การตรวจสอบสมรรถนะของอีเจ็คเตอร์อากาศอัดที่ใช้หัวฉีด แบบ ... for ThaiScience/Article/62/10025445.pdf ·

85

The Journal o f KMUTNB. , Vol . 23 , No. 1 , Jan. - Apr. 2013วารสารวชาการพระจอมเกลาพระนครเหนอ ปท 23 ฉบบท 1 ม.ค. - เม.ย. 2556

1 อาจารย สาขาวชาเทคโนโลยเครองกล คณะเทคโนโลยอตสาหกรรม มหาวทยาลยราชภฏสรนทร2 ผชวยศาสตราจารย ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยอบลราชธาน* ผนพนธประสานงาน โทรศพท 0-4535-3309 อเมล: [email protected]

รบเมอ 15 ธนวาคม 2554 ตอบรบเมอ 27 กนยายน 2555

การตรวจสอบสมรรถนะของอเจคเตอรอากาศอดทใชหวฉด

แบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด

ณฏฐ สวรรณกฏ1 และ ธนรฐ ศรวระกล2*

และผลทไดจากวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) นน เมอนำาไปเปรยบเทยบกบผลทไดจากชดอปกรณ ทดลองของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนท หนาตดทคอคอด พบวาหากกำาหนดใหอเจคเตอรทำางาน ภายใตเงอนไขซงมความดนทางเขาปฐมภม (Pp) เทากบ 5 bar ความดนทางเขาทตยภม (Ps) เทากบ 0.8 bar เมอเปลยนตำาแหนงของลม (NTP) ทระยะ 0, 5 และ 10 มลลเมตร วธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) จะมคาความคลาดเคลอนของอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) เทากบ 2.5, 8.3 และ 7.7 เปอรเซนต และความ คลาดเคลอนของคาความดนวกฤต (CBP) เทากบ 33.3 31.3 และ 15.4 เปอรเซนต ตามลำาดบ เมอเทยบกบ ชดอปกรณทดลอง

คำาสำาคญ: เปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด CFD อเจคเตอร อากาศอด

บทคดยอ

บทความนนำาเสนอการศกษาการไหลในอเจคเตอร ทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดใน ระบบอากาศอด โดยวธการทดลองและวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (Computational Fluid Dynamics, CFD) ชวยวเคราะหลกษณะของสารผสม และอธบายพฤตกรรมการไหล รวมทงคณลกษณะของไหลใน อเจคเตอร ซงรปรางของอเจคเตอรทใชสรางแบบจำาลอง 2 มตนน เปนแบบสมมาตรรอบแกน (Axisymmetric) และ ใชแบบจำาลองความปนปวนของการไหลแบบ Realizable k-ε โดยในงานวจยนใชอากาศอดเปนสารทำางานและ จะใชการเปลยนตำาแหนงของลมผานหวฉดเพอปรบเปลยน พนทหนาตดทคอคอดของหวฉด ซงเปรยบเสมอน การเปลยนเสนผาศนยกลางทคอคอดของหวฉด ทำาให อเจคเตอรทำางานไดหลากหลายขน โดยกำาหนดตำาแหนงตางๆ ของลมเปนตำาแหนง NTP (Needle Tip Position)

86

วารสารวชาการพระจอมเกลาพระนครเหนอ ปท 23 ฉบบท 1 ม.ค. - เม.ย. 2556The Journal o f KMUTNB. , Vol . 23 , No. 1 , Jan. - Apr. 2013

1 Lecturer, Faculty of Industrial Technology, Surindra Rajabhat University.2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Ubon Ratchathani

University.* Corresponding Author, Tel. 0-4535-3309, E-mail: [email protected]

Received 15 December 2011; Accepted 27 September 2012

Performance Investigation of a Compressed Air Ejector with a Variable Throat Area Nozzle

Nat Suvarnakuta1 and Thanarath Sriveerakul2*

AbstractThis paper presents a flow in an air ejector equipped

with variable throat area of the primary nozzle. Using experimental measurement and CFD technique, flow phenomena, mixing structure and performance of the ejectors were analyzed and explained. In this study, 2D-axisymetric model was used. Realizable k- ε model was applied for a turbulence model. Ejector is operated by using compressed air. Instead of changing the size of the throat diameter, variation of throat area of the primary nozzle was achieved by changing a wedge’s position. The wedge’s position or the needle tip position (NTP) is defined as a distance between

a plane of needle’s tip and a plane of the primary nozzle’s throat. It can be seen that altering the needle tip position (NTP) affects the ejector’s performance. It was found that changing the NTP from 0 to 5 and 10 mm, under the primary inlet pressure of 5 bar and the secondary inlet pressure of 0.8 bar gives run to average relative errors between the CFD and experimental results up to 2.5%, 8.3% and 7.7% for the entrainment ratio and 33.3%, 31.3% and 15.4% for the critical back pressure.

