วารสารสมาคมเคร่ื องทําความเย็ นไทยKeep Kool ฉบับท่ี 12 เดือน มิถนุายน 2547 6

⌫

(Centrifugal Pumps in Liquid Recirculation Refrigeration System)

โดย คุณคงศักดิ์ ชินนาบุญบมจ.พัฒนกล

ระบบทาํความเยน็แบบ Liquid Recirculation ซึ่งนิยมใช ในระบบทําความเย็นขนาดใหญ มีประสิทธิภาพและความซับซอนมากกวาแบบ Direct Expansion อุปกรณพ้ืนฐานในระบบทาํความเย็นแบบ Liquid Recirculation (หรือเรียกอีกช่ือหนึ่งวาแบบ Liquid Overfeed) ดังแสดงใน รูปท่ี 1 คาํวา“Overfeed” หมายความวา น้าํยาเหลว (Liquid) จะถูก Feedเขาอีวาโปเรเตอรเปนปริมาณมาก มากเกินกวาปริมาณท่ีLiquid จะระเหยกลายเปนไอ ดังนั้น อีวาโปเรเตอรแบบ LiquidOverfeed จะมีพ้ืนท่ีผิวภายในคอลยเปยกตลอด ทําใหมีการถายเทความรอนดีท่ีสุด

ระบบ Overfeed ยังทําใหมั่นใจไดดวยวา ไอสารทําความเย็ นท่ี ออกจากคอล ยจะเปนไออิ่ มตั ว (ไม เปนSuperheated) ทําใหมีอุณหภูมิกอนเข าคอมเพรสเซอรต่ํากวาแบบ Direct Expansion บทความนี้จะเนนไปท่ีการติดตั้งและการทํางานของปมเซนตริฟูกอลในระบบทําความเย็นแบบ Liquid Recirculation

ขอดีของระบบ Liquid Recirculation เมื่อเปรียบเทียบกับระบบ Direct Expansion จะกลาวสรุปอยูในกรอบหัวขอเรื่อง “ขอดีของระบบ Overfeed”

รูปท่ี 1: Basic elements of an overfeed system.

Low-Pressure Receiver หรื อเรี ยกอี กช่ื อหนึ่ งว าAccumulator ทําหน าท่ี บรรจุ สารทําความเย็ นเหลวอิ่ มตั วการใชปมเพ่ือใหสารทําความเย็นเหลวอิ่มตัวเคล่ือนท่ีจาก Low-Pressure Receiver ไปยั งอี วาโปเรเตอร เป นงานท่ี ยุ งยากพอสมควรแมวาขนาดของ Low-Pressure Receiver และปมจะถูกเลือกขนาดเอาไวไดอยางถูกตองแลวก็ตาม แตการทํางานระหวางสองส่ิงนี้ อาจจะมีปญหาได ถามีการติดตั้ งไมถูกตองการมีความรู พ้ืนฐานเกี่ยวกับการออกแบบและการทํางานจะมีประโยชนชวยใหการปฏิบัตงิานราบรืน่เปนท่ีนาพอใจ

Overfeed และ Recirculation RatesOverfeed Rate คือ อัตราสวนของอัตราการไหลโดย

มวลของ Liquid ท่ีออกจากอีวาโปเรเตอร ตออัตราการไหลโดยมวลของไอ (Vapor) ท่ีออกจากอีวาโปเรเตอร Recirculation Rate(โปรดอยาสับสนกับ Overfeed Rate) คือ อัตราสวนของอัตราการไหลโดยมวลของ Liquid ท่ีเขาอีวาโปเรเตอรตออัตราการไหลโดยมวลของไอที่ออกจากอีวาโปเรเตอร

7วารสารสมาคมเคร่ื องทําความเย็ นไทยKeep Kool ฉบบัท่ี 12 เดอืน มิถนุายน 2547

ขอดีของระบบ Overfeedบทความดานลางนีจ้ะกลาวเปรยีบเทียบโดยสรปุ

ระหวางระบบ Liquid Overfeed กับระบบ DirectExpansion สําหรับสารทําความเย็นแอมโมเนียและR-22

