บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง¸šทที่2.pdf · 2.1 พลังงานชีวมวล ชีวมวล (Biomass)...

บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ

ทฤษฎทเก ยวของนเปนสงส ำคญทใชกำรศกษำและจดท ำโครงงำนกำรศกษำกำรผลตไฟ

ดวยเตำชวมวลในภำคครวเรอนชนนจงมเนอหำทเก ยวของดงตอไปน

2.1 พลงงานชวมวล

ชวมวล (Biomass) คอสำรอนทรยทเปนแหลงกกเกบพลงงำนจำกธรรมชำตและสำมำรถน ำมำใชผลตพลงงำนไดสสำรอนทรยเหลำนไดมำจำกพชและสตวตำงๆสเชนสเศษไมสขยะสวสดเหลอใชทำงกำรเกษตรสกำรใชงำนชวมวลเพอท ำใหไดพลงงำนอำจท ำโดยสน ำมำเผำไหมเพอน ำพลงงำนควำมรอนทไดไปใชในกระบวนกำรผลตไฟฟำทดแทนพลงงำนฟอสซลสเชนน ำมนซงมอยอยำงจ ำกดและอำจหมดลงไดชวมวลเหลำนมแหลงทมำตำงๆกนอำทสพชผลทำงกำรเกษตร (Agricultural Crop) ไมและเศษไมส(Wood and Wood Residues) หรอของเหลอจำกอตสำหกรรมและชมชนสตวอยำงเชน

-แกลบไดจำกกำรสขำวเปลอก -ชำนออยไดจำกกำรผลตน ำตำลทรำย -เศษไมไดจำกกำรแปรรปไมยำงพำรำหรอไมยคำลปตสเปนสวนใหญและบำงสวนไดจำกสวนปำทปลกไว

-กำกปำลมไดจำกกำรสกดน ำมนปำลมดบออกจำกผลปำลมสด -กำกมนส ำปะหลงไดจำกผลตแปงมนส ำปะหลง -ซงขำวโพดไดจำกกำรสขำวโพดเพอน ำเมลดออก -กำบและกะลำมะพรำวมำปลอกเปลอกออกเพอน ำเนอมะพรำวไปผลตกะทและน ำมนมะพรำว

-สำเหลำไดจำกกำรผลตแอลกอฮอลเปนตน

4

2.2 เตาชวมวล[1]

เตำชวมวลเปนเตำทท ำใหเกดกระบวนกำรส“เผำไหมไมสมบรณ”สเปนกำรจ ำกดออกซเจนในกำรเผำไหมนอยกวำกำรเผำไหมสมบรณส30-40% ท ำใหกำซคำรบอนมอนอกไซดส(CO) กำซมเทนส(CH4) ทตดไฟสเปลวไฟทไดจะแรงและมคำควำมรอนสงเชนเดยวกบกำซหงตมสระบบเตำยงเกบกกควำมรอนไดดสอณหภมสงถงส400 องศำเซลเซยสสสำมำรถตดต งพดลมเตมอำกำศสสำมำรถปรบไฟเบำหรอแรงไดเหมอนเตำแกสหงตมทวไปสมำกไปกวำนเตำแกสชวมวลยงปลดปลอยกำซเรอนกระจกนอยเมอเปรยบกบเตำชนดอนๆอกดวย

2.2.1 หลกการของเทคโนโลยเตาแกสชวมวล[2] เตำแกสชวมวลแบบใชฟนและแบบใชแกลบเปนเชอเพลงจะใชหลกกำรของกระบวนกำร

แกสซฟเคชนสหรอจ ำกดอำกำศใหเหมำะสมกบเชอเพลงสโดยกระบวนกำรนจะเปนกระบวนกำรทเปลยนเชอเพลงแขงทมคำรบอนเปนองคประกอบสเชนสไมสถำนไมสถำนหนสแกลบสและขเลอยสและวสดทเหลอใชทำงกำรเกษตรทสำมำรถตดไฟไดสใหกลำยเปนแกสทสำมำรถเผำไหมไดสโดยกำรเผำไหมเ ชอเพลงในทๆมออกซเจนอยอยำงจ ำ กด สซงแก สทไดมสวนประกอบหลกคอสแก สคำรบอนมอนอกไซด (CO) ไฮโดรเจนส(H2) แกสมเทนส(CH4) และพวกสำรระเหยตำงๆสซงแกสเชอเพลงทผลตไดนเรยกวำสโปรดวเซอรแกสส(Producer Gas) ซงประสทธภำพของกำรผลตโปรดวเซอรแกสสขนกบกระบวนกำรผลตและคณภำพของเชอเพลงทใชในกำรผลตเปนหลกสท งนเตำแกสชวมวลโดยทำงวชำกำรแลวแบงออกไดเปน 3สชนดสคอสแบบสUp-draft Gasifier แบบสCross-draft Gasifier และแบบสDown-draft Gasifier โดยมรำยละเอยดของเตำแตละประเภทดงน

2.2.2 Updraft Gasifier อำกำศจะถกปอนเขำทำงดำนลำงไหลขนดำนบนในขณะทเชอเพลงจะเคลอนทลงดำนลำง

ลกษณะสวนทำงกนสหรอเรยกอกชอหนงวำสCounter Current Gasifier ชนของปฏกรยำจะแบงเปนล ำดบสจำกระดบอณหภมสงในสCombustion Zone ไปสระดบอณหภมต ำในสสDrying Zone

5

ภาพท 2.1สแสดงกำรท ำงำนเตำผลตโปรดวเซอรแกสแบบไหลขน(Up-draft Gasifier)