Keywords: Variable Throat Area, CFD, Ejector, Compressed Air

87


1. บทนำาอเจคเตอร เปนอปกรณทใชสำาหรบการถายเทมวลสาร

หรอใชในการสรางสญญากาศ ซงอาศยหลกการของการเหนยวนำา โดยมวลสารทมความเรวสงดดมวลสารทมความเรว ตำาใหเคลอนทตามกนไป และในปจจบนไดมการนำาอเจคเตอร มาประยกตใชรวมกบงานในระบบทำาความเยน [1], [2] กระบวนการอบแหงแบบสญญากาศ รวมถงการสงอนภาคของแขงขนาดเลก ซงคณลกษณะทบงบอกถงสมรรถนะของอเจคเตอร คออตราสวนการเหนยวนำา (Entrainment Ratio, Rm) ซงเปนอตราสวนระหวางอตราการไหลเชงมวลททางเขาทตยภมตออตราการไหลเชงมวลททางเขาปฐมภม และอตราสวนความดน (Pressure Lift Ratio, PLR) ซงเปนอตราสวนระหวางความดนสถตทปากทางออกของ อเจคเตอรตอความดนสถตททางเขาทตยภม โดยอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรจะสงผลกระทบตอสมรรถนะของอเจคเตอรโดยตรง และอตราสวนความดน (PLR) จะบงชถงขอจำากดในการทำาความดน ซงคา PLR สำาหรบการทำางานของอเจคเตอรมกนยมใชตวแปรทอยในรปของความดนวกฤต (Critical Back Pressure, CBP) ในการระบคาความดนสงสดทปากทางออกของอเจคเตอร โดยปจจยหลกทมผลกระทบตอสมรรถนะของอเจคเตอร คอเงอนไขสภาวะการทำางาน [3] และรปรางของอเจคเตอร [4]-[7] ดงน

1) เงอนไขสภาวะการทำางาน โดยอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรนนจะถกจำากดดวยความดนจากปากทางออกของอเจคเตอรหรอคาความดนวกฤต (CBP) ซงเปนคาความดนทสงสดทอเจคเตอรสามารถทำางานไดโดยคา Rm ของอเจคเตอรไมลดลง หากนำาตวแปรคณลกษณะทงสองมาทำาการเขยนกราฟคณลกษณะการทำางานของอเจคเตอรจะไดดงรปท 1 ซงสามารถแบงคณลกษณะการไหลตามความดนทปากทางออกของอเจคเตอรเปน 3 ชวง คอ 1. Choked Flow เปนกรณทคา Rm คงท โดยหากความดนทปากทางออกของอเจคเตอรตำากวาจด CBP 2. Unchoked Flow เปนกรณทคา Rm ลดลง โดยหากความดนทปากทางออกของอเจคเตอรเกนจด CBP และ 3. Reversed Flow เปน

กรณทอเจคเตอรไมสามารถเหนยวนำามวลสารจากทางเขาทตยภมได ซงเกดจากความดนทปากทางออกของ อเจคเตอรสงมากเกนไป

2) รปรางของอเจคเตอร ซงมองคประกอบหลกทสำาคญ สองสวน คอสวนของหวฉดปฐมภม (Primary Nozzle) ซงภายในของหวฉดนนจะมทอลเขา-ลออก ทำาหนาทเปลยน ความดนสถตของของไหลใหเปนความเรว และสวนของ อเจคเตอร แบงออกเปน 4 สวนคอ 1. ทางเขาของสาร ทตยภม (Secondary Inlet) 2. หองผสม (Mixing Chamber) 3. บรเวณพนทหนาตดคงท (Throat) และ 4. ทอกระจายตว (Diffuser) ดงแสดงในรปท 2

งานวจยนจะใหความสำาคญตอคา Area Ratio (Ar) ซงเปนอตราสวนระหวางพนทหนาตดทเลกทสดของหองผสมหรอบรเวณพนทหนาตดคงท (A1) ตอพนทหนาตดทเลกทสดของหวฉด (At) ดงสมการท 1

