การศึกษา ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพ...

96วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

บทคัดย่อ

การศึกษาประสิทธิภาพของระบบผลิต

น้ำร้อนก่อนนำไปใช้งานเป็นเรื่องที่สำคัญ เพื่อทราบถึงประสิทธิภาพของระบบที่ ได้สร้างขึ้นต้อง

ทำการทดสอบระบบและผลที่ ได้จากการทดสอบ

ยังสามารถนำไปพัฒนาให้ระบบดียิ่งขึ้น โดยปัจจัย

หนึ่งที่ส่งผลกับประสิทธิภาพของระบบคืออัตรา

การไหลของน้ำในระบบและความเข้มแสงที่ระบบได้รับ ดังนั้น จุดมุ่งหมายของการศึกษาในครั้งนี้เพื่อพิจารณาผลของอัตราการไหลของน้ำกับความเข้มของแสงต่อประสิทธิภาพของระบบ และ

สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับแสงในรูปแบบอื่นได้

โดยทำการออกแบบและพัฒนาระบบผลิตน้ำร้อน

ซึ่งเป็นระบบเปิดประกอบด้วยแผงรับแสงแบบแผ่นโค้งรูปพาราโบลิกมีพื้นที่รับแสง 2.24m2

รุ่งทวี ผดากาล 1

สุรชัย รดาดาร 2

การศึกษา ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพ

ของระบบผลิตน้ำร้อน

1 นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 2 รองศาสตราจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน

และใช้กระจกเงาในการสะท้อนแสง ท่อรับแสง

เป็นท่อสุญญากาศมีพื้นที่ 0.27m2 ทำการ

ทดลองในห้องทดลอง เพื่อควบคุมความเข้ม

ของแสง อัตราการไหลของน้ำในระบบ และ

อุณหภู มิ ห้ อ งทดลอง การทดลองนี้ ท ำการ

จำลองแสง โดยใช้แสงจากหลอดไฟ เพราะ

ต้องการควบคุมความเข้มแสงให้คงที่ และปรับ

ความเข้มแสงได้ การทดลองแบ่งออกเป็น 3การทดลองดังนี้ การทดลองที่ 1 ทำการปรับอัตราการไหลของน้ำที่ความเข้มแสงคงที่ จาก

ผลการศึกษาพบว่าประสิทธิภาพของระบบอยู่

ในช่วง 72% อุณหภูมิของน้ำที่ออกจากแผง

รับแสงสูงสุดที่ 53 ํc ที่อัตราการไหลของน้ำในระบบ 0.0083 kg/s และที่ความเข้มแสงคงที่

A Study of the Factors that Affect the Efficiency of Hot Water Systems

97ฉบับที่ 70 ปีที่ 22 พฤศจิกายน 2552 - มกราคม 2553

607.50W/m2 การทดลองที่ 2ทำการปรับความ

เข้มแสงที่ อัตราการไหลของน้ำคงที่ พบว่า

ประสิทธิภาพของระบบอยู่ที่ประมาณ 70%

อุณหภูมิของน้ำออกจากแผงรับแสงสูงสุดที่ 78 ํc อัตราการไหลของน้ำคงที่0.0083kg/sและความ

เข้มแสง 1 ,290.75W/m2 การทดลองที่ 3

ทดสอบระบบโดยใช้มาตรฐานASHRAE93-97

โดยทำการปรับอุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผง

รับแสงที่ค่าต่าง ๆ ที่อัตราการไหลของน้ำคงที่

0.02 kg/s ทำการทดลองที่ความเข้มแสงคงที่

881.26W/m2 ผลการศึกษาพบว่า อุณหภูมิของ

น้ำก่อนเข้าแผงรับแสง 37 ํc อุณหภูมิของน้ำที่ออกจากแผงรับแสงสูงสุดที่ประมาณ50 ํc และประสิทธิภาพของระบบประมาณ 53% จากผลการศึกษาที่ ได้ทำให้ทราบว่าอัตราการไหลของ

น้ำและความเข้มของแสงมีผลต่ออุณหภูมิของน้ำ

ที่ ได้ และประสิทธิภาพของระบบผลิตน้ำร้อน

โดยอัตราการไหลของน้ำและความเข้มแสงเพิ่มขึ้นท ำ ใ ห้ อุ ณหภู มิ ข อ งน้ ำ ที่ ไ ด้ จ า ก ร ะบบแล ะ

ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นตามไปด้วย คำสำคัญ : ระบบผลิตน้ำร้อน, ความ

เข้มแสง,อัตราการไหลของน้ำ,ประสิทธิภาพของ

ระบบผลิตน้ำร้อน Abstract

Studyingtheefficiencyofhotwater

systems before putting them to use is

impor tant . In order to calculate the

efficiencyofthesystem,wemusttestthesystem,andtheresultsof thesetestscan

be used to further develop the system.

Two factors affect the efficiency of the

system.Theyare:waterflowrateandlight

intensity.