เนองจำกแกสรอนทเกดจำกสCombustion Zone ไหลผำนชนเชอเพลงสควำมรอนสมผสจะ

ถกถำยเทใหกบเชอเพลงกอนไหลลงสสReduction Zone และสPyrolysis Zone ตอไปสฉะนนสUpdraft

Gasifier จงมประสทธภำพทำงควำมรอนสงสแตเมอแกสออกจำกเตำผลตแกสสอณหภมโปรดวเซอร

แกสสจะลดลงสTar และสOil จะกลนตวเปนของเหลวสดงนนโปรดวเซอรแกสจงมสงปนเปอนสงสกำร

ผลตแกสดวยวธนอำจจะปอนไอน ำชวยในกำรท ำปฏกรยำเพอเพมปรมำณสH2ส, COและชวยควบคม

อณหภมสCombustion Zone กรณเชอเพลงมควำมชนสงไมจ ำเปนตองปอนไอน ำสพำรำมเตอรท

ส ำคญประกอบดวยสวธกำรปอนอำกำศสต ำแหนงแกสไหลออกสชนดและขนำดของตะแกรงกำรบ

ฉนวนควำมหนำของช นเชอเพลงและคำสSpecific Gasification Rate (SGR) SGR (Specific

Gasification Rate) หมำยถงสอตรำสวนของปรมำณเชอเพลงทท ำปฏกรยำสผลตแกสในเวลำส1สชวโมงส

(kg/hr) ตอพนทหนำตดของตะแกรงส(m2)สขนอยกบสชนดเชอเพลงสกำรออกแบบและกำรท ำงำนของส

Gasifier คำสSGR ของกำรผลตแกสดวยวธนอยระหวำงส100-300สKg/hr-m2สส

2.2.3 Downdraft Gasifier

อำกำศไหลลงทศทำงเดยวกบกำรไหลเลอนของเชอเพลงจงอำจเรยกวำสCo-current Gasifier

เตำชนดนมจดประสงคใหผลตภณฑจำกสPyrolysis Zone ไหลผำนสCombustion Zone ซงมอณหภม

สงจะท ำใหเกดกำรแตกตวเปนแกสกอนทจะไหลออกจำกเตำผลตแกสโปรดวเซอรแกสจงมสTar ต ำส

6

แตโปรดวเซอรแกสจะมอณหภมสงถงส300-500สองศำเซลเซยสสจดส ำคญของสDowndraft Gasifier

คอลกษณะสCombustion Zone รปแบบตะแกรงและวธกำรสปอนอำกำศ

ส

ภาพท 2.2สแสดงกำรท ำงำนเตำผลตโปรดวเซอรแกสแบบไหลลง(Down-draft Gasifier)

ลกษณะรปรำงของสCombustion Zone จะออกแบบใหเลกลงโดยกำรลดพนทหนำตดและ

ปรบลกษณะกำรปอนอำกำศเพอท ำใหอณหภมชนเผำไหมมคำสงเพยงพอในกำรสลำยสTar แตถำ

เชอเพลงทมเถำสงกวำส6%สและมควำมชนสงกวำส20%สจะไมเหมำะกบสDowndraft Gasifier

เนองจำกเถำอำจหลอมละลำยตดกบคอคอดขดขวำงกำรไหลของเชอเพลงและแกสอตรำกำรผลต

แกสทเหมำะสมมคำสSGR อยระหวำงส2,900-3,900สkg/hr-m2

2.2.4 Crossdraft Gasifier

เปนระบบทอำกำศไหลขวำงกบทศทำงของกำรไหลเลอนของเชอเพลงดงช นปฏกรยำ

โดยเฉพำะสCombustion Zone และสReduction Zone จะอยใกลชดกนมำกสดงนนจะผลตแกสไดอยำง

รวดเรวและแปรผนงำยสปกตบรเวณกำรเผำไหมจะอยก งกลำงของเตำผลตแกสสแตขอบเขตของกำร

เผำไหมอำจขยำยกวำงขนเมอควำมเรวอำกำศสงขนสจดส ำคญของสCrossdraft คอกำรออกแบบ

รปรำงของสTuyeres มควำมส ำคญตอควำมเรวของอำกำศเมอเขำท ำปฏกรยำและขอบเขตของส

Combustion Zone ซงปกตควำมเรวอำกำศจะมคำสงและเกดกำรเผำไหมสงโปรดวเซอรแกสทออก

จำกเตำผลตแกสมอณหภมสงและสงปนเปอนสงปกตสReduction Zone มขนำดเลกจงท ำใหมส

Residence Time สนกำรเปลยนรปสCO2 ไปเปนสCO คอนขำงต ำสดงนนโปรดวเซอรแกสจะมคำ

7

ควำมรอนต ำแตเมอปอนอำกำศทควำมเรวสงมำกจะมผลตอองคประกอบโปรดวเซอรแกสสโดย

อตรำกำรเปลยนสCO2ไปเปนสCO สงเนองจำกปฏกรยำส เขำใกลภำวะสมดล

ภาพท 2.3สแสดงกำรท ำงำนเตำผลตโปรดวเซอรแกสแบบไหลขวำง(Cross-draft)

2.2.5 การแบงประเภทของเตาแกสชวมวล

โดยสวนใหญทใชในภำคครวเรอนแบงออกเปนส3สประเภทดงน

2.2.6 เตาแกสชวมวลแบบใชแกลบเปนเชอเพลง

เตำแกสชวมวลทใชแกลบเปนเชอเพลงสและทศนยวจยพลงงำนไดออกแบบไวนนจำกเตำเปนเตำแกสซไฟเออชนดสInverted Down-draft คอจะมกำรเผำไหมอยดำนบนของเตำท ำโดยท ำใหโปรดวเซอรแก สทไดมควำมสะอำดขนเนองจำกแก สชวมวลทไดผำนช นของกำรเผำไหมส(Combustion) ท ำใหน ำมนดนทอยในแกสชวมวลเกดกำรแตกตวกลำยเปนกำซซงแกสเชอเพลงทไดสำรมำรถน ำไปเปนเชอเพลงในกำรประกอบอำหำรในครวเรอนไดซงลกษณะกำรเผำไหมของแกสทไดจะคลำยกบกำรใชแกสหงตมปรมำณกำรใชเชอเพลงส 1.5kg ใชไดประมำณ30-45นำท

คณสมบตของเตำแกสชวมวลทใชแกลบเปนเชอเพลง -สสใชงำนงำยใหเปลวไฟเหมอนแกส LPG -สสใชแกลบเปนเชอเพลง -สสแกลบ1.5กโลกรมใชไดประมำณ30-45นำท -สสสำรมำรถตมน ำใหเดอดภำยใน5สนำทสทอณหภมของน ำ85-98สองศำเซลเซยสโดยเตำมประสทธภำพเชงควำมรอนเทำกบ32%