Area Ratio (Ar) = (1)

รปท 1 คณลกษณะทวไปของอเจคเตอร

รปท 2 รปลกษณของอเจคเตอร

88


(ก) อเจคเตอร (หนวยเปนมลลเมตร)

(ข) หวฉด (หนวยเปนมลลเมตร)

(ค) ลม (หนวยเปนมลลเมตร)

ซงคา Area Ratio (Ar) จะมผลตอสมรรถนะการทำางานของอเจคเตอร [8],[9] และหากจะศกษาการเปลยนแปลงคา Area Ratio (Ar) ของอเจคเตอรทมตอสมรรถนะการทำางานนนจะทำาไดโดยการเปลยนหวฉดใหม เขาไปในระบบ ซงจำาเปนตองหยดการทำางานของระบบ แลวจงทำาการเปลยนหวฉด ดงนนจงไดมแนวความคด ทจะออกแบบอเจคเตอรทสามารถเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดของหวฉดได ซงจะชวยใหการศกษาการเปลยนแปลงคา Area Ratio (Ar) ของอเจคเตอรนนสามารถทำาไดแมในระหวางทระบบกำาลงทำางานอย [10], [11] โดยในงานวจยนจะสรางชดอปกรณทดลอง ซงใชอากาศอดเปนสารทำางาน ศกษารวมกบวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) และคาดวาแนวคด ดงกลาวจะชวยใหอเจคเตอรมความยดหยนตอสภาวะ การทำางานเพมมากยงขน ซงเมอสภาวะการทำางานเปลยนกสามารถปรบเปลยนขนาดพนทหนาตดทคอคอดของ หวฉดใหสอดคลองกบสภาวะการทำางานนนๆ ได เพอรกษาสมรรถนะการทำางานทดทสดของอเจคเตอรไว และจากการศกษาทผานมาพบวาหากอเจคเตอรมคา Area Ratio (Ar) ทสง จะสงผลทำาใหอเจคเตอรนนสามารถเหนยวนำามวลสารจากทางเขาทตยภมไดมาก แตในทางตรงกนขามจะทำาใหคาความดนวกฤต (CBP) ของอเจคเตอรลดลง

2. วธการวจย2.1 แบบจำาลองการไหลของอเจคเตอร

ในการสรางแบบจำาลองของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ไดออกแบบ ขนาดและรปรางของอเจคเตอร [12]-[16] ใหทำางานโดยการใชอากาศอด ภายใตความดนทางเขาปฐมภม (Pp) เทากบ 5 bar ความดนทางเขาทตยภม (Ps) เทากบ 0.8 bar และ กำาหนดใหอเจคเตอรมหวฉดขนาดเสนผาศนยกลางเทากบ 5 มลลเมตร ดงรปท 3

การเปลยนแปลงตำาแหนงของลมทคอคอดของหวฉด จะกำาหนดโดยใหตำาแหนงตางๆ ของลมเปนตำาแหนง NTP (Needle Tip Position) ซงคอระยะหางระหวางตำาแหนง

รปท 3 ขนาดและรปรางของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด

คอคอดของหวฉดกบตำาแหนงของปลายลม โดยในงานวจยน ไดกำาหนดระยะตำาแหนงของลมทผานคอคอดของหวฉดไว 3 ตำาแหนง คอตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0, 5 และ 10 มลลเมตร ดงรปท 4 ซงการเปลยนตำาแหนงของลมนน จะสงผลทำาใหคา Area Ratio (Ar) ของอเจคเตอรเปลยนแปลงตามไปดวย เชนทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0 5 และ 10 มลลเมตร จะมคา Area Ratio (Ar) เทากบ 3.24, 3.56 และ 5.06 ตามลำาดบ

การนำาความรดานการคำานวณพลศาสตรของไหล (Computational Fluid Dynamics, CFD) ชวยวเคราะหลกษณะของสารผสม และอธบายพฤตกรรมการไหล รวมทง สมรรถนะของอเจคเตอร มระเบยบขนตอนการทำางานหลกๆ อย 3 ขนตอน คอ 1) กระบวนการขนตน

89


(Pre-processor) 2) กระบวนการวเคราะห (Solution) และ 3) การแสดงผล (Post-processor) ซงในสวนของกระบวนการขนตนนนจะเปนขนตอนการกำาหนดรปรางลกษณะ และขอบเขตของการไหล โดยแบบจำาลองการไหลของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ไดสรางขนโดยการใชโปรแกรมสำาเรจรป GAMBIT 2.3 ซงรปรางของแบบจำาลอง 2 มต เปนแบบสมมาตร รอบแกน (Axisymmetric) และขอบเขตของปญหานนจะ ถกแบงดวยโครงขายสเหลยม (Quad Grid) ดงตวอยางในรปท 5