Thepurpose of this research is to

consider thewater flow rateand the light

intensity that affects the efficiencyof the

hotwatersystem,andcanbeapplied[[with

the light is other]] by the design and

developmentofhotwatersystems. It isan

open system, and is composed of the

collector,whichhasanareaforthereceiver

of2.24,andusesamirrorforreflecting.The

receiverused in this research isavacuum

tube.Ithasanareaof0.27.Thisexperiment

wasconductedinthelaboratoryinorderto

control the light intensity, thewater flow

rate in the system, and the laboratory

temperature.This experimentuseda light

bulbforthesimulationbecausewewanted

to control the light intensity and also

wantedtoadjustthelightintensityforother

conditions.The experimenthad3 rounds.

The first experiment changed thewaterflowratewhilethelight intensityremainedstable.Theresultofthisroundrevealedthat

theefficiencyof the systemwas72%, the

maximumtemperatureofthewaterwas53degrees at 0.0083 of thewater flow rate

and607.50ofthelightintensity[[ofstable]].

The secondexperiment changed the light

intensityandthewaterflowrate.Theresult


of the second exper iment revea led

that the efficiency of the systemwas

approximately 70%. The temperature

of thewater from the concentratorwas

78 degrees at 0.0083 of thewater flow

rate,andthelightintensitywas1,290.75.

Thethirdexperimenttestedthehotwater

systemusingtheAshraestandard[[93-77

toadjustthewatertemperaturebeforethe

water flows insideacollector touse the

waterflowrateat0.02andlightintensity

at 881.26] ] . The resul t o f the th i rd

exper iment showed that the water

temperature was 37 degrees before

flowing into thecollector.Themaximum

water temperaturewas 50degrees, and

theefficiencyofthesystemwas53%.The

result of this research revealed that the

waterflowrateandthelightintensityhad

effectsonthewatertemperatureandthe

efficiency of the hotwater production

systemwhenthewaterflowrateandthe

lightintensityincreasetomakethewatertemperature and the efficiency of thesystemtoincreasetoo. Keywords: hotwater systems,

light intensity,water flow rate,efficiency

ofhotwatersystems

บทนำ

น้ำร้อนเป็นสิ่งที่ต้องการอย่างมากใน

ชีวิตประจำวันทั้งทางตรงและทางอ้อมการผลิต

น้ำร้อนส่วนใหญ่ ใช้พลังงานจากการเปลี่ยนรูป

พลังงานจากไฟฟ้าหรือน้ำมัน เป็นต้น ปัจจุบัน

พลังงานเหล่านี้มีราคาแพงและหายากมากขึ้น [2]

ดังนั้นการใช้พลังงานทดแทนจึงเข้ามามีบทบาท

แต่ยังไม่เป็นที่นิยมเนื่องจากปัจจัยหลายอย่างเช่น

ความไม่เสถียรภาพหรือราคาต้นทุนการผลิตสูง

และสาเหตุอื่น ๆจากปัญหาดังกล่าวทำให้มีการ

ศึกษาและพัฒนาในวงกว้าง ทางด้านเทคโนโลยี

การผลิตน้ำร้อนที่ ใช้พลังงานทดแทน [6] เมื่อปี

2004Morrison, Budihardjo และ Behnia

ทำการศึกษาน้ำภายในท่อสุญญากาศ สำหรับ

เครื่องทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้

ระเบียบวิธีทางตัวเลข และแบบจำลองตาม

มาตรฐานการทดสอบ ISO 9452-2 และการ

เปรียบเทียบผลที่ ได้นอกจากนี้ก็ได้ศึกษาถึงน้ำที่มีผลต่อสมรรถนะของแผงรับพลังแสงอาทิตย์โดยการไหลของน้ำภายในท่อจะเป็นการไหลโดย

ธรรมชาติ (Thermosyphon) ใช้ท่อสุญญากาศ

เป็นตัวรับพลังงานแสงอาทิตย์ต่อกันเป็นแผงการ

ศึกษาพบว่า ความร้อนที่ ได้จากการทดลองและ

แบบจำลองมีค่าใกล้เคียงกันและพบว่าน้ำที่ปลาย

ท่อไม่มีการไหลซึ่งส่งผลต่อการปรับการทำงานและอาจส่งผลต่อสมรรถนะของแผงรับพลังงาน

แสงอาทิตย์ด้วย[10]ต่อมาเมื่อปีค.ศ.2006Li

และ Wang ทำการศึกษาเกี่ยวกับการใช้ท่อสุญญากาศเป็นท่อรับความร้อนของระบบผลิต

ความร้อนแบบรวมแสงและแผงรับแสงอาทิตย์

แบบพาราโบลิก สารนำความร้อนที่ ใช้ ในการ

ทดลองสองชนิดคือ น้ำ และ ก๊าซไนโตรเจน

ทำการทดลองปรับโดยอัตราการไหลของสารทำความร้อนและทำการวัดค่าอุณหภูมิทางเข้า

และทางออกของท่อนำความร้อนทำการวัดค่า


พลังงานแสงอาทิตย์ ในขณะที่ทำการทดลอง

จากนั้นคำนวณหาค่าประสิทธิภาพของแผงรับ

ความร้อน และปริมาณความร้อนที่ เพิ่มของสารนำความร้อนทั้งสองชนิดเทียบกับสมการที่ ได้