8

ภาพท 2.4 เตำแกสชวมวลแบบใชแกลบเปนเชอเพลง

2.2.7 เตาแกสชวมวลแบบใชฟนเปนเชอเพลง เตำแกสแบบชวมวลทใชฟนเปนเชอเพลงในกำรออกแบบจะเปนเตำแกสซไฟเออรแบบ

ไหลขนส(Up-draft-Gasifler)สโดยมลกษณะเปนเตำผนงส2สชนสซงชนทส1สจะเปนสวนหองเผำไหมสชนทส2สเปนชองส ำหรบใชอำกำศผำนและมชองส ำหรบอำกำศไหลออกอยดำนบนของเตำสโดยแกสชวมวลทผลตไดนนจะลอยขนสดำนบนและเกดกำรลกกไหมบรเวณดำนบนของเตำโดยอำศยอำกำศรอนทถกบงคบใหไหลจำกดำนลำงสดำนบนของเตำเขำสชนทส2สโดยกำรแลกเปลยนควำมรอนจำกหองเผำไหมและไหลออกทำงชองทำงออกดำนบนของเตำและเมออำกำศมอณหภมสงขนจะท ำใหเกดกำรตดไฟของแกสชวมวลโดยจะสงเกตไดจำกเปลวไฟทไดนนจะมลกษณะเปนล ำพงออกจำกชองทำงออกของอำกำศซงควำมเปนจรงน นคออำกำศรอนทไหลออกมำท ำปฏกรยำกบแกสเชอเพลงและกำรเกดกำรลกไหมโดยสำมำรถใชเศษไมก งไมเปนเชอเพลงและสำมำรถเตมเชอเพลงไดอยำงตอเนองซอประสทธภำพทำงควำมรอนทไดจำกกำรน ำสBoiling Testสจะมคำอยประมำณส31.9%

คณสมบตของเตำแกสชวมวลทใชฟนเปนเชอเพลง -สสใชวสดเหลอทงไดแกสเศษไมสก งไมขนำดเลกสเปลอกทะลำยปำลมสกะลำมะพรำวเหงำมนส ำปะหลงสซงขำวโพดสและสชำนออยสเปนตน

9

-สสใชเชอเพลงจำกก งไมขนำดส1-1.2สกโลกรมสำรมำรถใชงำนไดประมำณส30-40สนำท

อณหภมเฉลยของเตำอยในชวง800-900องศำเซลเซยส

ภาพท 2.5 เตำแกสชวมวลแบบใชฟนเปนเชอเพลง

2.2.8 เตาแกสชวมวลแบบใชฟนเปนเชอเพลงขนาดกลาง

เตำแกสชวมวลแบบใชฟนเปนเชอเพลงชนดนจะเปนเตำแบบสDown draft Gasifier โดย

ขอดของเตำชนดนสำมำรถเตมเชอเพลงไดอยำงตอเนองและไดออกแบบหวเตำเปนส2สหวส ำหรบใช

งำนในชมชนซงหลกกำรคอกำรเปลยนเชอเพลงชวมวลไปเปนโปรดวเซอรแกสสโดยเตำชนดนจะ

ใชเชอเพลงส2 ชนดในเบองตนสคอสถำนไมส(Charcoal) และเศษไมก งไมส(Wood) โดยสำมำรถเตม

เชอเพลงไดอยำงตอเนอง

คณสมบตของเตำแกสชวมวลทใชเชอเพลงขนำดกลำง

-สใชเชอเพลงสถำนไม 3 กโลกรม/ชวโมง

-สใชเชอเพลงสไม 4 กโลกรม/ชวโมง

-สสำมำรถเตมเชอเพลงไดอยำงตอเนอง

-สใหประสทธภำพเชงควำมรอนเทำกบส80%

10

ภาพท 2.6 เตำแกสชวมวลแบบใชฟนเปนเชอเพลงขนำดกลำง

2.3 การถายเทความรอน

กระบวนกำรถำยเทควำมรอนเปนกระบวนกำรทเก ยวของกบกำรเคลอนยำยถำยเทและ

เปลยนพลงงำนควำมรอนซงอยในขอบเขตของกฎขอทหนงและขอทสองของเทอรโมไดนำมกสทวำพลงงำนตำงๆไมถกสรำงขนหรอถกท ำลำยไดแตสำมำรถเปลยนจำกรปหนงของพลงงำนไปเปนอกรปหนงไดและไมมกระบวนกำรใดๆทจะเคลอนยำยถำยเทพลงงำนจำกอณหภมต ำกวำไปยงอณหภมทสงกวำวทยำศำสตรทำงกำรถำยเทควำมรอนกลำวถงหลกกำรทวำควำมรอนจะเคลอนทจำกแหลงทมอณหภมสงไปสแหลงทมอณหภมต ำกวำซงเปนหลกกำรเดยวกนอตรำกำรถำยเทควำมรอนมควำมส ำคญมำกตอกำรออกแบบเครองมอน นๆกำรถำยเทควำมรอนโดยวธตำงๆทกลำวแลวแตละวธของกำรกระบวนกำรถำยเทควำมรอนอำจแบงแยกออกเปนประเภทไดตำมสสภำวะกำรถำยเทสณฐำนภำยนอกและจ ำนวนมตทเกดกำรถำยเท