การสรางแบบจำาลองการไหลของอเจคเตอรทใช หวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0, 5 และ 10 มลลเมตรจะได โครงขายสเหลยม (Quad Grid) ของอเจคเตอรเทากบ

(ก) ตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0 มลลเมตร

(ข) ตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 5 มลลเมตร

(ค) ตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 10 มลลเมตร

รปท 4 ตำาแหนงตางๆ ของลม

46,700, 48,700 และ 45,450 ตามลำาดบ ซงจำานวนโครงขาย สเหลยมของอเจคเตอรนไดผานการปรบและการทดสอบ ในความละเอยดทแตกตางกนเพอความถกตองของ การจำาลองการไหล และความสอดคลองกบผลของ การทดลองมากทสด โดยการเพมจำานวนโครงขายสเหลยม เปนสองเทา พบวาคาความคลาดเคลอนของอตราสวน การเหนยวนำา (Rm) มคานอยกวา 1%

2.2 การตงคาตวแปรทจำาเปนสำาหรบแบบจำาลอง

การไหลของอเจคเตอร

จากขนตอนของกระบวนการขนตน เมอไดสราง แบบจำาลองการไหลของอเจคเตอรแลว จากนนจะใช โปรแกรมสำาเรจรป FLUENT 6.3 ในสวนของขนตอน การวเคราะห รวมทงขนตอนการแสดงผล โดยในขนตอน การวเคราะหนน จะทำาการกำาหนดเงอนไข ขอบเขต และคาตวแปรตางๆ ใหกบแบบจำาลองการไหลของ อเจคเตอร ซงกำาหนดใหใชอากาศเปนสารทำางานและ คณสมบตทใชเปนกาซอดมคต (Ideal Gas) รวมทงเปน ของไหลแบบอดตวได โดยสมบตของอากาศแสดง ดงตารางท 1 และเงอนไขการคำานวณของ CFD ดงตารางท 2

รปท 5 แบบจำาลองการไหลของอเจคเตอรทใชหวฉด แบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0 มลลเมตร

90


ตารางท 1 สมบตของอากาศสมบตของสาร คา

ความรอนจำาเพาะ, Cp (J/kg-K) 1006.43

คานำาความรอน, k (W/m-K) 0.0242

ความหนด, µ (kg/m-s) 1.7894×10-5

นำาหนกโมเลกล, M (kg/kgmol) 28.966

ตารางท 2 เงอนไขการคำานวณของ CFDเงอนไข รปแบบทเลอกใช

ขอบเขตของทางเขา(Inlet Boundary Condition)

Pressure Inlet

ขอบเขตของทางออก(Outlet Boundary Condition)

Pressure Outlet

ระเบยบขนตอนในการแกไขปญหา (Solver)

Density Base

ระเบยบวธการคำานวณ(Linearization)

Implicit

แบบจำาลองความปนปวน (Turbulence Model)

Realizable k -ε Model

ระเบยบวธการแกปญหาการไหลบรเวณใกลผนง

(Near-wall Treatment Method)

Standard Near Wall Function

2.3 ชดอปกรณทดลองของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบ

เปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด

จากการศกษาและออกแบบอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ซงไดนำาวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) เปนเครองมอชวยในการออกแบบอเจคเตอรสำาหรบการจดสรางชดอปกรณ ทดลองเพอทำาการทดลอง โดยระบบของชดอปกรณ ทดลองดงรปท 6 ประกอบดวยอปกรณหลก 5 อยาง คอ 1. เครองกำาเนดลม (Air Pump) 2. อเจคเตอร (Ejector) 3. ถงพก (Accumulated Tank) 4. อปกรณวดอตราการ ไหลของอากาศ (Flow Meter) และ 5. อปกรณวดความดน (Pressure Gauge)

การทดลองเพอศกษาผลกระทบของสภาวะการทำางาน ทมตอสมรรถนะของอเจคเตอร มขนตอนดงตอไปน

1) กำาหนดความดนทางเขาปฐมภม (Primary Inlet Pressure, Pp) เทากบ 5 bar โดยใชวาลวเปด-ปดควบคม ความดนททางเขาปฐมภม