จากการจำลองขึ้นผลที่ ได้ คือประสิทธิภาพทาง

ความร้อนของแผงรับพลั งงานแสงอาทิตย์

ประมาณ 70% ถึง 80% และที่อัตราการไหล

0.0046 kg/s น้ำเดือดกลายเป็นไอ และเมื่อใช้

ก๊าซไนโตรเจนเป็นสารทำงานพบว่าประสิทธิภาพ

ของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์น้อยกว่าการใช้

น้ำเป็นสารนำความร้อน40%ที่อุณหภูมิ 320 ํcถึง460cํเมื่อทำการเปรียบเทียบกับแบบจำลองที่สร้างขึ้นพบว่าประสิทธิภาพของแผงรับความ-

ร้อนมีค่าใกล้เคียงและสอดคล้องกันนอกจากนี้ยังใช้สมการที่ ได้ ไป ใช้ ในการวิเคราะห์ถึงผล

กระทบของปริมาณรังสีแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบ

แผงรับแสงอาทิตย์และพื้นที่ของแผงรับ[9]

จากงานวิจัยที่ ได้ศึกษามาแล้วในเบื้องต้นทำให้ทราบว่าระบบผลิตน้ำร้อนยังมีปัญหาในด้าน

ต่างๆดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้นดังนั้นต้องพัฒนา

ประสิทธิภาพของระบบผลิตน้ำร้อนต่อไปและนำ

มาประยกุต์ใช้ ได้ปจัจยัหนึง่ทีพ่จิารณาคอืผลของ

อัตราการไหลของน้ำและความเข้มของแสงรวมถึงความร้อนที่น้ำได้รับมีผลต่อระบบผลิตน้ำร้อนจึงได้ทำการศึกษา โดยทำการออกแบบและสร้าง

ระบบผลิตน้ำร้อนโดยใช้แสงเป็นแหล่งพลังงาน

และนำไปใช้กับแสงอาทิตย์ ได้ ระบบผลิตน้ำร้อนประกอบแผงรับแสงท่อรับแสงจากแผงรับแสง

ท่อนำความร้อนถังเก็บน้ำและเครื่องสูบน้ำ งาน

วิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ คือ เพิ่มประสิทธิภาพให้กับ

ระบบผลิตน้ำร้อน โดยนำวัสดุที่มีประสิทธิภาพเข้า

มาประยุกต์ ใช้กับระบบและศึกษาผลของการ

เปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของน้ำกับความเข้มแสง

ที่มีผลต่อประสิทธิภาพของระบบผลิตน้ำร้อนการทดลองใช้แสงจากหลอดไฟเป็นแหล่งให้พลังงาน

เพื่อควบคุมความเข้มแสงให้คงที่ และสามารถปรับ

ความเข้มแสงได้ การทำงานของระบบดังนี้ เมื่อ

แผงรับแสงได้รับแสงและสะท้อนแสงไปยังท่อ

รับแสงภายในท่อรับแสงซึ่งในงานวิจัยนี้ ใช้ท่อ

สุญญากาศ เกิดการถ่ายเทความร้อนจากแสงให้กับ

ท่อนำความร้อนที่มีน้ำไหลวนอยู่ทำให้น้ำมีอุณหภูมิ

สูงขึ้น จากนั้นน้ำจะถูกเก็บไว้ ในถังเก็บเพื่อรอ

การนำไปใช้ต่อไปนอกจากได้น้ำร้อนแล้วยังทราบ

ความสัมพันธ์ของอัตราการไหลของน้ำกับความ

เข้มแสงที่ค่าต่าง ๆ และประสิทธิภาพของระบบ

สามารถนำสิ่งที่ ได้นี้ ไปประยุกต์ใช้ต่อไปได้

2.ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

2.1 ระบบผลิตน้ำร้อน และประสิทธิ-

ภาพของระบบ

ระบบผลิตน้ำร้อนเป็นระบบเปิด (Forced

CirculationOpenLoopSystem)ประกอบด้วย

อุปกรณ์หลักดังนี้ แหล่งกำเนิดแสง แผงรับแสง

ท่อรับแสง ท่อนำความร้อน สารนำความร้อนถังเก็บน้ำร้อน ถังเก็บน้ำก่อนเข้าแผงรับแสง

เครื่องสูบน้ำ และวาล์ว ประสิทธิภาพของระบบ

[11]พิจารณาจาก

พลังงานที่ให้กับระบบทั้งหมด=(พลังงานความ

ร้อนที่ใช้ประโยชน์)+(พลงังานสญูเสยี)

จะได้ (1)


จาก (1)สามารถหาประสิทธิภาพที่อุปกรณ์ต่างๆ

ของระบบได้ โดยประสิทธิภาพของแผงรับแสง

คำนวณได้ดังนี้

(2)

จาก (2) สามารถหาประสิทธิภาพของท่อรับแสง

ได้ดังนี้

(3)

จาก (3) สามารถหาประสิทธิภาพของท่อนำความร้อนที่อยู่ภายในท่อรับแสงได้ดังนี้

(4)

จาก (4) สามารถหาประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจากความร้อนที่น้ำได้รับกับท่อนำความ

ร้อนได้ดังนี้

(5)

จาก (2) ถึง (5) สามารถหาประสิทธิภาพทางความร้อนรวมของระบบดังนี้

(6)

จะได้

(7)

ความร้อนที่น้ำได้รับจากแผงรับแสง [1]สามารถ

คำนวณได้ดังสมการ(8)

(8)