1.สกำรถำยเทควำมรอนในสภำวะสม ำ เสมอส(Steady State) เปนกำรถำยเทควำมรอนทส

เกดขนเมออตรำกำรเคลอนไหลของควำมรอนในระบบหรอในกระบวนกำรไมเปลยนแปลงไปกบส

11

เวลำทเปลยนไปสเชนเมอเวลำคงทหรอเมอพจำรณำหำคำกำรถำยเทควำมรอนทเวลำใดเวลำหนงส

อณหภมทจดตำงๆจะคงทไมมกำรเปลยนแปลง

2.สกำรถำยเทควำมรอนในสภำวะไมสม ำเสมอส(Unsteady or Transient State) กำรถำยเทส

ควำมรอนในสภำวะนเกดขนอณหภมทจดตำงๆในระบบเปลยนไปตำมเวลำทเปลยนอณหภมทส

เปลยนไปนแสดงใหเหนถงกำรเกดกำรเปลยนแปลงของพลงงำนภำยในระบบส

3.สกำรถำยเทควำมรอนตำมลกษณะสณฐำนภำยนอกส(Configuration) กำรถำยเทควำมรอนส

ในลกษณะนอำจเปนไปตำมรปลกษณะทรงเรขำคณตศำสตรสเชนสกำรถำยเทควำมรอนของวตถรปส

ผนงแผนเรยบสรปทรงกระบอกสรปทอและรปแผนขนำนสหรอเปนไปตำมลกษณะกำรวำงของวตถส

เชนสกำรถำยเทควำมรอนในแนวดงหรอแนวต งสในแนวรำบหรอแนวนอนสและในแนวเอยงลำดส

เปนตนสหรอเปนไปตำมลกษณะกำรไหลของของเหลวหรอกำซผำนไปตำมวตถแขงสเชนสกำรส

ถำยเทควำมรอนในลกษณะกำรไหลผำนภำยในและกำรไหลผำนภำยนอกส เปนตน

4.สกำรถำยเทควำมรอนตำมจ ำนวนมตกำรถำยเทส(Number of Diamension) กำรถำยเทควำมส

รอนอำจมทศทำงไปทำงเดยวเรยกวำกำรถำยเทควำมรอนหนงมตสเชนสกำรถำยเทควำมรอนของทอ

ทสฝงอยใตพนดนสหรอมทศทำงไปสำมทำงเปนกำรถำยเทควำมรอนสำมมตสเชนสกำรถำยเทควำม

รอนจำกทอทยนออกมำจำกตกส เปนตน

2.3.1 วธการถายเทความรอน

ควำมรอนหรอพลงงำนควำมรอนจะเคลอนย ำยถำยเทไดส 3สว ธดวยกนคอกำรน ำ (Conduction) กำรพำ (Convection) และกำรแผรงส (Radiation) แมจะมกำรแบงแยกวธกำรเคลอนยำยถำยเทควำมรอนและกำรวเครำะหกำรเคลอนยำยถำยเท ควำมรอนออกเปน 3 วธ ดงกลำวแตกำรถำยเทควำมรอนสวนมำกในสภำพทวไปควำมรอนจะไมเคลอนยำยโดยวธใดวธหนงเพยงวธเดยวแตจะถำยเทโดยหลำยวธทกลำวมำพรอมกนในกำรแกปญหำจะพจำรณำถงวธกำรทควำมรอนเคลอนยำยถำยเทไปมำกทสดเปนวธกำรทควำมรอนใชในกำรถำยเทควำมรอนโดยไมค ำนงถงวธกำรอนๆทควำมรอนใชในกำรถำยเทแตปรมำณควำมรอนทถำยเทโดยวธนนๆนอยท งนขนอยกบลกษณะของปญหำนน

12

1. กำรถำยเทควำมรอนโดยกำรน ำเปนกระบวนกำรทควำมรอนเคลอนทจำกบรเวณทมอณหภมสงกวำไปยงบรเวณทมอณหภมต ำกวำภำยในตวกลำง (ของแขงของเหลวหรอกำซ) หรอวตถ

ภาพท 2.7 กำรถำยเทควำมรอนโดยจำกอณหภมสงไปยงอณหภมต ำ

2. กำรถำยเทควำมรอนโดยกำรพำเปนกระบวนกำรถำยควำมรอนระหวำงผวของวตถแขง กบของเหลวหรอกำซกระบวนกำรถำยเทควำมรอนไมมเฉพำะควำมแตกตำงของอณหภมระหวำงวตถเพยงอยำงเดยว แตมองคประกอบอนๆอกทเก ยวของและมผลตอกระบวนกำรถำยเทควำมรอน โดยวธกำรพำน เชนลกษณะกำรเคลอนทของเหลวหรอกำซ เปนตน อยำงไรกตำมกำรถำยเทควำม รอนโดยวธนกใหผลเหมอนกบกำรถำยเทควำมรอนโดยวธอนๆคอมกำรเคลอนยำยพลงงำนเกดขน และเคลอนยำยไปตำมอณหภมทลดต ำลง (Temperature Gradient) กำรถำยเทควำมรอนโดยวธกำรพำนเปนกระบวนกำรทส ำคญมำก เพรำะควำมรอนจะถกน ำพำไปดวยพลงงำนจะถกสะสมและ เคลอนยำยดวยวธตำงๆปนกนไป (Mixing Motion) กำรพำควำมรอนจงอำจแบงแยกออกเปนประเภท ยอยตำมลกษณะตำงๆ

3. กำรถำยเทควำมรอนโดยกำรแผเปนกระบวนกำรทควำมรอนเคลอนจำกวตถทมอณหภม สงกวำไปยงว ตถทมอณหภมต ำกวำโดยทวตถนนอยหำงจำกกนและแมวำระยะหำงนนจะเปน บรเวณสญญำกำศกตำมกำรแผควำมรอนโดยทวไปหมำยถงกระบวนกำรถำยทอดหรอสงพลงงำน ออกไปโดยคลนแมเหลกไฟฟำกำรกระจำยของคลนแมเหลกทเกดจำกผลตำงของอณหภมและท ำใหพลงงำนเคลอนยำยเรยกวำกำรแผควำมรอน (Thermal Radiation) ซงตำงกบกำรแผกระจำยของแสง (Light Radiation) ทชวงควำมยำวคลน (Wave Length) ตำงกน

13

2.4 เทอรโมอเลกทรก[3]