2) กำาหนดความดนทางเขาทตยภม (Secondary Inlet Pressure, Ps) เทากบ 0.8 และ 0.9 bar โดยการใชวาลวเปด-ปดควบคมความดนททางเขาทตยภม

3) กำาหนดตำาแหนงของลม (NTP) ทใชในการปรบเปลยนพนทหนาตดทคอคอดของหวฉด ทระยะ 0 5 และ 10 มลลเมตร (วดจากระยะหางระหวางตำาแหนงคอคอดของหวฉดกบตำาแหนงของปลายลม)

4) ความดนทปากทางออกของอเจคเตอร (Pb) จะ ควบคมความดนโดยการใชวาลวเปด-ปด

เมอควบคมสภาวะการทำางานของอเจคเตอรใหคงทในสภาวะการทำางานใดๆ แลว จากนนอานคาการไหลของ อากาศจากอปกรณวดอตราการไหลของอากาศ เพอหาอตรา การไหลของอากาศจากทางเขาทตยภม โดยทอตราการไหล จากทางเขาปฐมภมนนสามารถคำานวณหาไดจากสมการท 2 เพอหาอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรทสภาวะการทำางานนนๆ

(2)

โดย คออตราการไหลทางเขาปฐมภมAt คอพนทของคอคอดของหวฉด

รปท 6 ระบบของชดอปกรณทดลองของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด

91


Pp คอความดนททางเขาปฐมภมTp คออณหภมททางเขาปฐมภมR คอคาคงทของแกสk คอดชนไอเซนโทรปกการทดลองเพอศกษาหาคาความดนทผนงของ

อเจคเตอร ทำาไดโดยการควบคมสภาวะการทำางาน ของอเจคเตอรใหคงทในสภาวะการทำางานใดๆ จากนน อานคาความดนทผนงของอเจคเตอรจากอปกรณวด ความดน โดยอเจคเตอรทไดจากการออกแบบม ความยาวรวม 145 มลลเมตร ซงไดเจาะรเพอทำาการวด คาความดนสถตทผนงของอเจคเตอรรวมทงหมด 11 ตำาแหนง ทระยะ 15, 30, 40, 50, 60, 75, 85, 100, 110, 120 และ 135 มลลเมตร

2.4 การเปรยบเทยบผลการจำาลองการไหลกบชดอปกรณ

ทดลองของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลง

พนทหนาตดทคอคอด

ในการศกษาอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลง

รปท 7 Rm ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด (NTP = 0 mm) ทไดจาก CFD กบชดอปกรณทดลอง


พนทหนาตดทคอคอด จะศกษาโดยนำาผลของการ จำาลองการไหลมาเปรยบเทยบกบผลทไดจากชดอปกรณ ทดลอง ซงจะเปรยบเทยบอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) คาความดนวกฤต (CBP) และคาความดนสถต ทผนงของอเจคเตอร (Wall Static Pressure)

3. ผลการวจยจากรปท 7 พบวาเมออเจคเตอรทำางานภายใต

เงอนไขซงมความดนทางเขาปฐมภม (Pp) เทากบ 5 bar ความดนทางเขาทตยภม (Ps) เทากบ 0.8 และ 0.9 bar อตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ทไดจาก CFD จะมคา เทากบ 0.20 และ 0.23 ตามลำาดบ และมคาความดนวกฤต (CBP) ทเทากนคอ 1.8 bar โดยคาทไดจากชดอปกรณ ทดลอง จะมคา Rm เทากบ 0.195 และ 0.225 ตามลำาดบ และมคา CBP ทเทากนคอ 1.2 bar ซงมคาความคลาดเคลอนของ Rm เทากบ 2.5 และ 2.2 เปอรเซนต ตามลำาดบ และคาความคลาดเคลอนของ CBP เทากบ 33.3 เปอรเซนต

92


จากรปท 8 พบวาเมออเจคเตอรทำางานภายใตเงอนไขซงมความดนทางเขาปฐมภม (Pp) เทากบ 5 bar ความดนทางเขาทตยภม (Ps) เทากบ 0.8 และ 0.9 bar อตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ทไดจาก CFD จะมคาเทากบ 0.24 และ 0.26 ตามลำาดบ และมคาความดนวกฤต (CBP) ท 1.6 และ 1.7 bar ตามลำาดบ โดยคาทไดจากชดอปกรณทดลอง จะมคา Rm เทากบ 0.22 และ 0.25 ตามลำาดบ และมคา CBP ท 1.1 และ 1.2 bar ตามลำาดบ ซงมคาความคลาดเคลอนของ Rm เทากบ 8.3 และ 3.8 เปอรเซนต ตามลำาดบ และคาความคลาดเคลอนของ CBP เทากบ 31.3 และ 29.4 เปอรเซนต ตามลำาดบ

