหภูมิไม่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ความเข้มข้นสูงยังอาจทำให้เกิดการสะสมของเกลือและนำไปสู่การกัดกร่อน โดยออกซิเจนจะทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นรู ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดการลอกของผิววัสดุ
ความเสียหายของอุปกรณ์ เช่น ปั๊มหรือใบพัด อาจเกิดจากคาวิเทชัน ซึ่งเกิดจากแรงกระแทกระดับสูงมากจากฟองอากาศ
ค่า pH เป็นปัจจัยสำคัญในการประเมินคุณภาพน้ำ โดยทั่วไปควรอยู่ที่ประมาณ 8.5–9.5 ซึ่งเหมาะสมกับหลายวัสดุ หากสูงเกินไปจะกระทบทองแดง และถ้ามีอะลูมิเนียม ค่า pH ต้องต่ำลง เพราะอะลูมิเนียมทนการกัดกร่อนได้ดีในช่วง 5–8.3 เท่านั้น
ในการเลือกเครื่องควบคุมอุณหภูมิสำหรับงานฉีดพลาสติก สมรรถนะของระบบควบคุมอุณหภูมิจะถูกกำหนดจากปัจจัยหลักดังต่อไปนี้:
Parameter
วัสดุที่ใช้ผลิต
น้ำหนักของแม่พิมพ์และเวลาในการอุ่นเครื่อง
ปริมาณการผลิตต่อหน่วยเวลา
ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในแม่พิมพ์
สภาพแรงดันและการไหลในแม่พิมพ์
Purpose
อุณหภูมิของแม่พิมพ์
ตัวกลางถ่ายเทความร้อน
กำลังการระบายความร้อน
อัตราการไหลแรงดันของปั๊ม
เครื่องควบคุมอุณหภูมิทำหน้าที่อะไร?
อุณหภูมิภายในแม่พิมพ์จะมีความแตกต่างกันในแต่ละจุด และยังเปลี่ยนแปลงเป็นรอบตามจังหวะการฉีดอีกด้วย สำหรับคุณภาพของชิ้นงานฉีดพลาสติก สิ่งสำคัญคือระดับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตามรอบนี้ต้องคงที่ตลอดทั้งโพรงแม่พิมพ์
ระหว่างการผลิต เครื่องควบคุมอุณหภูมิจะทำหน้าที่รักษาอุณหภูมิผิวแม่พิมพ์ทั้งค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดให้คงที่ พร้อมทั้งควบคุมไม่ให้อุณหภูมิช่วงนี้เปลี่ยนแปลงสูงขึ้นหรือต่ำลง
สำหรับการควบคุม มีอยู่ 3 วิธีหลัก ได้แก่
1.การควบคุมอุณหภูมิของตัวกลาง
วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุด และให้ความแม่นยำเพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่
2.การควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์
วิธีนี้จะมีการติดตั้งตัววัดอุณหภูมิ (temperature probe) เหมาะสำหรับกรณีที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์ให้คงที่ในช่วงที่แคบมากเป็นพิเศษ
3.การควบคุมแบบแคสเคด (Cascade control)
เป็นการผสมผสานสองวิธีข้างต้นเข้าด้วยกัน เพื่อให้การควบคุมอุณหภูมิในแม่พิมพ์มีประสิทธิภาพและแม่นยำยิ่งขึ้น
เครื่องควบคุมอุณหภูมิช่วยประหยัดต้นทุนได้อย่างไร?