ระบบ Liquid Overfeed นิยมใชกับสารทําความเย็นแอมโมเนียมากกวา R-22 เหตุผลหนึ่ง คือความแตกตางของอัตราการไหลที่ตางกันมากของสารทําความเย็นท้ังสองชนิด ตัวอยางเชน ระบบทําความเยน็ขนาด 100 ตนั (350 kW) ท่ีอณุหภูมอิวีาโปเร เตอร-18oC ตองการอัตราการไหลของแอมโมเนียเหลวอิ่ มตั ว 16 kg/min (0.4 L/s) เปรียบเทียบกับระบบ ท่ีใช R-22 ตองการอัตราการไหล 96 kg/min(1.2 L/s) ดังนั้นถาใชแอมโมเนียกับระบบ DX จะมีปญหาเกี่ยวกับการแบงกระจายแอมโมเนียท่ีมีอัตราการไหลนอยมากของแตละ DX Cooling Units ซึง่จะ ทําใหOrifice มีขนาดเล็กตามไปดวย ดังนั้นระบบ LiquidReci rculation จึ งช วยแก ไขป ญหานี้ สําหรั บสารแอมโมเนียได ซึ่งทําไดโดยการเพิ่มอัตราการไหลของสารทําความเย็น อยางไรก็ตามถึงแมวาจะไมคํานึงถึงชนิดของสารทาํความเย็น ระบบ Liquid Overfeed ก็ยังสามารถลดพลังงานท่ี ใชในระบบโดยรวมไดอยางมีนัยสําคัญ

พิจารณาระบบทาํความเย็น R-22 ขนาด100 ตัน (350 kW) ท่ีมี Recirculation Rate 3:1 จะตองใชปมขนาด 10 hp (7.5 kW) ท่ีอัตราการไหล0.4 L/s และ System Head 150 kPa (สําหรับระบบแอมโมเนียซึ่งตองการอัตราการไหล 1.2 L/s ใชปมเพียงแค 3 hp (2.2kW) เทานั้น) ขนาดแรงมาของปมท่ีใหญกวาแสดงวาจะมี Operating Cost สูงกวา

สมรรถนะของอีวาโปเรเตอรขึ้นอยูกับปจจัย 2อยาง คือ 1. ความแตกตางของอุณหภูมิระหวางสารทําความเย็นภายในคอลยกับอากาศ (หรือของเหลวชนิดอื่น) ท่ีอยูดานนอกคอลย และ 2. อัตราการถายเทความรอน ในระบบ DX ความแตกตางของอุณหภูมิในส วนนี้ จะลดลง เนื่ องจากสารทําความเย็นจะมีSuperheated และอัตราการถายเทความรอนลดลงเนือ่งจากสารทาํความเยน็เดอืดกลายเปนไอภายในคอลยมีผูผลิตอีวาโปเรเตอรบางรายไดแสดงขนาด Capacityของคอลยท่ีใชกับระบบ DX จะมีคาลดลง 10-20%เมื่อเปรียบเทียบกับระบบ Overfeed

โดยท่ัวไปอวีาโปเรเตอรขนาดใหญมกัจะตองการแรงมาพัดลมสูงกวาอีวาโปเรเตอรขนาดเล็ก แรงมาท่ีเพ่ิมขึ้นทําใหระบบตองเพ่ิม Capacity ในการทําความเย็นใหมากขึ้น ตัวอยางเชน ระบบ DX ขนาด 100 ตัน(350 kW) อาจจะตองการอีวาโปเรเตอรท่ีมีแรงมาพัดลมรวม 45 hp (34 kW) ในขณะที่ระบบ Overfeedตองการพื้นท่ีคอลยนอยกวาและใชแรงมาพัดลมรวม แค30 hp (22 kW) (เพราะวาระบบ Overfeed มีการถายเทความรอนดีกวาระบบ DX) แรงมาพัดลมท่ีเพ่ิมขึ้นมา 15 hp (11 kW) ภายในหองเย็นสําหรับระบบ DXจะเท ากับการทําความเย็นประมาณ 3 ตัน ท่ี เพ่ิ มขึ้ นมาอีกดวย ดังนั้ นนอกเหนือจากตนทุนทางดานอุปกรณ ซึ่งก็คือ อีวาโปเรเตอรและขนาดของมอเตอรพัดลมท่ีมีขนาดใหญขึ้ นแลว ตนทุนในระหวางการทํางานก็เพ่ิมขึ้นดวย เนื่องจากตองใชขนาดมอเตอรพัดลมท่ีใหญขึ้นนัน่เอง