จากรปท 9 พบวาเมออเจคเตอรทำางานภายใต เงอนไขซงมความดนทางเขาปฐมภม (Pp) เทากบ 5 bar ความดนทางเขาทตยภม (Ps) เทากบ 0.8 และ 0.9 bar อตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ทไดจาก CFD จะมคาเทากบ 0.39 และ 0.44 ตามลำาดบ และมคาความดนวกฤต


รปท 10 Rm ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลง พนทหนาตดทคอคอดเมอเปลยนตำาแหนง ของลม (NTP) ทไดจาวธการคำานวณพลศาสตร ของไหล (CFD)

(CBP) ทเทากนคอ 1.3 bar โดยคาทไดจากชดอปกรณทดลองจะมคา Rm เทากบ 0.36 และ 0.42 ตามลำาดบ และมคา CBP ทเทากนคอ 1.1 bar ซงมคาความคลาดเคลอน ของ Rm เทากบ 7.7 และ 4.5 เปอรเซนต ตามลำาดบ และคาความคลาดเคลอนของ CBP เทากบ 15.4 เปอรเซนต

จากรปท 10 การศกษาอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ดวยวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) พบวาเมอเปลยนตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0, 5 และ 10 มลลเมตร จะทำาใหอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรเปลยนแปลงตามไปดวย โดยเปนความสมพนธทเกดขนระหวาง การเปลยนตำาแหนงของลมทมตออตราสวนการเหนยวนำา (Rm) และคาความดนวกฤต (CBP)

จากรปท 11 เมอเปรยบเทยบคา Mach Number ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตด ทคอคอด ทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0, 5 และ 10 มลลเมตร ซงมคา Ar เทากบ 3.24, 3.56 และ 5.06

93


(ค) อเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด (NTP = 10 mm)

(ก) อเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด (NTP = 0 mm)

(ข) อเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด (NTP = 5 mm)

รปท 11 แถบสแสดงคา Mach Number ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด เมอเปลยนตำาแหนงของลม (NTP) ทไดจากวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD)

รปท 12 คาความดนสถตของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด (NTP = 0 mm) ทไดจากวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) กบชดอปกรณทดลอง

ตามลำาดบ โดยใชแถบสแสดงคา Mach Number ซงเปนคาความเรวของของไหลในอเจคเตอรเทยบกบความเรวของเสยง พบวาลกษณะลำาพง (Jet-core) หรอลกษณะการไหลทผานออกมาจากหวฉดของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0 มลลเมตร ซงมคา Ar เทากบ 3.24 จะ

มลำาพงทมขนาดกวางและยาวทสดผานออกมาจากหวฉด เนองจากมขนาดพนทของหวฉดมากทสด ซงจะขดขวางการไหลของของไหลจากทางเขาทตยภมทำาใหอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรลดลง แตในทางตรงกนขามจะสงผลดตอคาความดนวกฤต (CBP) โดยจะทำาใหอเจคเตอรมคาความดนวกฤตเพมสงขน

94


จากรปท 12 เปรยบเทยบคาความดนสถต (Static Pressure) ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลง พนทหนาตดทคอคอด ทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0 มลลเมตร ซงมคา Ar เทากบ 3.24 ในระบบอากาศอด โดยอเจคเตอรทำางานภายใตเงอนไขซงมความดนทางเขาปฐมภม (Pp) เทากบ 5 bar ความดนทางเขาทตยภม (Ps) เทากบ 0.8 bar และความดนทปากทางออกของ อเจคเตอร (Pb) เทากบ 1.0 bar คาความดนสถตทผนง ของอเจคเตอร (Wall Static Pressure) ทไดจาก CFD กบชดอปกรณทดลองจะมคาความคลาดเคลอนเฉลย อยท 10.3 เปอรเซนต และทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 5 และ 10 มลลเมตร จะมคาความคลาดเคลอนเฉลย อยท 12.3 และ 9.9 เปอรเซนต ตามลำาดบ