เทอรโมอเลกทรกเปนอปกรณทมควำมสมพนธระหวำงไฟฟำและอณหภมหลกกำรคอกำร

ผนควำมรอนไปเปนพลงงำนไฟฟำหรออำจผนไฟฟำเปนควำมรอนและควำมเยนซงกำรน ำเอำปลำย

ของสำรก งตวน ำตำงกนสองชนดมำเชอมตอกนเมอจดเชอมท งสองขำงถกกระตนดวยควำมรอน

และควำมเยนจะเกดกระแสไฟฟำขนในระบบพบวำหำกอณหภมของจดเชอมท งสองมคำแตกตำง

กนมำกเทำไรสอตรำผลตไฟฟำกจะเพมขนตำมไปดวย

ภาพท 2.8 แสดงปรำกฏกำรณซเบค

ในปสค.ศ. ค. 1821 นกวทยำศำสตรชำวเยอรมนสThomas Seebeck พบวำเมอน ำขดลวด

โลหะส2 เสนสทท ำดวยโลหะตำงชนดกนมำเชอมตอปลำยท งสองดำนเขำดวยกนสถำปลำยจดตอท ง

สองมอณหภมตำงกนสจะเกดกระแสไฟฟำไหลในวงจรเสนลวดท งส2 นตำมภำพทส2.8 ปรมำณกำร

ไหลของกระแสไฟฟำนเปลยนไดตำมผลตำงของอณหภมทปลำยจดตอท งสอง และถำเปดปลำยจด

ตอ ดำนหนงออกจะท ำใหเกดแรงเคลอนไฟฟำทปลำยดำนเปดแรงเคลอนไฟฟำนเรยกวำ “ซเบค

โวลตเตจ” (Seebeck Voltage)

∆V = αab(TH−TC) (2.1)

∆V = คำแรงดน

αab = คำสมประสทธของรอยตอระหวำงสองวสด

14

TH = คำอณหภมดำนรอน

TC = คำอณหภมดำนเยน

ส ำหรบควำมแตกตำงกนของอณหภมนอยๆควำมสมพนธขำงตนจะเปนแบบเชงเสนและ

นยำมสมประสทธซเบคคอสαabสส ำหรบรอยตอน นดงน นสมประสทธของซเบคของรอยตอ

ระหวำงสองวสด a และ b เทำกบควำมแตกตำงระหวำงสมประสทธสมบรณของสองวสดนน นน

คอ

αab = αa − αb สสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสส(2.2)

ภาพท 2.9 แสดงปรำกฏกำรณเพลเทยร

ตอมำในป ค.ศ. 1834 Jean C.A. Peltier พบวำเมอผำนกระแสไฟฟำเขำไปในวงจรลกษณะ

เดยวกนทซเบคสรำงขนโดยใชลวดดำนหนงท ำจำกบสมสและอกดำนหนงท ำจำกแอนตโมนจะท ำ

ให เกดอณหภมทปลำยจดตอทแตกตำงกน โดยปลำยขำงหนงจะรอนขนและปลำยอกขำงหนงจะ

เยนลง วงจรกำรทดลองของเพลเทยรเปนดงภำพทส2.8 ปรำกฏกำรณนถกน ำมำใชประโยชนในกำร

ท ำระบบ หลอเยนจำกกำรผนควำมรอนจำกไฟฟำ (Thermoelectric Refrigeration) ในทนอตรำของ

กำรดดซบควำมรอนแบบกลบได (Rate of Reversible Heat Absorption, Q) ซงสงมำพรอมกบกำร

ผำนของกระแส I ผำนรอยตอ คอ

15

𝒬 = πabI (2.3)

โดยท 𝒬 คอสอตรำของกำรดดซบควำมรอน

สสสสสสสสสสส𝜋𝑎𝑏 คอสสมประสทธของเพลเทยรของรอยตอ

I คอสคำกระแส

ภาพท 2.10 แสดงปรำกฏกำรณทอมสน

ปรำกฏกำรณผนไฟฟำจำกควำมรอนอนสดทำยคอปรำกฏกำรณทอมสนซง เปน

ปรำกฏกำรณทเก ยวของกบอตรำของกำรแพรควำมรอนแบบกลบไดส𝒬 ซงเกดขนมำเนองจำกกำร

ผำนของกระแสไปตำมตวน ำเดยวอนหนงเมอมเกรเดยนตอณหภมส∆T ถำใหเกรเดยนตอณหภมมคำ

นอยๆจะไดวำ

𝒬 = βI(∆T) (2.4)

โดยสβ คอสสมประสทธของทอมสน

I คอสคำกรแส

∆Tคอสคำผลตำงของอณหภม

สมประสทธของกำรผนไฟฟำจำกควำมรอนมควำมสมพนธกนตำมควำมสมพนธของสเคลวน

(Kelvin Relationships)

16

𝒬ab =πab

Tสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสสส(2.5)

dαab

dT=

βa−βb

T (2.6)

สมกำรทส2.5 เปนจรงส ำหรบวสดผนไฟฟำจำกควำมรอนจ ำนวนมำกสและใชไดกบทกวสดซงถก

น ำมำใชในกำรประยกตทำงกำรผนไฟฟำจำกควำมรอนใหสงเกตวำท งสมประสทธของซเบคและ

สมประสทธของเพลเทยรถกนยำมขนในรปของสมบตตำงๆของรอยตอในขณะทสมประสทธของ

ทอมสนเปนสมบตของตวน ำเดยว

สมกำรทส2.6 ท ำใหเรำสำมำรถหำสมประสทธของซเบคของวสดเดยวไดคอ

α = ∫β

T

T

0dT (2.7)