ilm ,

elm ,

evm ,

ilm , EvaporatorEvaporatorEvaporatorEvaporatorEvaporator

= liquid mass flow rate inlet = liquid mass flow rate exit = vapor mass flow rate exit

elm ,

evm ,

ev

el

mm

,

,Overfeed rate =

ev

il

mm

,

,Recirculation rate =

ev

el

mm

,

,Overfeed rate = ev

el

mm

,

,Overfeed rate =

ev

il

mm

,

,Recirculation rate = ev

il

mm

,

,Recirculation rate =

ถา Liquid ท่ีเขาอวีาโปเรเตอรระเหยกลายเปนไอ หมดOverfeed Rate จะเทากับศูนย และ Recirculation Rateจะเทากับหนึ่ง คาของ Overfeed และ Recirculation Rateจะขึ้นอยูกับลักษณะของระบบ ดังแสดงในตารางที่ 1 และ 2

2 : 13 : 14 : 16 : 1

Up to 20 : 1

- 12oC ถึง 2oC- 23oC ถึง -12oC- 37oC ถึง -23oC

-45oC ถึง -37oC (Blast Freezer)-45oC (Plate Freezer)

Overfeed RateEvaporator Temperature

2 : 13 : 14 : 16 : 1

Up to 20 : 1

- 12oC ถึง 2oC- 23oC ถึง -12oC- 37oC ถึง -23oC

-45oC ถึง -37oC (Blast Freezer)-45oC (Plate Freezer)

Overfeed RateEvaporator Temperature ตารางที่ 1 : Overfeed Rates

วารสารสมาคมเคร่ื องทําความเย็ นไทยKeep Kool ฉบับท่ี 12 เดือน มิถนุายน 2547 8

6-72-43

Ammonia (Top-Feed Evaporator)Ammonia (Bottom-Feed Evaporator)

R-22-Upfeed

Recirculation RateSystem Type

6-72-43

Ammonia (Top-Feed Evaporator)Ammonia (Bottom-Feed Evaporator)

R-22-Upfeed

Recirculation RateSystem Typeตารางที่ 2 : Recirculation Rates

ชนิดของปมเซนตริฟูกอลมีอยู 2 ชนิดคือแบบ Open และ Hermetic แบบ

Hermetic Centrifugal Pump สารทําความเย็นเหลวจะไหลเวยีนผานสวนท่ีเกดิการหมนุของมอเตอรเพ่ือไปหลอล่ืนแบริง่และระบายความรอนออก โดยจะมีผนังกั้นบางๆ ระหวางRotor กับ Stator Winding เนือ่งจากแบริ่งตองอาศัยสารทําความเย็นในการหลอเย็น ดังนั้นปมแบบนี้จึงไมสามารถท่ีจะทํางานแบบ Dry Run ได ถาไมไดมีการกาํหนดอัตราการไหลท่ี นอยท่ี สุดสําหรับป มเอาไว ความรอนจากมอเตอรอาจจะทําใหสารทําความเย็นท่ีอยู ภายในป มระเหยกลายเปนไอ ซึ่งอาจจะทาํใหปมทํางานแบบ Dry Runได อย างไรก็ ตามถ ามี การติ ดตั้ งท่ี ถู กต องแล วป มเซนตริฟูกอลแบบ Hermetic จะ ทํางานไดอยางไววางใจไดและไมเกิดการรั่วซึม

การเลือกขนาดของปมไมวาจะตัดสินใจเลือกปมแบบ Hermetic หรือ

Open ขนาดของป มจะต องถู กเลื อกให เหมาะสมกับงานเฉพาะนั้นๆ ไดแก อัตราการไหลและ head ของระบบ (ความหมายของ คําวา head จะกลาวโดยสรุปอยูในกรอบหัวขอเรื่อง “นิยาม คาํวา head” ในฉบับหนา)

รูปที่ 2: Total head increases with flow.

