A Study of Solar Absorber Shape Effect in the Solar Air Heater
ณัฐดนย พรรณุเจริญวงษ1* รพีพัฒน ลาดศรีทา1 ธนวรรธก คายเพชร2 วิฑูรย โชสิมา2 และ สุชาวดี แสนเพ็งเคน2
1อาจารย2นักศึกษา ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องจักรกลเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน จังหวัดขอนแกน 40000
บทคัดยอ
งานวิจัยชิ้นนี้มีวัตถุประสงคเพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงตัวดูดรังสีในเครื่องทําอากาศรอนพลังงาน แสงอาทิตย ซึ่งไดทําการออกแบบและสรางเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยสําหรับอบแหงผลผลิตทางการ เกษตรที่แตกตางกันจํานวน 2 แบบ คือ แบบสี่เหลี่ยมกระจกชั้นเดียว โดยมีปมหอยโขงเปนตัวดูดอากาศ และทําการ ติดตั้งตัวดูดรังสีเปนวัสดุทําจากแผนเหล็กอาบสังกะสีลอนใหญทาสีดําดาน และแบบที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอน เหลี่ยมทาสีดําดาน เพื่อทําการเปรียบเทียบผลกระทบของรูปทรงตัวดูดรังสีในเครื่องดังกลาว ผลจากการศึกษาพบวาตัว ดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดานมีความเหมาะสมที่สุด โดยมีประสิทธิภาพเชิงความรอนรวม อยูที่ 66% และสามารถทําอุณหภูมิสูงสุดได 96.13 องศาเซลเซียส
Abstract
This purpose of the research was to study of Solar Absorber Shape Effect in the Solar Air Heater. These has designed and constructed the solar air heater for drying agricultural products of two different types. Comparison of First thing, used square type, one glass layer, used centrifugal fans to feed air and installed solar absorber which each made of sinusoidal corrugate galvanized steel sheet coated with dull black paint and each other made of trapezoidal corrugate galvanized steel sheet coated with dull black paint. The results of research showed that the solar absorber which each made of trapezoidal corrugate galvanized steel sheet coated with dull black paint is most suitable. Which has overall thermal efficiency 66% and can generate maximum temperature 96.13 degree of Celsius
คําสําคัญ : พลังงานแสงอาทิตย เครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตย ประสิทธิภาพเชิงความรอนรวม Keywords : Solar energy, Solar air heater, Overall thermal efficiency
*ผูนิพนธประสานงานไปรษณียอิเล็กทรอนิกส [email protected] โทร. 0 4323 5403
1. บทนํา
การอบแหงผลผลิตทางการเกษตร เปนกระบวนการหนึ่งหลังการเก็บเกี่ยวและแปรสภาพ เพื่อเพิ่มคุณภาพ ลดความสูญเสียของผลผลิต การอบแหงเปนเทคโนโลยีที่ไมสลับซับซอนแตเปนเทคโนโลยีที่ตองการพลังงานคอนขางสูง เมื่อกับวิธีการอื่นๆหลังเก็บเกี่ยวและแปรสภาพผลผลิต ซึ่งสามารถแบงพลังงานเปนสองชนิดคือ พลังงานที่ใชทําอากาศ รอน และพลังงานกลที่ใชขับพัดลมก็คือไฟฟา พลังงานความรอนที่ใชไดมาหลายวิธี เชน ไฟฟา น้ํามัน ชีวมวล แสงอาทิตย เปนตน สําหรับประเทศไทย ซึ่งตั้งอยูบนเสนแนวศูนยสูตร และมีการนําเขาน้ํามันเปนจํานวนมาก การใช