และความร้อนที่แผงรับแสงได้รับสามารถคำนวณ

ได้จาก

(9)

2.2การถ่ายเทความร้อน การถ่ายเทความร้อนที่ เกิดขึ้นในการ

ทดลองประกอบด้วย การถ่ายเทความร้อนโดย

การนำความร้อน (ConductionHeatTransfer)

การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน

(ConvectionHeat Transfer) และการถ่ายเท

ความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน (Radiation

HeatTransfer) [4,8] เริ่มจากแผงรับแสงได้รับความร้อนโดยการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี

ความร้อนจากแหล่งกำเนิดแสง และสะท้อนแสง

ไปยังท่อรับแสงจากนั้นถ่ายเทความร้อนที่ ได้แบบการแผ่รังสีความร้อนและการนำความร้อนให้กับ

ท่อนำความร้อนภายในท่อรับแสงซึ่งในงานวิจัยนี้ใช้ท่อทองแดงเป็นท่อนำความร้อน จากนั้นความร้อนที่ ได้ถูกถ่ายเทให้กับน้ำที่ ไหลวนมารับความ

ร้อน โดยการถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเป็นแบบ

การนำความร้อนจากท่อนำความร้อนสู่น้ำ จากนั้นน้ำที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นถูกนำไปเก็บไว้ที่ถังเก็บน้ำซึ่ง

ระบบที่ ใช้ ในการทดลองเป็นระบบแบบบังคับ

(Forceconvection)แสดงดังภาพที่1


ภาพที่ 1 แสดงการถ่ายเทความร้อนของการ

ทดลอง

2.3แสงและการคำนวณ การออกแบบการทดลองในงานวิจัยนี้ ใช้

แสงจากหลอดไฟ เป็นแหล่งกำเนิดแสง เนื่องจาก

ต้องการความเข้มแสงที่คงที่ในการทดลองดังนั้น

ต้องมีความเข้าใจเบื้องต้นเกี่ยวกับแสงดังนี้แสง คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ ในช่วง 400

นาโนเมตร ถึง 700นาโนเมตร ซึ่งเราสามารถ

มองเห็นได้ พลังงานที่มีอยู่ ในคลื่นแสงทีค่าตั้งแต่ 2.4x10-19 จูล ถึง 4.8x10-19 จูล โดย 1

นาโนเมตร เท่ากับ 10-9 เมตร ปริมาณการส่องสว่างของแสงขึ้นกับความเข้มแสงของ

แหล่งกำเนิดระยะจากแหล่งกำเนิดแสงกับพื้นที่ที่

แสงตกกระทบ และมุมตกกระทบของความ

เข้มแสง โดยแสงที่ใช้ทดลองจากหลอดไฟโดยใช้

การสะท้อนของแสงเป็นหลักการคำนวณหาความ

สว่างของแสง[1]จากสมการ

(10)

เมื่อ Eคือความสว่าง,lux R คือ ระยะห่างจากหลอดไฟถึงพื้นที่

พิจารณา,m

เมื่อพิจารณาพลังงานของแสงต่อหน่วยพื้นที่

พิจารณาที่กำลังส่องสว่างหาได้ดังนี้

(11)