ผู้ที่ใช้งานเครื่องควบคุมอุณหภูมิอย่างถูกต้อง จะสามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีได้อย่างเต็มที่ และช่วยให้การผลิตคุ้มค่ามากขึ้นในทุกขั้นตอน ดังนี้
- ในช่วงเริ่มการผลิต แม่พิมพ์จะมีอุณหภูมิพร้อมใช้งานทันที ช่วยลดของเสียในช่วงเริ่มต้น
- การควบคุมอุณหภูมิที่เหมาะสมระหว่างการผลิต ช่วยลดของเสียที่อาจเกิดขึ้น เช่น การบิดงอ รูโพรง รอยเส้น หรือการไหลของวัสดุที่ไม่สมบูรณ์
- หลังจากหยุดการผลิต สามารถกลับมาผลิตได้เร็วขึ้น และเข้าสู่จังหวะการผลิตปกติได้ไว
- โดยรวมจะได้ชิ้นงานคุณภาพสูงขึ้น ผิวงานดีขึ้น และมีความเค้นต่ำ ทำให้ผลิตชิ้นงานที่มีความแม่นยำสูงได้
- การลดของเสียยังช่วยลดต้นทุนด้านการแก้ไขงาน วัสดุ และของเสีย
เครื่องควบคุมอุณหภูมิยังใช้ระบบหมุนเวียนน้ำแบบปิด แทนการใช้น้ำใหม่ตลอดเวลา ซึ่งช่วยลดปัญหาตะกรันและการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ ส่งผลให้ค่าบำรุงรักษาและซ่อมแซมลดลง อีกทั้งการควบคุมอุณหภูมิที่สมดุลยังช่วยลดการสึกหรอของแม่พิมพ์ โดยรวมแล้ว ปัจจัยทั้งหมดนี้ช่วยให้สามารถลดต้นทุนได้อย่างชัดเจน พร้อมกับได้ชิ้นงานที่มีคุณภาพสูงขึ้น
มาตรการที่ผู้ผลิตเครื่องควบคุมอุณหภูมิดำเนินการ
การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบที่เหมาะสม สามารถทำให้เครื่องควบคุมอุณหภูมิใช้งานกับน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในด้านความต้านทานการกัดกร่อน สแตนเลสเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับชิ้นส่วนที่สัมผัสกับน้ำ แต่เนื่องจากต้นทุนสูง จึงมักใช้เฉพาะในถังเท่านั้น ส่วนปั๊ม ท่อ และเครื่องทำความเย็น จะใช้วัสดุที่ไม่เป็นสนิม เช่น ทองเหลือง บรอนซ์ และทองแดง
ในเครื่องน้ำแรงดันคุณภาพสูง บางรุ่นจะใช้ปั๊มสแตนเลสที่มีแกนเซรามิก ใบพัดทำจาก PEEK และแบริ่งทำจาก SiC
นอกจากวัสดุแล้ว การออกแบบชิ้นส่วนก็มีผลต่ออายุการใช้งานของเครื่องอย่างมาก เช่น การออกแบบที่ดีสามารถช่วยลดความเสียหายจากคาวิเทชันได้
มาตรการที่ผู้ใช้งานควรดำเนินการ
ผู้ใช้งานมักคิดว่าสามารถต่อเครื่องเข้ากับระบบน้ำหล่อเย็นเดิมแล้วใช้งานได้ทันที แต่ในความเป็นจริงมักไม่เป็นเช่นนั้น สาเหตุของปัญหาส่วนใหญ่มาจากน้ำที่ใช้เป็นตัวกลางหมุนเวียน
โดยทั่วไปจำเป็นต้องให้ผู้เชี่ยวชาญภายนอกมาจัดการคุณภาพน้ำ แต่ผู้เชี่ยวชาญมักเข้าใจว่าน้ำจะถูกใช้แค่เพื่อการระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นจึงต้องแจ้งให้ชัดเจนว่าน้ำจะถูกใช้ในระบบควบคุมอุณหภูมิด้วย ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า 40 °C และต้องการการปรับสภาพที่ต่างออกไป
ในหลายกรณี ไม่สามารถทำให้น้ำมีคุณภาพตามที่ต้องการได้ วิธีแก้คือเติมน้ำเข้าระบบแยกต่างหาก หรือใช้ระบบเติมน้ำเฉพาะสำหรับวงจรควบคุมอุณหภูมิ
น้ำในระบบโรงงานจะใช้เพียงเพื่อระบายความร้อนของเครื่องเท่านั้น ส่วนในระบบควบคุมอุณหภูมิจะใช้น้ำที่ผ่านการปรับสภาพให้เหมาะสม ซึ่งเนื่องจากใช้น้ำในปริมาณน้อย จึงประหยัดและควบคุมคุณภาพได้ง่ายกว่า
หากไม่สามารถปรับคุณภาพน้ำหรือแยกระบบได้ ทางเลือกสุดท้ายคือการปรับสภาพน้ำภายในเครื่องเอง โดยใช้สารป้องกันการกัดกร่อน ซึ่งนอกจากช่วยป้องกันการกัดกร่อนแล้ว ยังมีข้อดีอื่นเพิ่มเติมอีกด้วย โดยจะกล่าวถึงในส่วนถัดไป