จากรปท 13 หากเปรยบเทยบคาความดนสถต (Static Pressure) ทแกนกลางของการไหล (Centerline) ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0, 5 และ 10 มลลเมตร พบวาขนาดของคลนกระแทก (Shock) ทเกดขน ภายในอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดนนจะมความรนแรงใกลเคยงกน โดยสงเกต

ไดจากความสงของคลนกระแทก (Shock) ทเกดขน ตลอดความยาวของอเจคเตอร ซงการเกดคลนกระแทก (Shock) ภายในอเจคเตอรนน จะเกดขนโดยแบงออก เปนสองชวงคอ ชวงแรกเกดขนทบรเวณปากทางออกของ หวฉดจากการไหลของของไหลทมการไหลแบบอดตวได โดยปรากฏการณดงกลาวเกดขนเนองจากความแตกตาง ของความดนของลำาพงทออกจากหวฉดและความดน รอบขางของลำาพง ซงจะขนอยกบความเรวของการไหล การเปลยนแปลงพนทหนาตดในระหวางการไหล ขนาด ของหวฉด ความดนของของไหลจากทางเขาปฐมภม รวมไปถงความดนของของไหลจากทางเขาทตยภมดวย และชวงทสองเกดขนทบรเวณปากทางเขาของทอ กระจายตว ซงเกดจากความแตกตางของความดน ของของไหลผสมในอเจคเตอร และความดนทปากทาง ออกของอเจคเตอร โดยสามารถสงเกตการเกดคลน กระแทกทงสองชวงไดจากลกษณะการเปลยนแปลง ของความดนสถตทแกนกลางของการไหล ซงหาก การไหลในอเจคเตอรนนเกดคลนกระแทกทรนแรง จะสงผลทำาใหอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ลดลง แตคาความดนวกฤต (CBP) จะเพมสงขน

รปท 13 ความดนสถต (Static Pressure) ของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดท แกนกลางของการไหล เมอเปลยนตำาแหนงของลม (NTP) ทไดจากวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD)

95


4. อภปรายผลและสรปจากการศกษาการไหลของอเจคเตอรทใชหวฉดแบบ

เปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ททำางานโดยใชอากาศอด ไดนำาวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) มาประกอบ เปนเครองมอชวยในการศกษาคณลกษณะตางๆ รวมถงลกษณะการไหลในอเจคเตอร โดยผลทไดจากการจำาลองการไหลในอเจคเตอรจะนำามาเปรยบเทยบกบผลทไดจากชดอปกรณทดลอง พบวาเมอเปลยนตำาแหนงของลม (NTP) จะทำาใหอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรเปลยนแปลงตามไปดวย เนองจากการเปลยนตำาแหนงของลมนน เปรยบเสมอนการเปลยนแปลงคา Area Ratio (Ar) ซงเปนพารามเตอรทมผลตอสมรรถนะของอเจคเตอรเปนอยางมาก เชนทตำาแหนงของลม (NTP) เทากบ 0, 5 และ 10 มลลเมตร จะมคา Ar เทากบ 3.24, 3.56 และ 5.06 ตามลำาดบ โดยหากอเจคเตอรมคา Ar ทสง จะทำาใหอเจคเตอร มอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) สง แตคาความดนวกฤต (CBP) นน จะมคาลดลง

ดงนนจงทำาใหทราบวาสามารถนำาอเจคเตอรทใชหวฉด แบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดมาใชในงานจรงได เพอชวยในการปรบเปลยนอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรแมระบบจะทำางานอยกตาม ซงจะทำา ใหอเจคเตอรนนมความยดหยนตอสภาวะการทำางานเพมมากขน แตทงนหากจะนำาอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดไปประยกตใชกบงานในดานตางๆ กควรจะตองคำานงถงผลกระทบของลมทมตอคาความดนวกฤต (CBP) ของ อเจคเตอรดวย

แมวาอเจคเตอรทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ททำางานโดยใชอากาศอดนน จะสามารถเปลยนแปลงอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ของอเจคเตอรได ดวยการเปลยนแปลงตำาแหนงของลม (NTP) โดยอตราสวนการเหนยวนำา (Rm) ทไดจากวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) กบชดอปกรณทดลองจะมความแตกตางไมมากนก แตคาความดนวกฤต (CBP) นน จะมคาทแตกตางกนมาก ซงอาจเปนผลกระทบของลมทมตอการไหลของของไหลในอเจคเตอร โดยอาจเกดจากการ วางตำาแหนงของลมในชดอปกรณทดลองทไมมความ