พลังงานทางเลือกอยางชีมวล และแสงอาทิตยนับเปนทางเลือกที่นาสนใจ เพราะชวยลดการนําเขาพลังงานได
การอบแหงพลังงานแสงอาทิตยมีมานานแลว และยังคงใชอยูในปจจุบันอยางแพรหลาย เกษตรกรสวนใหญ
จะใชวิธีนําผลผลิตไปตากแดด ซึ่งบางครั้งจะประสบปญหาผลผลิตเปยกชื้น และไมสามารถทําใหแหงไดทันเวลาปญหา ดังกลาวสามารถแกไขไดโดยใชเครื่องอบแหงดวยพลังงานแสงอาทิตย ที่ประกอบดวยไปดวยสองสวนคือ สวนที่เปน ตัวรับรังสีดวงอาทิตย และสวนที่เปนเครื่องอบแหงผลผลิตทางการเกษตร เครื่องอบแหงดวยแสงอาทิตยแบงไดเปน 2 แบบ คือแบบการไหลของอากาศเปนแบบธรรมชาติ จากการศึกษาพบวามีการทําตัวรับรังสีจากแกลบเผาสีดําโรยบน พื้นดินปดคลุมดวยพลาสติกใสดานบน ซึ่งพบปญหาดานการเสื่อมคุณภาพของพลาสติก และมีการเปลี่ยนมาใชกระจก ใส แตก็ยังใหประสิทธิภาพคอนขางต่ําเนื่องจากใชการไหลเวียนของอากาศเปนแบบธรรมชาติ จึงมีการใชพัดลมดูด อากาศเพื่อเปลี่ยนเปนแบบการไหลของอากาศเปนแบบบังคับ เพื่อการอบแหงที่ดีกวา มีการติดตั้งตัวรับรังสีหลายขนาด ตางๆ ที่ทําใหประสิทธิภาพการอบแหงเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังมีการดัดแปลงตัวรับรังสีจากเหล็กหลังคาสังกะสีแบบลูกฟูก แบบลอนใหญ ซึ่งไดผลิตภัณฑอบแหงที่มีคุณภาพดี ทั้งหมดนี้ยังไมมีผูศึกษาถึงตัวรับรังสีที่มีกระจกใสปดที่ดัดแปลงมา จากเหล็กหลังคา
งานวิจัยชิ้นนี้จึงมีวัตถุประสงคเพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงตัวดูดรังสีในเครื่องทําอากาศรอนพลังงาน แสงอาทิตย ซึ่งไดทําการออกแบบและสรางเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยสําหรับอบแหงผลผลิตทางการ เกษตรที่แตกตางกันจํานวน 2 แบบ คือ แบบสี่เหลี่ยมกระจกชั้นเดียว โดยมีปมหอยโขงเปนตัวดูดอากาศ และทําการ ติดตั้งตัวดูดรังสีเปนวัสดุทําจากแผนเหล็กอาบสังกะสีลอนใหญทาสีดําดาน และแบบที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอน เหลี่ยมทาสีดําดาน เพื่อทําการเปรียบเทียบผลกระทบของรูปทรงตัวดูดรังสีในเครื่องดังกลาว
2. วิธีการทดลอง
รูปที่ 1 เครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตย
ทําการสรางตัวรับรังสีที่มีกระจกใสติดอยูดานบน มีตัวรับรังสีซึ่งดัดแปลงจากเหล็กหลังคาสังกะสีดังรูปที่ 1 จากนั้นทําการทดลองดังรูปที่ 2 โดยติดตั้งเทอรโมมิเตอรเขากับเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตย เพื่อ วัดอุณหภูมิภายใน โดยจะติดตั้ง 3.จุด คือ ดานขวา 1.ตัว ดานซาย 1.ตัว และดานหลังอีก 1.ตัว จากนั้นติดตั้ง เทอรโมมิเตอรภายนอกเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยอีก 1 ตัว เพื่อวัดอุณหภูมิของอากาศภายนอกดังรูปที่ 3
รูปที่ 2ขั้นตอนการทดลอง
รูปที่ 3การติดตั้งเทอรโมมิเตอร
ทําการทดลองโดยนําเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยไปไวในที่ที่มีแสงอาทิตยสองถึงไดตลอดวัน ดังรูปที่ 4 โดยใหเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยเอียงทํามุมกับพื้นราบ 12 องศา