ก.แสดงโครงสรำงภำพในเทอรโมอเลกทรกโดยมสำรก งตวน ำชนดพและชนดเอนเรยงกนอย

ข.แสดงทศทำงกำรไหลของกระไฟฟำและสำรก งตวน ำ

ภาพท 2.11 เทอรโมอเลกทรกโมดล

17

2.4.1 หลกการท างานของเทอรโมอเลกทรกโมดล

จำกภำพท 2.11 กำรเปลยนพลงงำนควำมรอนใหเปนพลงงำนไฟฟำจะเกดขนเมอปอน

ควำมรอนเขำทำงดำนรอนของเทอรโมอเลกทรกและควบคมใหอณหภมดำนเยนของเทอรโมอเลกส

ทรกมคำต ำกวำสโดยอำจจะใชฮทซงค (Heat Sink) เปนตวระบำยควำมรอน (อณหภมทำงดำนรอน

ของเทอรโมอเลกทรกตอง สงกวำอณหภมทำงดำนเยน) ซงจะเกดควำมแตกตำงของอณหภม เมอน ำ

ภำระทำงไฟฟำมำตอกบเทอรโมอเลกทรกจะเกดกระแสไฟฟำไหลจำกสำรก งตวน ำชนด P-type ไป

ยงสำรก งตวน ำชนด N-type ลกษณะกำรเชอมตอของสำรก งตวน ำชนด N-type และ P-type จะม

ลกษณะกำรตอเปนคๆแบบอนกรมและแบบขนำน โดยหำกตองกำรใชงำนทำงดำนไฟฟำกน ำมำตอ

เปนแบบอนกรมหรอขนำนเพอใหไดขนำดของพลงงำนไฟฟำทเหมำะสมตำมควำมตองกำร

เทอรโมอเลกทรกโมดลนอกจำกผลตไฟฟำแลวยงสำมำรถท ำใหเกดอณหภมรอนและเยน

ได โดยกำรปอนไฟฟำเขำไปยงเทอรโมอเลกทรกโมดล จะท ำใหเกดควำมรอนดำนหนงและควำม

เยนอก ดำนหนง อณหภมควำมเยนจะเยนหรอรอนอยไดในระยะเวลำนำนจะตองมอปกรณระบำย

ควำมรอน หรอ ระบำยควำมเยน ใหแกดำนรอนหรอดำนเยน เมอมกำรจำยไฟฟำและมอปกรณ

ระบำยควำมรอนหรอระบำยควำมเยนทเหมำะสมแลวกจะไดควำมรอนหรอควำมเยนตำมตองกำร

2.4.2 ประเภทของเทอรโมอเลกทรก

เทอรโมอเลกทรกโมดลสำมำรถแบงตำมลกษณะไดส 2 แบบคอ

1.เทอรโมอเลกทรกแบบชนเดยว (Single Stage Module) เปนเทอรโมอเลกทรกทม

ผลตำงของอณหภมดำนรอนกบดำนเยนในกำรใชงำนไมสงมำกซงมคำประมำณ 67 องศำเซลเซยส

ซงเปนผลตำงของอณหภมขณะทไมมภำระควำมรอนลกษณะของเทอรโมอเลกทรกมหลำยรปแบบ

ทงขนำดและรปรำงอกทงมสมบตหลำยอยำงใหเลอกตำมลกษณะกำรใชงำนเชน คำกระแสไฟฟำ

คำแรงดนและควำมสำมำรถในกำรถำยเทควำมรอน โดยสำมำรถสรปลกษณะและสมบตไดดงน

- ขนำดพนทผวหนำเซรำมค 1.8 x 3.4 ตำรำงมลลเมตร ถง 62 x 62 ตำรำง มลลเมตร - ขนำดควำมสงตงแต 2.54 มลลเมตร ถง 5.8 มลลเมตร - คำกรถำยเทควำมรอนสงสดตงแต 0.2 ถง 125 วตต - คำกระแสสงสดตงแต 0.8 ถง 60 แอมแปร - ค ำแรงดนสงสดตงแต 0.4 ถง 15.4 โวลต

18

ภาพท 2.12 เทอรโมอเลกทรกแบบชนเดยวส(Single stage Module)

2.เทอรโมอเลกทรกแบบหลำยชน (Multistage Module) เปนเทอรโมอเลกทรกทม

กำรตอตงแต 2 ชนขนไป ลกษณะและสมบตของเทอรโมอเลกทรกแบบหลำยชนทส ำคญคอ

- พนทผวดำนเยนมขนำดตงแต 3.2 x 3.2 ตำรำงมลลเมตรถง 62 x 62 ตำรำงมลลเมตร

และมพนทผวดำนรอนขนำดต งแต 3.8 x 3.8 ตำรำงมลลเมตร ถง 62 x 62 ตำรำง

มลลเมตร

- ขนำดควำมสงตงแต 3.8 มลลเมตร ถง 21.4 มลลเมตร - คำกำรถำยเทควำมรอนสงสดตงแต 0.39 ถง 59 วตต - คำกระแสสงสดตงแต 0.7 ถง 9.5 แอมแปร - คำแรงดนสงสดตงแต 0.8 ถง 14 โวลตซงจ ำนวนชนของเทอรโมอเลกทรกแบบหลำยชนมกำรเชอมตอตงแต 2 ชน ถง 6 ชน

ภาพท 2.13 เทอรโมอเลกทรกแบบหลำยชน (Multistage Module)

19

2.4.3 ทฤษฎของเครองก ำเนดก ำลงไฟฟำจำกควำมรอน

เมอโหลดความตานทาน RL ถกตอไวระหวางปลายดานเยนทแขนของเทอรโมคปเปล a

พลงงานความรอนทให เขาไปทรอยตอรอนจะขบกระแสผานวงจรและสงก าลงไปยง RL

ประสทธภาพของเครองก าเนดก าลงไฟฟาถกก าหนดโดยความสมพนธ

η = ก าลงทใชกบโหลด RL

ความรอนดดซบทรอยตอ (2.8)

ถ ำสมมตใหสภำพน ำไฟฟำสภำพน ำควำมรอนและสมประสทธของซเบคของตวน ำ a และ

b มคำคงทและไมคดควำมตำนทำนสมผสทรอยตอรอนและเยนแลวประสทธภำพสำมำรถเขยนได

ดงน

η =I2RL

αITH+λp(TH−TC)−1

2I2R

(2.9)

โดยท λp คอ การน าความรอนของ a และ b แบบขนาน และ R คอความตานทานรวมของ a และ b ในวสดผนไฟฟาจากความรอน σ, λ และ α จะเปลยนแปลงตามอณหภม อยางไรกตามสมการท 2.8 ยงสามารถใชไดถาคาเฉลยทเหมาะสมของตวแปรตางๆทพจารณาในชวงอณหภมทสนใจถกน ามาพจารณาดวย สมการความสมพนธระหวางกระแสและความรอนทเราใหแกดานรอน

𝒬 = ITH + K∆T −1

2RI2 (2.10)

เมอ 𝒬 = ปรมำณควำมรอนทใหแกดำนรอน (จล) α = สมประสทธของซเบค (โวลตตอเคลวน) สสสสสสสสสสส∆T = ผลตำงระหวำงอณหภมดำนรอนและอณหภมดำนเยน (เคลวน)

สสสสสสสสสสสสสสสR = ควำมตำนทำนภำยในของเทอรโมอเลกทรก (โอหม)

I =สกระแสไฟฟำ (แอมแปร)