แมนยำาพอ รวมไปถงวธการคำานวณพลศาสตรของไหล (CFD) อาจจะวเคราะหผลกระทบทเกดจากลมทมตอ การไหลไดไมดพอ ดงนนจงควรศกษาผลกระทบทเกดขนจากการใชลมในการเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอด ของหวฉดเพมมากยงขน เพอเปนแนวทางในการนำาอเจคเตอร ทใชหวฉดแบบเปลยนแปลงพนทหนาตดทคอคอดไปประยกตใชรวมกบงานในดานตางๆ ตอไป

6. กตตกรรมประกาศขอขอบคณภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะ

วศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยอบลราชธาน ทไดใหการสนบสนนงานวจย

7. เอกสารอางอง[1] K. Chunnanond and S. Aphornratana, “Ejectors:

application in refrigeration technology,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 8, pp. 129-155, 2004.

[2] K. Pianthong, W. Seehanam, M. Behnia, T. Sriveerakul, and S. Aphornratana, “Investigation and improvement of ejector refrigeration system using computational fluid dynamics technique,” Energy Conversion and Management, vol. 48, pp. 2556-2564, 2007.

[3] Z. Aidoun and M. Ouzzane, “The effect of operation conditions on the performance of a supersonic ejector for refrigeration,” International Journal of Refrigeration, vol. 27, pp. 974-984, 2004.

[4] S. Aphornratana, S. Chungpaibulpatana, and P. Srikgirin, “Experimental investigation of an ejector refrigerator: Effect of mixingchamber geometry on system performance,” International Journal of Energy Research, vol. 25, pp. 397-411, 2001.

[5] T. Sriveerakul, S. Aphornratana and K.

96


Chunnanond, “Performance prediction of steam ejector using computational fluid dynamics: Part 1. Validation of the CFD results,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 46, pp. 812-822, 2007a.

[6] T. Sriveerakul, S. Aphornratana, and K. Chun-nanond, “Performance prediction of steam ejector using computational fluid dynamics: Part 2. Flow structure of a steam ejector influenced by operating pressures and geometries,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 46, pp. 823-833, 2007b.

[7] Y. Zhu, W. Cai, C. Wen, and Y. Li, “Numerical investigation of geometry parameters for design of high performance ejectors,” Applied Thermal Engineering, vol. 29, pp. 898-905, 2009.

[8] R. Yapici, H.K. Ersoy, A. Aktoprakoglu, H.S. Halkaci, and O. Yigit, “Experimental determi- nation of the optimum performance of ejector refrigeration system depending on ejector area ratio,” International Journal of Refrigeration, vol. 31, pp. 1183-1189, 2008.

[9] S. Varga, A.C. Oliveira, and B. Diaconu, “Influence of geometrical factors on steam ejector performance - A numerical assessment,” International Journal Of Refrigeration, pp.1-8, 2009.

[10] S. Varga, A.C. Oliveira, X. Ma, S.A. Omer,

W. Zhang, and S.B. Riffat, “Experimental and nu-merical analysis of a variable area ratio steam ejector,” International Journal of Refrigeration, pp. 2-5, 2010.

[11] N. Suvarnakuta, K. Uthaikorn, T. Sriveerakul, and S. Aphornratana, “A study of flow in a ejector eqector equipped with variable throat area of the primary nozzle using CFD simulation,” KKU Engineering Journal, vol. 37, no. 3 pp. 181-190, 2010 (in Thai).

[12] J.H. Keenan and E.P. Neumann, “A simple air ejector,” Transactions of the ASME Journal of Applied Mechanics, vol. 64, pp. 75-81, 1942.

[13] J.H. Keenan, E.P. Neumann and F. Lustwerk, “An investigation of ejector design by analysis and experiment,” Transactions of the ASME Journal of Applied Mechanics, vol. 72, pp. 299-309, 1950.

[14] S. Aphornratana, “Theoretical Study of a Steam-Ejector Refrigerator,” RERIC International Energy Journal, vol. 18, no.1, pp. 61-74, 1996.

[15] S. He, Y. Li, and R.Z. Wang, “Progress of mathematical modeling on ejectors,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, pp. 1760-1780, 2009.

[16] ESDU International Ltd. “Design for steam driven flow,” Ejector and jet pump, Data item 86030, UK, 1985.

Documents

การตรวจสอบสมรรถนะของอีเจ็คเตอร์อากาศอัดที่ใช้หัวฉีด แบบ ... for ThaiScience/Article/62/10025445.pdf ·