รูปที่ 4นําเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยไปไวในที่ที่มีแสงอาทิตยสองถึงไดตลอดวัน
จากนั้นเปดเครื่องดูดอากาศ (Blower) และเริ่มจับเวลา เมื่อถึงชวงเวลา 08.30 น. บันทึกอุณหภูมิภายในหออบ ภายในเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตยและอุณหภูมิภายนอก ทําการเก็บขอมูลตอเนื่องจนถึงเวลา 16.00 น
โดยคาอัตราสวนความเขมรังสีตรงบนพื้นเอียงตอความเขมรังสีตรงบนพื้นราบ RB คํานวณไดจาก
z T
z B
T B
B H
R H
cos cos cos
cos
(1)
เมื่อ
T คือมุมตกกระทบของแสงอาทิตยบนพื้นเอียง (องศา)
z คือมุมตกกระทบของแสงอาทิตยบนพื้นราบ (องศา) โดยที่T sinsincosS sinsincosScos
w S cos cos cos cos
w Scos cos sin
sin
cos
w Ssin sin sin
cos
(2)
z sinsin coscoscosw
(3)
เมื่อ
S คือมุมเอียงระหวางพื้นราบกับพื้นผิวที่พิจารณา = 12º
คือมุมที่เบี่ยงเบนไปของเสนตั้งฉากกับพื้นราบไป จากแนวเหนือใต = 0º
w คือมุมของเวลาที่โลกหมุนไปตอชั่วโมง = 15 (12 ชั่วโมงตอวัน) คา RB ที่ไดมีคาเขาใกล 1 มาก ดังนั้นจะใชคา RB เทากับ 1 ในการคํานวน หาคาการสูญเสียจากดานบนของตัวรับรังสีแบบแผนเรียบที่ไมมีแผนใสปดไดจาก
a p r w
t h h
U , (4)
เมื่อ hw 2.83.0V
) (
)
( 4 4
, Tp Ta
Ts Tp hrp a Ep
(5)
โดยที่
5 .
552 1
.
0 Ta
Ts Cº (6)
หาคาการสูญเสียจากดานลางของตัวรับรังสีแบบแผนเรียบ
L
Ub Ki (7)
หาคาการถายเทความรอนเนื่องจากของไหลจากสมการ
Dh Nu
h ka (8)
เมื่อ
h คือสัมประสิทธิ์การพาความรอน
ka คือคาการนําความรอนของอากาศ = 0.028 w/mºC
Nu คือ Nusselt number
Dh คือ Hydraulic diameter
เปนการไหลแบบ Force convection สําหรับการไหลแบบ Fully developed turbulent ระหวางแผน ราบ 2 แผน ซึ่งแผนหนึ่งใหความรอน และอีกแผนหนึ่งเปนฉนวน
8 .
Re0
0158 .
0 Nu
VX Re
เมื่อ
คือความหนาแนนของของไหล, kg/m3
V คือความเร็วของของไหล, m/s
X คือระยะระหวางผนัง, m
คือ Dynamics viscosity, kg/m-s คํานวณการแผรังสีภายในของตัวรับรังสีไดจาก
1 1
, 1
f p
f i
p r
h T
(9)
ตองสมมติคาT ,p Tf ลงในสมการ (9) แลวแทนคา F ,UL ลงในสมการ
2 2
1
2 1
) )(
(
] 2 [
r r b
r L
r b
h h h U h h U
h h U F h
(10)
] 2 [
] 2
2 2
[
2
1 2
r b
b r b r t t
b t
L U h h
h U h U h U h U U U U
(11)
จากนั้นคํานวนคาคา FR และ ไดจากสมการ
)]
( 1
[ 1
Cp m
F U e A U
A Cp
F m c L
L c
R
(12)
F F FR
(13)
T a i f L R
R G
T T U
F F ( , )
(14)
หาคาการแผรังสี (Emittance), และคาการดูดกลืนรังสี (Absorptance), ไดจากการวัดคาสังกะสีที่
ทาสีดําดาน คิดคา Transmittance absorptance effective กรณีที่มีกระจกปด 1 แผน (มีความไว) 1 วัน
) 1.02
( e (15)
หาคาการสูญเสียทางดานบนไดจาก
c p c p r c
r w r
h Xi h
h ka h U
, 2
,
1 1
1 (16)
หาการสูญเสียจากดานบนของตัวรับรังสีแบบแผนเรียบที่มีแผนใสปด
1
, ,
1 1
a c r w c
p r c p r
h Xi h
h ka
U h (17)
โดยที่
1 1 1
) )(
( 2 2
,
c p
c p c p c
p r
T T T h T
(18)
) (
)
( 2 2
,p c c c s c s
r T T T T
h (19)
V hw 2.83.0
hw 5.73.8V
L Nuk
hpc (20)
5 .