เมื่อ Iคือกำลังส่องสว่างหน่วยW/m2

Pคือกำลังของหลอดไฟหน่วยW

3.การออกแบบระบบผลิตน้ำร้อน

3.1แหล่งกำเนิดแสง แหล่งกำเนิดแสงใช้แสงจากหลอดไฟ

(Spotlight)ขนาด500วัตต์ติดตั้งอยู่สูงจากแผง

รับแสง 1.50 เมตรและทำการเพิ่มจำนวนของ

หลอดไฟตามการทดลองที่ ได้ออกแบบ 3.2แผงรับแสง

แผงรับแสงแบบพาราโบลา มีพื้นที่รับ

แสง 2.24 ตารางเมตร มุมในการรับแสง 90องศา ใช้กระจกเงาในการสะท้อนแสงจากแหล่ง

กำเนิดแสงไปยังท่อรับแสง ซึ่งมีค่าคงที่การ

สะท้อนแสงเท่ากับ0.91


3.3ท่อรับแสงหรือท่อรวมแสง

ท่อรับแสงในระบบใช้ ในการรวมแสงไว้ที่

ต ำแหน่ ง เดี ยวกั น โดยการทดลองนี้ ใ ช้ ท่ อ

สุญญากาศขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 58

มิ ลลิ เ มตร เส้ นผ่ านศู นย์ กลางภาย ใน 47

มิลลิเมตรยาว 1.8 เมตร เป็นท่อสองชั้นความ

หนาของท่อ 1.6 มิลลิเมตร ระหว่างชั้นเป็น

สุญญากาศสามารถลดการสูญเสียความร้อนได้ดี 3.4ท่อนำความร้อน

ท่อนำความร้อนเป็นท่อทองแดงขนาด

เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน6มิลลิเมตรอยู่ภายใน

ท่อรับแสง 3.5สารนำความร้อน

สารนำความร้อนที่ ใช้ ในระบบ คือ น้ำ

เนื่องจากสามารถหาได้ง่าย และสามารถนำ

น้ำร้อนที่ ได้ ไปใช้ ได้ทันที หรือเก็บไว้ ในถังเก็บน้ำ

เพื่อรอการนำไปใช้งาน โดยไม่ต้องผ่านการแลก

เปลี่ยนความร้อนอีก 3.6ถังเก็บน้ำ

ถังเก็บน้ำประกอบด้วยถังเก็บน้ำร้อน

และถังเก็บน้ำเย็นถังเก็บน้ำร้อนคือ เก็บน้ำหลัง

ผ่านแผงรับแสงใช้ถังน้ำหุ้มฉนวนกันความร้อน

ส่วนถังเก็บน้ำเย็นเป็นถังเก็บน้ำก่อนเข้าแผงรับแสง

3.7เครื่องสูบน้ำ เครื่องสูบน้ำชนิดแบบแนวนอน หรือที่

เรียกว่าปั๊มหอยโข่งขนาด0.5แรงม้า

4.การทำงานของระบบผลิตน้ำร้อน

การทำงานของระบบผลิตน้ำร้อน เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงส่งผ่านไปยังแผงรับแสง

แผงรับแสงสะท้อนแสงที่ ได้ ไปยังท่อรับแสงซึ่งทำ

หน้าที่รวมแสงที่ ได้ เนื่องจากท่อรับแสงเป็นท่อ

สุญญากาศทำให้สะสมความร้อนภายในท่อ และ

ลดความสูญเสียความร้อนจากภายในได้ จากนั้นน้ำทำหน้าที่รับความร้อนจากท่อนำความร้อนไป

เก็บไว้ยังถังเก็บน้ำร้อนเพื่อรอการนำไปใช้ต่อไป

ดังภาพที่2

ภาพที่ 2แสดงแผนภาพส่วนประกอบของระบบ

ผลิตน้ำร้อนประกอบด้วย แหล่งกำเนิดแสง

(สปอร์ทไลท์)แผงรับแสงท่อรับแสง (หลอดแก้ว

สุญญากาศ) ท่อนำความร้อน (ท่อทองแดง)

ลูกศรแสดงทิศทางการไหลของน้ำ จุดวัดอุณหภูมิ

น้ำทางเข้าแผงรับแสงจุดวัดอัตราการไหลของน้ำวาล์ว ปั๊มน้ำ จุดวัดอุณหภูมิน้ำทางออกจาก

แผงรับแสง งานวิจัยนี้ทำการทดลองในห้องทดลอง

เนื่องจากต้องควบคุมความเข้มแสง ดังภาพที่ 3

ประกอบด้วยแผงรับแสงท่อรับแสง (หลอดแก้ว

สุญญากาศ) เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิของน้ำทาง

เข้าและทางออกจากแผงรับแสง เครื่องวัดอัตราการไหลของน้ำจุดวัดอุณหภูมิน้ำทางออกจากแผง

รับแสงและถังเก็บน้ำก่อนเข้าแผงรับแสง


ภาพที่3แสดงระบบผลิตน้ำร้อนที่ใช้ ในการศึกษา

5.ขั้นตอนการทดลอง

ทำการทดลองในห้องทดลอง โดยการ

ทดลองแบ่งออกเป็น 3 การทดลอง ดังนี้ การ

ทดลองที่1ปรับอัตราการไหลของน้ำก่อนเข้าแผง

รับแสงที่ความเข้มแสงคงที่ เมื่อเตรียมอุปกรณ์

พร้อมทำการทดลองแล้ว เปิดเครื่องสูบน้ำ และ

เปิดไฟสปอร์ทไลท์ ขนาด 500 วัตต์ จำนวน

2 หลอดและปรับอัตราการไหลของน้ำไปที่

0.0083kg/s ใช้ลักต์มิเตอร์วัดค่าความสว่างของ

แสงที่แผงรับแสง ได้ค่ าที่ 270 lux ซึ่ งค่าพลังงานต่อหน่วยเท่ากับ 607.50W/m2 และทำการทดลองที่ค่านี้ตลอดการทดลองที่ 1 ทำ

การบันทึก อุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผงรับแสง

อุณหภูมิของน้ำออกจากแผงรับแสง ความเข้มแสง และอุณหภูมิภายในห้องทดลอง ทำการ

บันทึกค่าทุกๆ20นาทีจนกว่าอุณหภูมิที่ ได้คงที่

จากนั้นทำการปรับอัตราการไหลไปที่ค่า อื่น ๆ

ดังนี้ 0.0083 kg/s, 0.0166 kg/s, 0.0249 kg/s,

0.0332 kg/s, 0.0415 kg/s และ 0.0498 kg/s

ตามลำดับที่ความเข้มแสงคงที่ [3] การทดลอง

ที่ 2 ทำการปรับความเข้มแสงที่ค่าต่าง ๆ ใน

หน่วยW/m2 ดังนี้474.75,607.50,881.26และ

1,290.75 ที่อัตราการไหลคงที่ 0.0083 kg/s ทำการบันทึกผลการทดลองเช่นเดียวกับการ

ทดลองที่1การทดลองที่3ทำการทดสอบระบบ

โดยใช้มาตรฐานการทดสอบASHRAE 93-97

[7] โดยทำการทดสอบที่ความเข้มแสงคงที่

881.26W/m2 อัตราการไหลคงที่ 0.02 kg/s ทำการควบคุมอุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผงรับแสง

ให้คงที่อย่างน้อย15นาทีก่อนบันทึกผลทำการ

ทดลองที่อุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผงรับแสงที่

ค่าต่าง ๆ ดังนี้ 25 30 35 40 45 และ 50 ํc ทำการบันทึกผลของอุณหภูมิของน้ำที่ออกจาก

แผงรับแสงอุณหภูมิห้องทดลองความชื้นสัมพัทธ์

ทุก 20 นาที 3 ครั้ง และหาค่าเฉลี่ยจากผลที่

ได้ เ มื่ อ ได้ ผลการทดลองแล้ วนำผลที่ ไ ด้ ไป

วิเคราะห์ผล หาค่าความร้อน เพื่อนำไปคำนวณ

หาประสิทธิภาพของระบบและความสัมพันธ์ต่อไป

6.ผลการทดลองและวิเคราะห์ผล

การทดลองที่ 1พิจารณาอัตราการไหล

ของน้ำโดยปรับความเข้มแสงคงที่607.50W/m2

ได้ผลการทดลองดังภาพที่4

ภาพที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ของอัตราการไหล

ของน้ำกับอุณหภูมิของน้ำ


ผลการทดลองตามภาพที่4กราฟเส้นบน

แสดงอุณหภูมิของน้ำทางออกจากแผงรับแสงกราฟเส้นกลางแสดงอุณหภูมิของน้ำทางเข้าแผง

รับแสง กราฟเส้นล่างแสดงผลต่างของอุณหภูมิ

ของน้ำทางเข้าและทางออกจากแผงรับแสงจาก

กราฟจะเห็นได้ว่า เมื่ออัตราการไหลของน้ำเพิ่ม

ขึ้น อุณหภูมิของน้ำที่ออกจากแผงรับแสงลดลง

และผลต่างของอุณหภูมิที่ทางเข้าและทางออกก็

ลดลงตามไปด้วย เนื่องจากเมื่ออัตราการไหลเพิ่ม

ขึ้นเวลาที่น้ำได้รับความร้อนจะน้อยลง รวมทั้ง

พื้นที่ ในการรับความร้อนเท่าเดิมในขณะที่อัตรา

การไหลเพิ่มขึ้น [3] เมื่อพิจารณาเฉพาะอัตรา

การไหลของน้ำผ่านท่อทองแดง และอัตรา

อุณหภูมิของน้ำทางออกดังภาพที่5อัตราการไหล

ของน้ำผ่านท่อทองแดงเพิ่มขึ้นอัตราอุณหภูมิของ

น้ำทางออกลดลง สอดคล้องกับผลการทดลอง

ภาพที่4

สัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลและประสิทธิภาพ

ของระบบที่ความเข้มแสงคงที่ 607.50W/m2

ได้ดังภาพที่6

ภาพที่ 5 แสดงอัตราการไหลของน้ำผ่านท่อทองแดงและอัตราอุณหภูมิของน้ำทางออก

ประสิทธิภาพของระบบกับการเปลี่ยน-

แปลงอัตราการไหลของน้ำมาสร้างกราฟความ

ภาพที่ 6 แสดงความสัมพันธ์ของอัตราการไหล

ของน้ำกับประสิทธิภาพของระบบ

จากภาพที่ 6 จะเห็นความสัมพันธ์ของ

อัตราการไหลของน้ำกับประสิทธิภาพของระบบ

ซึ่งผลการทดสอบ ใช้วิธีการวิเคราะห์การถดถอย

เชิงเส้น (Regression analysis) [5] ได้ผลดังนี้

อัตราการไหลมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของระบบ84.72% และประสิทธิภาพสูงสุดของระบบที่71.84%เมื่อyคือประสิทธิภาพของระบบและ

x คือ อัตราการไหลของน้ำได้ความสัมพันธ์ดัง

สมการที่12

y=47.052x+69.494 (12)

ผลการทดลองที่ 2 พิจารณาปรับความ

เข้มแสงที่อัตราการไหลของน้ำคงที่ ในการทดลอง


นี้ทดสอบที่อัตราการไหลของน้ำ0.0083kg/sผล

ดังภาพที่7

ซึ่งจากการทดสอบใช้วิธีการวิเคราะห์การถดถอย

เชิงเส้นพบว่าความเข้มแสงมีผลต่อประสิทธิภาพ

ของระบบ98.90%และประสิทธิภาพสูงสุดของ

ระบบจากการวิเคราะห์ด้วยวิธีนี้คือ 72.40% เมื่อ

y คือประสิทธิภาพของระบบและ xคือ ความ

เข้มแสงได้ความสัมพันธ์ดังสมการที่13

y=0.0022x+69.559 (13)

การทดลองที่ 3 ทำการทดสอบตาม

มาตรฐานการทดสอบ ASHRAE 93-97 โดย

ทำการปรับอุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผงรับแสง

ที่ค่าต่างๆที่อัตราการไหลของน้ำคงที่0.02kg/sทดลองที่ความเข้มแสงคงที่ 881.26W/m2 ได้ผล