Th = อณหภมดำนควำมรอนของเทอรโมอเลกทรก (เคลวน)

Kส= คำกำรน ำควำมรอนของเทอรโมอเลกทรก (วตตตอเซนตเมตรเคลวน)

เรำไดก ำลงไฟฟำจำยออกมำคอ

20

Pout = I2RLสสส (2.11)

เมอสRLส= คำควำมตำนทำนของโหลดทำงไฟฟำ

คำแรงดนไฟฟำใชงำนจะออกมำในรปสSee Beck Effect คอ

v = α∆T = (R + RL)I

∴ I =α∆T

R + RL

∴ Pout = RL(α∆T)2

(R+RL) (2.12)

2.4 การระบายความรอน

กำรระบำยควำมรอนเปนสงส ำคญและจ ำเปนถำกำรระบำยควำมรอนไมเหมำะสมจะสงผล

ใหวตถไดรบควำมเสยหำยอนเนองจำกควำมรอนเกนขดจ ำกดทวตถจะทนได ท ำใหกำรท ำงำนของ

เครองจกรหรออปกรณตำงๆ ไมสำมำรถท ำงำนตำมปกต ปจจบนอปกรณตำงๆ มกำรพฒนำอยำง

มำก โดยเฉพำะอปกรณอเลกทรอนกสทมกำรปลดปลอยพลงงำนควำมรอนตอหนวยพนทสงขนท ำ

ใหกลไกกำรถำยเทควำมรอนปกตไมสำมำรถระบำยควำมรอนไดทนกบกำรปลดปลอยพลงงำน

ควำมรอนของอปกรณเหลำนนท ำใหมกำรพฒนำเทคนคตำงๆเพอเพมกำรถำยเทควำมรอนโดย

จ ำแนกเปน

2.4.1 การเพมพนทผว กำรเพมพนทผวในกำรและเปลยนควำมรอนโดยตดตงครบระบำยควำมรอนดงแสดงในรป

ท 2.14 เมอตดต งอปกรณดงกลำวบทแหลงควำมรอนพลงงำนควำมรอนจะสงผำนมำยงอปกรณสงผลใหมพนผวทใชแลกเปลยนควำมรอนกบของไหลเพมขนโดยทวไป ครบระบำยควำมรอนแบงตำม รปรำงของครบไดดงตอไปน

1.Plate-fin Heat Sink ครบระบำยควำมรอนมลกษณะเปนแผนเพรำะสำมำรถผลตไดงำย วธกำรผลตมหลำยแบบไดแกกำรฉดขนรปครบระบำยควำมรอนจะเปนเนอเดยวกนหรอแยก

21

ผลตสวนครบและสวนฐำนแลวน ำมำประกอบภำยหลงโดยกำรเชอมกำรอดยดดวยสกรและวธใชกำรขยำยตว-หดตวของโลหะ

2.Pin-fin Heat Sink ครบระบำยควำมรอนมลกษณะเปนแทงเนองจำกมครบจ ำนวนมำกสงผลท ำใหมพนทแลกเปลยนควำมรอนมำกแตตนทนกำรผลตสงกวำ Plate-fin Heat Sink