หัวข้อต่อไปนี้กล่าวถึงสารป้องกันการกัดกร่อน RK93 ของ Regloplas ซึ่งมีคุณสมบัติและการทำงานหลายด้านดังนี้RK93 จะสร้างฟิล์มป้องกันที่ไม่ให้ก๊าซซึมผ่านบนผิวท่อและพื้นผิวต่าง ๆ ฟิล์มนี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าและช่วยป้องกันไม่ให้สารในน้ำทำปฏิกิริยากับโลหะ รวมถึงโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก อีกทั้งยังช่วยป้องกันการกัดกร่อนแบบเป็นรู (pitting) และการเกิดคราบตะกอน ฟิล์มป้องกันนี้ยังคงอยู่แม้หลังจากระบายน้ำออกแล้ว จึงช่วยป้องกันการเกิดสนิมในช่องระบายความร้อนของแม่พิมพ์ระหว่างการเก็บรักษา
RK93 ยังช่วยรักษาสมดุลขององค์ประกอบในน้ำหล่อเย็น ป้องกันการเกิดคราบบนผนังท่อ ช่องระบายความร้อน และฮีตเตอร์ รวมถึงยับยั้งการตกตะกอนของหินปูน หากปริมาณสารในน้ำเกินขีดจำกัด หินปูนและสารอื่น ๆ จะรวมตัวเป็นตะกอน (sludge) ซึ่งสามารถล้างออกได้ง่าย ทำให้ไม่เกิดคราบตะกรันแข็ง
นอกจากนี้ RK93 ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนไปยังแม่พิมพ์ ลดการเกิดความร้อนสูงเฉพาะจุด และยืดอายุการใช้งานของเครื่องควบคุมอุณหภูมิและอุปกรณ์ที่ต่อร่วมกัน อีกทั้งยังทำให้สามารถใช้น้ำประปาทั่วไปเป็นน้ำหล่อเย็นได้โดยไม่ต้องปรับสภาพพิเศษ
น้ำกลั่นก็สามารถใช้ได้ แต่โดยปกติน้ำกลั่นมีความกัดกร่อนสูง จึงไม่ควรใช้โดยตรง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีแร่ธาตุ เช่น หินปูนหรือเกลือ จึงไม่ก่อให้เกิดตะกรัน เมื่อนำ RK93 มาใช้ร่วม จะช่วยลดความกัดกร่อนของน้ำกลั่นได้
RK93 ถูกพัฒนามาเฉพาะสำหรับเครื่องควบคุมอุณหภูมิ จึงสามารถใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้ถึง 180 °C และด้วยการทำงานร่วมกันของส่วนประกอบต่าง ๆ ทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าสารเติมแต่งทั่วไป
อย่างไรก็ตาม RK93 จะทำให้ค่า pH สูงขึ้น จึงต้องระวังหากมีอะลูมิเนียมอยู่ในระบบ เพราะอะลูมิเนียมทนการกัดกร่อนได้ดีในช่วง pH 5–8.3 เท่านั้น หากค่า pH เกิน 8.5 อาจทำให้อะลูมิเนียมถูกกัดกร่อนได้ ดังนั้นต้องตรวจสอบค่า pH และลดปริมาณการเติมสารหากจำเป็น
ในกรณีที่อุณหภูมิทางออกสูงกว่า 180 °C จำเป็นต้องใช้น้ำที่ผ่านการกำจัดเกลือ (desalinated water) และใช้สารป้องกันการกัดกร่อนชนิดอื่น เช่น RK HT ของ Regloplas เพื่อควบคุมค่า pH
น้ำที่มีปริมาณเกลือต่ำช่วยลดความเสี่ยงการกัดกร่อนในเหล็กโครเมียม-นิกเกิล แต่สำหรับเหล็กเครื่องมือ หากไม่มีสารยับยั้งการกัดกร่อนเพียงพอ เมื่อรวมกับออกซิเจนจะเกิดการกัดกร่อนได้อย่างรวดเร็ว และส่งผลเสียต่อช่องระบายความร้อนอย่างมาก
สำหรับอุณหภูมิสูงถึงประมาณ 250 °C น้ำถือเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าน้ำมันถ่ายเทความร้อน เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีต้นทุนต่ำกว่าอย่างไรก็ตาม ผู้ใช้งานต้องตระหนักถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการใช้น้ำด้วย โดยประเด็นสำคัญที่สุดคือ “คุณภาพของน้ำ” ที่ใช้เป็นตัวกลางหมุนเวียนในระบบควบคุมอุณหภูมิเพียงแค่น้ำมีคุณภาพระดับ “น้ำหล่อเย็น” นั้นยังไม่เพียงพอ แต่ต้องเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงของเครื่องควบคุมอุณหภูมิด้วยเนื่องจากผู้ผลิตเครื่องไม่สามารถควบคุมคุณภาพน้ำได้โดยตรง ผู้ใช้งานจึงต้องเป็นผู้รับผิดชอบในการจัดหาน้ำที่มีคุณภาพเหมาะสมทั้งนี้ ผู้ผลิตหรือผู้จำหน่ายเครื่องควบคุมอุณหภูมิควรร่วมมือกับผู้ใช้งาน เพื่อหาแนวทางที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานร่วมกัน