เสนประ (System Curve) ในรูปท่ี 2 แสดงถึง TotalHead ของระบบทําความเย็นท่ัวไปท่ีจะเพิ่มขึ้น เมื่ออัตราการไหลเพิ่มขึ้น เสนเขม (Pump Curve) ในรูปท่ี 2 แสดงถึงอัตราการไหลของ Liquid ของปมเซนตริฟูกอลท่ัวไป วาจะมีอัตราการไหลเท าใดท่ี ความตานทานการไหลของระบบเฉพาะนั้นๆ จุดตัดของ Pump Curve และ System Curveคือจุดทํางานของระบบ ในทางอุดมคติจุดทํางานนี้จะตรงกันกับอัตราการไหลของสารทําความเย็นท่ีเหมาะสมกับภาระของกระบวนการ (Process Loads) และจุดทํางานของปมอยูในตําแหนงท่ีมีประสิทธิภาพสูงท่ีสุด หรือใกลเคียงใหไดมากท่ีสุด

ถาปมไดถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเจาะจงสําหรับงานใดงานหนึ่งแลว ก็จะเปนการงายท่ีจุดทํางานนั้นจะอยูในตําแหนงท่ีมีประสิทธิภาพสูงสุด แตในความเปนจริงแลวเราจะไมสามารถคํานวณหา System Curve ไดอยางถูกตองแมนยํามากนัก และแมวา System Curve จะสามารถหาไดอยางถูกตองแลวก็ตาม ก็ยังมีคาอัตราการไหลที่หมุนเวียนในระบบที่ สามารถเปล่ียนแปลงไปได สารทําความเย็นท่ีปอนเขาอีวาโปเรเตอรจะสามารถกําหนด และปรับแตงคาให เหมาะสมกับภาระการทําความเย็น โดยวาลวท่ีติดตั้ งอยู ในตําแหนงกอนเขาอีวาโปเรเตอร ดังแสดงในรูปท่ี 1เนื่องจากเหตุผลของการปรับอัตราการไหลไดหลากหลายนี้จึงทําใหจุดทํางานของระบบมีคาหลากหลายตามไปดวย

ถึงแมวาในการออกแบบจะสามารถกําหนดอัตราการไหลในระบบไดอย างแนนอน แตก็ ไม ไดผลจริงท่ี จะออกแบบ ปมใหเหมาะสมกับงานติดตั้งใหมๆ ในแตละงานแมวาจะมีการปรับความเร็วรอบของมอเตอร เพ่ือปรับ เปล่ียนPump Curve แตมันก็มีขอจํากัดอันเนื่ องมาจากลักษณะทางกายภาพของใบพั ดป ม และการใช อุปกรณควบคุมความเร็วมอเตอรก็ยังยุงยากและมีราคาแพงอีกดวย

เพราะวาเราไมสามารถท่ีจะปรับลักษณะของ PumpCurve ให เหมาะสมกั บระบบเฉพาะเจาะจงหนึ่ งๆ ไดจึ งเป นเรื่ องปกติ มากท่ี ผู ออกแบบจะเลื อกจุ ดทํางานบนปมแบบความเร็วรอบคงที่ ปมเหลานี้จะมีประสิทธิภาพการทํางานสู งตลอดช วงการทํางานในทุกอั ตราการไหลผูออกแบบจึงเลือกขนาดของปมใหมีอัตราการไหลภายในระบบสูงสุดท่ี Total Head มากท่ีสุด ปริมาณการไหลสวนเกนิจากความตองการของภาระของกระบวนการจะถูก สงกลับLow- Pressure Receiver ผ านท อ Bypass ดั งนั้ นจึงเปนธรรมดาถาปมท่ีถูกเลือกมีขนาดใหญเกินไปปริมาณการไหลกลับผ านท อ Bypass ก็ คื อ การสูญเสี ยของพลังงานนั่นเอง

(อานตอฉบับหนา)