การทดลองดังภาพที่8

ภาพที่7แสดงความสัมพันธ์ระหว่าความเข้มแสง

กับอุณหภูมิของน้ำ

จากผลการทดลองดังภาพที่ 7กราฟเส้น

บนแสดงอุณหภูมิของน้ำทางออกจากแผงรับแสง

เส้นกลางแสดงอุณหภูมิของน้ำทางเข้าแผงรับแสงและเส้นล่างแสดงผลต่างของอุณหภูมิของน้ำทาง

เข้าและทางออกจากแผงรับแสง จะเห็นได้ว่า

อุณหภูมิน้ำทางออกจากแผงรับแสง และผลต่าง

ของอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อค่าความเข้มแสงเพิ่มขึ้น

เนื่องจากพลังงานความร้อนที่ ได้รับเพิ่มมากขึ้นและเมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ของประสิทธิภาพ

ของระบบกับความเข้มแสง ได้ผลการทดลองดัง

ภาพที่8

จากกราฟความสัมพันธ์ของแสงกับ

ประสิทธิภาพของระบบพบว่าเมื่อความเข้มแสง

เพิ่มขึ้นประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ภาพที่ 8 แสดงความสัมพันธ์ของความเข้มแสง

และประสิทธิภาพของระบบ


ภาพที่ 9 ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิของน้ำเข้า

แผงรับแสงและอุณหภูมิของน้ำที่ออกจากแผงรับ

แสงของการทดสอบตามมาตรฐานASHRAE

93-97

จากภาพที่ 9 จะเห็นได้ว่าเมื่ออุณหภูมิ

ของน้ำทางเข้าแผงรับแสงเพิ่มขึ้นการเปลี่ยน-แปลงอุณหภูมิของน้ำทางออกของแผงรับแสงเพิ่ม

ขึ้นตามไปด้วยส่วนผลต่างของอุณหภูมิลดลงเมื่อ

พิจารณาประสิทธิภาพของระบบตามการทดลองที่

3ดังภาพที่10

จากกราฟแสดงความสัมพันธ์ตามภาพที่10 อุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผงรับแสงประมาณ37 ํc ประสิทธิภาพของระบบสูงสุดประมาณ50%จากภาพจะเห็นได้ว่าประสิทธิภาพของระบบ

เพิ่มขึ้นและค่อยๆลดลงเมื่ออุณหภูมิของน้ำทาง

เข้าเพิ่มขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผง

รับแสงเพิ่มขึ้นทำให้ผลต่างของอุณหภูมิของน้ำ

ทางเข้าและทางออกของแผงรับแสงลดลง ในขณะที่พลังงานความร้อนที่ ได้จากระบบเท่าเดิม

ส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบลดลงตามไปด้วย

7.สรุป

จากผลการทดลองที่ 1 โดยปรับอัตรา

การ ไหลของน้ ำที่ ความ เข้ มแสงคงที่ พบว่ า

ประสิทธิภาพของระบบ 72% อุณหภูมิสูงสุดที่

53ํCที่อัตราการไหล0.0083kg/sและความเข้ม

แสง 607.50W/m2 การวิ เคราะห์ โดยใช้วิธี

วิเคราะห์การถดถอยเชิงเส้นพบว่าอัตราการไหลของน้ำมีความสัมพันธ์กับประสิทธิภาพของระบบ84.72% และประสิทธิภาพสูงสุดของระบบที่

71.84%การทดลองที่2พิจารณาความเข้มแสงที่

อัตราการไหลของน้ำคงที่พบว่าประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ70%อุณหภูมิสูงสุดที่ประมาณ78 ํC

ที่ความเข้มแสง1,290.75W/m2 ที่อัตราการไหล0.0083 kg/s การวิเคราะห์โดยวิธีวิเคราะห์การ

ถดถอยเชิ ง เส้ น พบว่ าความ เข้ มแสงมี ผลต่ อประสิ ทธิ ภาพของระบบ 98 .90% และ

ภาพที่ 10 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ

ทางเข้าของน้ำกับประสิทธิภาพของระบบ


ประสิทธิภาพสูงสุดของระบบจากการวิเคราะห์

ด้วยวิธีนี้คือ72.40%การทดลองที่3ทดสอบตาม

มาตรฐานการทดสอบASHRAE93-97พบว่า

เมื่ออุณหภูมิทางเข้าของน้ำประมาณ 37 ํC

อุณหภูมิของน้ำที่ออกจากแผงรับแสงสูงสุดที่

ประมาณ 50 ํC และประสิทธิภาพของระบบ

ประมาณ53%

8.วิจารณ์ผล

เมื่ออัตราการไหลเพิ่มขึ้นอุณหภูมิของน้ำ

ที่ออกจากแผงน้อยลง เนื่องจากเวลาในการรับ

ความร้อนน้อยลง อีกทั้งเป็นระบบเปิดไม่มีการหมุนเวียนน้ำที่รับความร้อนแล้วกลับมารับความ

ร้อนที่แผงรับแสงอีก ในการทดลองที่2จะเห็นได้

ว่า เมื่อความเข้มแสงเพิ่มขึ้นอุณหภูมิของน้ำเพิ่ม

ขึ้นตาม เนื่องจากพลังงานความร้อนที่ ได้รับเพิ่ม

มากขึ้น ในขณะที่อัตราการไหลของน้ำคงที่ และ

การทดลองที่ 3 อุณหภูมิของน้ำก่อนเข้าแผงรับแสงเพิ่มขึ้นประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นและ