552 1
.
0 a
s T
T
สําหรับ hpcระหวางแผนดูดกลืนรังสีกับกระจกเปนการไหลของอากาศแบบธรรมชาติ (Free convection) ดังนั้นคํานวนหาคา hpc และ Nu ไดจากสมการ
L Nu
hpc Ka (21)
3 /
) 1
(90 0179 . 0 06 .
0 s Gr
Nu
(22)
เมื่อ 2
3
)
(
l
t g Gr
โดยที่
Ka คือ Thermal conductivity ของอากาศ = 0.028 w/mºC
Tc คืออุณหภูมิกระจก, K
Ta คืออุณหภูมิสิ่งแวดลอม, K
Ts คืออุณหภูมิทองฟา, K
Tp คืออุณหภูมิของแผนดูดรังสี, K
S คือมุมเอียงระหวางกระจก, º
L คือระยะหางระหวางแผนดูดกลืนรังสีกับกระจก, m
Nu คือ Nussett number
Gr คือ Grasshof number
จากนั้นนําไปแทนคาหาคา F ,UL ในสมการที่ (10) และ (11) โดยสมมติคาอุณหภูมิกระจกTc, อุณหภูมิ
ของแผนดูดรังสี Tp และอุณหภูมิของไหล Tf เขาไปในสมการ และตรวจผลของ Tc ไดจากสมการ
c p r c p
a p r p
c h h
T T T U
T
,
)
( (23)
แลวนําไปแทนคาหา จากสมการที่ (14) จากนั้นนําคาที่ไดไปเขียนกราฟความสัมพันธ
T a i
G T
T )
(
3. ผลการทดลองและวิจารณผล
เมื่อติดตั้งเทอรโมมิเตอรและทําการบันทึกผลการทดลองตั้งแตเวลา 08.30 น. ถึงเวลา 16.00 น. เปนเวลา 30 วัน ไดผลเฉลี่ยอุณหภูมิภายใน และภายนอกเครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตย ดังตารางที่ 1 และ 2
ตารางที่ 1อุณหภูมิเฉลี่ยเมื่อติดตั้งตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดาน
ชวงเวลาที่ทําการทดสอบ (นาที)
อุณหภูมิ (ºC) ภายนอก Solar
Air Heater
ภายใน Solar Air Heater
08.30 - 09.00 29.2 80.36
09.00 - 09.30 29.5 82.43
09.30 - 10.00 30.0 86.23
10.00 - 10.30 30.4 88.13
10.30 - 11.00 30.7 90.33
11.00 - 11.30 31.2 92.10
11.30 - 12.00 31.5 95.23
12.00 - 12.30 32.1 96.13
12.30 - 13.00 32.0 95.23
13.00 - 13.30 31.9 94.53
13.30 - 14.00 31.5 92.13
14.00 - 14.30 31.1 91.06
14.30 - 15.00 31.0 80.06
15.00 - 15.30 30.5 86.13
15.30 - 16.00 29.5 82.73
ตารางที่ 2อุณหภูมิเฉลี่ยเมื่อติดตั้งตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอนลอนใหญทาสีดําดาน
ชวงเวลาที่ทําการทดสอบ (นาที)
อุณหภูมิ (ºC) ภายนอก Solar
Air Heater
ภายใน Solar Air Heater
08.30 - 09.00 30.1 72.43
09.00 - 09.30 30.3 74.46
09.30 - 10.00 30.5 78.13
10.00 - 10.30 30.7 80.13
10.30 - 11.00 31.2 82.23
11.00 - 11.30 31.4 84.06
11.30 - 12.00 31.8 86.73
12.00 - 12.30 32.4 88.03
12.30 - 13.00 32.3 87.13
13.00 - 13.30 31.8 86.53
13.30 - 14.00 31.7 84.13
14.00 - 14.30 31.5 83.06
14.30 - 15.00 31.4 82.13
15.00 - 15.30 30.8 88.13
15.30 - 16.00 29.8 84.73
และประสิทธิภาพของตัวดูดรังสีระหวางแบบที่ทําจากแผนเหล็กอาบสังกะสีลอนใหญทาสีดําดาน และแบบที่ทํา จากแผนเหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดานจะแสดงอยูในรูปของกราฟความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพเชิงความ รอน และ
T a i
G T
T )
(
ดังรูปที่ 5
รูปที่ 5เปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวดูดรังสีทั้ง 2 แบบ