ภาพท 2.14 แผงระบำยควำมรอน

2.4.2 ฮทไปป

ฮทไปป (Heat Pipe) คอ อปกรณถำยเทควำมรอนชนดพเศษสซงสำมำรถถำยเทควำมรอนได

อยำงรวดเรวและมประสทธภำพแมในสภำพอณหภมเปลยนแปลงเพยงเลกนอยตวฮตไปปเปนทอ

โลหะมกท ำเปนทองแดงซงท ำใหภำยในสญญำกำศแลวบรรจของเหลวคณสมบตพเศษซงในแวดวง

ปรบอำกำศตอนสำรปรบอำกำศหรอสRefrigerant ฟรออน22กอนจะปดผนกหวทำยเนองจำกฮทไปป

ถำยเทควำมรอนโดยหลกกำรระเหยและกำรกลนตวของของเหลวจงไมมควำมจ ำเปนตองใช

เครองกลไกหรอพลงงำนจำกผำยนอกใดในกำรท ำงำนหลกกำรท ำงำนของฮทไปปนนงำยมำกโดยท

โครงสรำงพนฐำนของฮทไปปเปนทอทองแดงปดหวปดทำยภำยในบรรจดวยสำรท ำควำมเยนเชนส

ฟรออนสแอมโมเนยสออดซเจนสมเทนสและน ำสสำรทบรรจภำยในทอเมอไดรบควำมรอนจะระเหย

เปนไอและเคลอนไปสปลำยอกดำนหนงในระหวำงกำรเคลอนตวนจะคำยควำมรอนและกลำยเปน

ของเหลวทบรเวณภำยในของทอและไหลกลบไปสปลำยทอทรบควำมรอนทอยต ำกวำ

22

2.5 วงจรเพมแรงดน

วงจรเพมแรงดนหรอชอปเปอรเปนวธกำรท ำแรงดนไฟตรงจำกคำหนงเปนอกคำหนงนยม

ใชในกำรปรบปรงเปลยนแปลงแรงดนไฟตรงใหไดตำมตองกำรซงจะกลำวแนะน ำหลกกำรวธกำร

และรปแบบตำงๆสเปนพนฐำนสจะกลำวรำยละเอยดในแตละลกษณะดงน

2.5.1 เรกกเลเตอรไฟตรง

กำรจำยก ำลงไฟฟำจำกแหลงจ ำยไฟตรงไปย งโหลดสำมำรถทจะก ำ หนดคำให ม

ประสทธภำพสงๆไดโดยตอสวตซอนดบกบวงจรเพอท ำหนำทเปดและปดวงจรอยำงตอเนองสดวย

วธกำรตดตอกระแสทไหลระหวำงแหลงจำยและโหลดสดงนนเรกกเลเตอรไฟตรงจงมกถกเรยกวำช

อปเปอรสำมำรถควบคมกำรท ำงำนใหบรรลผลไดโดยท ำงำนสมพนธกบเวลำหรอสมพนธกบ

คำดวตไซเกลสซงคำนสำมำรถเปลยนแปลงคำไดโดยเวลำท ำงำนและเวลำหยดท ำงำนของวงจรสถอ

วำเปนหลกกำรควบคมกำรท ำงำนของวงจรเรกกเลเตอรเบองตน

ภาพท 2.15 วงจรเรกกเลเตอรไฟตรง

จำกภำพท2.15สเปนบลอกไดอะแกรมของวงจรเรกกเลเตอรวงจรประกอบดวยซเนอรไดโอดจะ

ก ำหนดแรงดนอำงองปอนเขำมำสงผำนไปยงวงจรขยำยเพอก ำหนดกำรจำยท งแรงดนและกระแสท

ถกตองออกเอำทพทสทำงเอำทพทจะมวงจรปอนกลบทำงลบสเพอก ำหนดระดบแรงดนไฟตรงท

ถกตองออกเอำทพท

23

2.5.2 ชอปเปอรทใชทรานซสเตอรเปนสวตซ

ภาพท 2.16สวงจรชอปเปอรทใชทรำนซสเตอรเปนสวตช

ภำพทส2.16สชอปเปอรทใชทรำนซสเตอรเปนสวตซควบคมกำรจำยแรงดนออกเอำทพทส

วงจรประกอบดวยสสC1สเปนตวเกบประจท ำหนำทฟลเตอรทำงอนพทสทรำนซสเตอรสQ1สเปนสวตซ

ทรำนซสเตอรควบคมระดบแรงดนและกระแสออกเอำทพทสทรำนซสเตอรสQ2สเปนตวขบก ำลงไป

ควบคมสQ1สซเนอรไดโอดสDz ก ำหนดแรงดนเอำทพทสวงจรเปรยบเทยบและอำงองเปนตวควบคม

ระดบแรงดนใหคงทไปทสำใหสQ1สจำยแรงดนออกมำถกตองสไดโอดสสD1สกสำจดสญญำณยอดแหลม

ทอำจเกดขนสL1,C2สเปนฟลเตอรของวงจรชอปเปอรสเพอลดแรงดนรพเปลทจะออกเอำทพทสควำมถ

ทสวตซทรำนซสเตอรท ำงำนขนอยกบประสทธภำพของกำรออกแบบและขนำดสควำมถเพมขน

ขนำดของฟลเตอรจะลดลงสแตเกดกำรสญเสยในกำรท ำหนำทเปนสวตซทรำนซสเตอรและไดโอด

มำกขนสประสทธภำพจะลดลงสและตองกำรแผนระบำยควำมรอนมำกขนสทรำนซสเตอรทน ำมำใช

เปนชอปเปอรสท ำงำนทควำมถในยำนส1สถงส4สkHz ในบำงครงอำจน ำไปประยกตใชงำนกบ

ก ำลงไฟฟำต ำมขนำดเลกสดสและค ำนงถงน ำหนกเปนส ำคญสสำมำรถใชกบควำมถไดถงส20สkHz

2.5.3 ชอปเปอรทใชไทรสเตอร

หลกกำรท ำงำนของชอปเปอรชนดไทรสเตอรจะมพนฐำนเหมอนกบแบบชอปเปอรชนด

ทรำนซสเตอรสเวนแตกำรใชของไทรรสเตอรสจะน ำไปใชกบงำนทตองกำรเปลยนแปลงแรงสกำรใช

วงจรเปลยนแปลงท ำไดหลำยชนดสวงจรชอปเปอรทใชไทรรสเตอรแสดงดงภำพทส 2.17

24

ภาพท 2.17 ชอปเปอรแบบใชไทรรสเตอรในกำรเปลยนแปลงแรงดน

คำกระแสสงสดทสำมำรถควบคมวงจรชอปเปอรชนดไทรรสเตอรขนอยกบกำรออกแบบ

วงจรในกำรประยกตใชงำนจะตองท ำใหมกระแสไหลผำนวงจรมำกพอทจะท ำใหหยดท ำงำนตว

ไทรรสเตอรจะตองทนแรงดนและกระแสไดเมอมแหลงจำยแรงดนจำยผำนไปยงโหลดเตมทคำทน

กระแสของตวไทรรสเตอรจะตองมำกกวำทวงจรตองกำรสควำมถในกำรท ำงำนของวงจรชอปเปอร

แบบไทรรสเตอรจะต ำกวำแบบทรำนซสเตอรสซงจะมคำไมเกนส2สKHz วงจรชอปเปอรแบบไทรร

สเตอรจะพบไดในวงจรควบคมควำมเรวมอเตอรไฟตรงมควำมสม ำ เสมอสมประสทธภำพในกำร

หยดและท ำงำนสใชไดกบมอเตอรทพนลวดแบบอนดบหรอแบบขนำนควบคมในกำรหยดท ำงำนได

งำย

2.5.4 ชอปเปอรในการเพมแรงดน

วงจรชอปเปอรสำมำรถใชในกำรก ำ เนดแรงดนไฟตรงออกเอำทพทสงกวำแหลงจำย

แรงดนทปอนเขำมำไดสวงจรชอปเปอรในกำรเพมแรงดนแสดงดงภำพทส 2.18

ภาพท 2.18สวงจรชอปเปอรแบบเพมแรงดน

25

จำกรปทส2.18สเปนวงจรชอปเปอรแบบเพมแรงดนสกำรท ำงำนเมอจำยแรงดนจำกแหลงจำย

เขำมำสทรำนซสเตอรสQ1จะน ำกระแสสเมอมกระแสไหลผำนสL1สท ำใหสL1สเกดสนำมแมเหลกพอง

ตวออกเมอทรำนซสเตอรสQ1สหยดน ำกระแสสสนำมแมเหลกในสL1สยบตวลงตดผำนตวมนเองเกด

เปนแรงเคลอนชกน ำขนมำสมศกยตกครอมสL1สขวำบวกซำยลบสเสรมกบแรงดนจำกแหลงจำยสจำย

ผำนสD1สไปประจทสC1สมศกยตกครอมมำกกวำแหลงจำยแรงดนทปอนเขำมำวงจรจะเสมอนเปน

หมอแปลงชนดเพมแรงดนสวงจรนจะเหมำะสมส ำหรบกำรเพมก ำลงไฟฟำจำกแหลงจำยไฟตรงสเพอ

ใชเพมประสทธภำพกำรหยดหมนของมอเตอรไฟตรง