ค่อยๆลดลง เนื่องจากอุณหภูมิของน้ำก่อนเข้า

แผงรับแสงเพิ่มขึ้นทำให้ผลต่างของอุณหภูมิของน้ำทางเข้าและทางออกของการรับแสงลดลงใน

ขณะที่พลังงานความร้อนที่ ได้จากระบบเท่าเดิม

ส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบลดลง

ผลจากการทดลองที่1และการทดลองที่2พบว่าประสิทธิภาพของระบบมีค่าใกล้เคียงกัน

เมื่ออัตราการไหลของน้ำ และความเข้มของแสง

เพิ่มขึ้นอุณหภูมิของน้ำที่ ได้และประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นตามไปด้วยและจากผลที่ ได้จากการ

ทดลองนี้ ทำให้เห็นความสัมพันธ์ของอัตราการ

ไหลของน้ำกับความเข้มแสงที่ส่งผลต่ออุณหภูมิ

และประสิทธิภาพของระบบผลิตน้ำร้อน ซึ่ ง

สามารถนำไปปรับใช้ ในชีวิตประจำวันต่อไป

9.เอกสารอ้างอิง

[1] ก่องกัญจน์ ภัทรากาญจน์ และคณะ,

2522. คลื่น เสียง แสง. สำนักพิมพ์

โรงพิมพ์สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า

วิทยาเขตพระนครเหนือ. กรุงเทพฯ.

125หน้า

[2] ย ง ยุ ท ธ์ ส วั ส ดิ ส ว นี ย์ แ ล ะ ชุ ติ ม า

อึ๊งภากรณ์. 2550,พลังงานแสงอาทิตย์.

สำนักพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์.6หน้า

[3]รุ่งทวี ผดากาล. 2551.การศึกษาอัตรา

การไหลของน้ำกับความเข้มของแสง

ที่มีผลต่อประสิทธิภาพของระบบผลิต

นำ้รอ้น,วารสารเทคโนยแีละวทิยาศาสตร์

อัคคีภัย.ปีที่2ฉบับที่1เดือนกรกฎาคม

2551.

[4] สุนันท์ ศรีณยนิตย์. 2545. การถ่ายเท

ความร้อน. สำนักพิมพ์สมาคมส่งเสริม

เทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น) . กรุงเทพฯ.

476หน้า. [5] สุรินทร์ นิยมางกูร. 2548. สถิติวิจัย.

สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์.

กรุงเทพฯ,หน้า305-326.

[6] อมตะทัศนศักดิ์, ฉัตรชัย เปล่งสะอาด,

เกียรติศักดิ์ สกุลพันธ์. 2548. สถานะของโลกในเชิงพลังงานและพลังงาน

ทดแทน, การประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย

ครั้งที่ 19 วันที่ 19-21 ตุลาคม 2548.

จังหวัดสงขลา.


[7] ASHRAE, Standard 93-77.1977.

Methods of Testing toDetermine

theThermal Performanceof Solar

Collectors. American Society of

Heating,Refrigeration, and Air

ConditioningEngineers.NewYork

[8] Duffie, J.A and Beckman,W.A.

1991.SolarEngineeringofThermal

Process. 2nd. JohnWiley&Sons.

Inc.919p

[9]M . L i a n d L . L . Wa n g . 2 0 0 6 .

Investigation of evacuated tube

heatedby solar troughconcentra-

ting system, Energy Conversion

andManagement, 47, pp 3591-

3601.

[10]Morrison,G.L., I. Budihardjo and

M.Behnia. 2004. Water-in-glass

evacuatedtubesolarwaterheaters.

SolarEnergy.76:135-140.

[11] YongKimandTaebeomSeo.2007.

Thermalperformancescomparisons

of theglass evacuated tube solar

collectorswith shapesofabsorber

tube. Renewable Energy. 32. pp

772-795.

10.คำอธิบายสัญลักษณ์

คือพลังงานความร้อนที่ให้กับระบบ,W

คือพลังงานความร้อนที่นำมาใช้,W

คือพลังงานความร้อนที่สูญเสีย,W

คือพลังงานความร้อนที่แหล่งกำเนิดแสงให้กับระบบ,W

คือพลังงานความร้อนที่แผงรับแสงได้รับ,W

คือพลังงานความร้อนที่ท่อรับแสงได้รับ,W

คือพลังงานความร้อนที่ท่อนำความร้อนได้รับ,W

คือพลังงานความร้อนที่น้ำได้รับจากท่อนำความร้อน,W

คืออัตราการไหลของน้ำ,kg/s

คือความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ,

คืออุณหภูมิของน้ำทางออกจากแผงรับแสง,

คืออุณหภูมิของน้ำทางเข้าแผงรับแสง คือประสิทธิภาพทางความร้อนรวมของระบบ


คือประสิทธิภาพของแผงรับแสง

คือประสิทธิภาพของท่อรับแสง

คือประสิทธิภาพของท่อนำความร้อน

คือประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อน

จากท่อนำความร้อนไปสู่น้ำ

คือพื้นที่แผงรับแสง,m2

คือพื้นที่ของท่อรับแสง,m2

คือค่าคงที่การสะท้อนของกระจก

คือค่ารังสีแสง,W/m2

การศึกษา ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพ...

Documents