จากรูปที่ 2 เปนการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กอาบสังกะสีลอนใหญทาสีดํา ดานที่มีพื้นที่ในการรับรังสี 18.8 m2และแบบที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดาน ที่มีพื้นที่ในการรับรังสี
17.8 m2 ทั้งสองแบบวัดอัตราการไหลของอากาศได 0.2 kg/s ผลการทดลองพบวาตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็ก สังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดานมีประสิทธิภาพสูงกวาแบบที่ทําจากแผนเหล็กอาบสังกะสีลอนใหญทาสีดําดาน และยัง พบวาตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดานสามารถทําอุณหภูมิสูงสุดได 96.13 องศาเซลเซียส มากกวาตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กอาบสังกะสีลอนใหญทาสีดําดานที่สามารถทําอุณหภูมิสูงสุดไดเพียง 88.03 องศา เซลเซียส
4. สรุป
ตัวดูดรังสีที่ทําจากแผนเหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมทาสีดําดานมีความเหมาะสมที่สุด โดยมีประสิทธิภาพเชิง ความรอนรวมอยูที่ 66% และสามารถทําอุณหภูมิสูงสุดได 96.13 องศาเซลเซียส เนื่องจากรังสีของดวงอาทิตยกระทบ และดูดกลืนรังสีที่เหล็กสังกะสีลอนเหลี่ยมไดดีกวาลอนใหญ จากผลที่ไดหากนําครื่องทําอากาศรอนพลังงานแสงอาทิตย
ไปอบแหงผลผลิตทางการเกษตรจะทําใหการอบแหงเปนไปอยางมีประสิทธิภาพ
5. กิตติกรรมประกาศ
คณะผูวิจัยขอขอบคุณ สาขาวิศวกรรมเครื่องจักรกลเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี
ราชมงคลอีสาน วิทยาเขตขอนแกน
6. เอกสารอางอิง
Excell R.H.B., S. Kornsakoo, and S. Thiratrakoolchai. 1979.A Low Cost Solar Rice Dryer for Farmers in Aouth-East Asia. Agricultural Mechanization in Asiz, Autumn.
สุวัฒน ไทยนะ. 2522.ตูอบแหงดวยแสงอาทิตย. วิทนยานิพนธวิศวกรรมศาสตรมหาณฑิต. มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี
พระจอมเกลาธนบุรี
พจนา วงศศิริ. 2529. การอบแหงผลิตภัณฑอาหารดวยตูอบแหงพลังงานแสงอาทิตย. วิทนยานิพนธวิศวกรรม ศาสตรมหาณฑิต. มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี
Mc Gill University, Brace Institute. 1975.A Solar Agricultural Dryers. Technical report.
Calderwood, D.L. 1982.Solar Assisted Rice Drying in a Continuous Flow Dryer. ASAB. St. Joseph.
Miami.
ศิริจันทร ทองประเสริฐ. 2528. การศึกษาความเหมาะสมทางดานเศรษฐศาสตรของเครื่องอบแหงขาวพลังงาน แสงอาทิตย. รายงานสํานักงานพลังงานแหงชาติ. จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย.
S. Soponronnarit and J. Tiansuwan. 1984.Low Cost Solar Air Heater: Application to paddy drying.
Regional seminar on simulation and design in solar energy application. King Mokut’s University of Technology Thonburi.
S. Soponronnarit and et al. 1986.A Drying-Storage Solar Hut: The Technical Aspects. Renewable energy review journal: Vol. 8. No. 1. June.
