ฮีตปั๊มเพื่อเก็บเมล็ดพันธ์ข้าว

ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม การพัฒนาทางเศรษฐกิจควรมีพื้นฐานมาจากการเกษตร การตั้งเป้าหมายที่จะเป็นครัวโลกก็เป็นแนวทางหนึ่งในการพัฒนาเพื่อการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจของประเทศ การที่จะบรรลุเป้าหมายนี้ต้องมีปัจจัยหลายด้าน ทั้งด้านนโยบาย งบประมาณ และแนวทางการปฏิบัติเพื่อการผลักดัน พื้นฐานที่สำคัญคือการผลิตวัตถุดิบ การเก็บวัตถุดิบ ซึ่งอย่างน้อยที่สุดก็สามารถเลี้ยงตัวเองตามหลักเศรษฐกิจพอเพียงได้ การปรับปรุงเทคโนโลยีที่เหมาะสมสำหรับส่งเสริมในการผลิตที่มีคุณภาพ และลดต้นทุนเพื่อความสามารถในการแข่งขันจึงเป็นสิ่งสำคัญ

ข้าวเป็นอาหารหลักของชาวโลกที่มีการบริโภคสูงที่สุด ประเทศไทยเป็นผู้ส่งออกรายใหญ่ระดับต้นๆของโลก รายได้จากการค้าข้าวจึงเป็นส่วนสำคัญต่อเศรษฐกิจของประเทศ แต่ชาวนายังคงขายข้าวเปลือกได้ราคาต่ำเนื่องจากปัญหาด้านความชื้น การอบแห้งมีความสำคัญต่องานการเกษตรและการผลิตอาหาร และเป็นขั้นตอนสำคัญเพื่อการเก็บเมล็ดพันธุ์

เตาอบฮีทปั๊มเป็นเตาอบที่มีประสิทธิภาพและให้ผลผลิตที่มีคุณภาพสูง การพัฒนาเตาอบฮีทปั๊มขนาดเล็กสำหรับอบพันธุ์ข้าวเพื่อเก็บไว้เพาะปลูกในปีต่อไปจะช่วยลดค่าใช้จ่ายของชาวนา ช่วยรักษา และคัดพันธุ์ข้าวในท้องถิ่น เป็นการสร้างคุณภาพและความแตกต่างเพื่อความอยู่รอด ซึ่งในอนาคตจะกลายเป็นปัจจัยสำหรับการแข่งขัน และในขณะเดียวกันก็เป็นการส่งเสริมให้การใช้เตาอบฮีทปั๊มแพร่หลายมากยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อผู้ใช้ เศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม(จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการใช้พลังงานในการอบแห้ง)

รูปที่ 1.ต้นข้าวและส่วนประกอบของข้าวเปลือก

เมล็ดพันธุ์ข้าว (rough rice, paddy rice)

กรมการข้าวพัฒนาพันธุ์ข้าวนับ 100ชนิด ทั้งข้าวเจ้าและข้าวเหนียว มีทั้งพันธุ์ที่ปลูกเฉพาะนาปีและปลูุกได้ตลอดปี

ในระยะที่ออกพันธุ์ข้าว ชาวนาที่นำเอาพันธุ์ข้าวเหล่านั้นไปใช้ต้องแก้ปัญหาเฉพาะหน้า พันธุ์ที่ออกแนะนำแล้วบางพันธุ์ชาวนายังคงนิยมปลูกอยู่ แต่บางพันธุ์มีข้อด้อยชาวนาจึงเลิกปลูก งานปรับปรุงพันธุ์ต้องดำเนินการอย่างต่อเนื่องแม้จะได้พันธุ์ข้าวส่วนใหญ่ที่ให้ผลผลิตสูง ทนทานต่อสภาพแวดล้อม มีความต้านทานต่อโรคและแมลงที่สำคัญ มีคุณภาพการหุงต้มตามความต้องการของผู้บริโภค การปรับปรุงหาพันธุ์ที่มีคุณภาพดีตามความต้องการของตลาดโลก และมีศักยภาพในการแข่งขันกับตลาดโลกยังมีความสำคัญ

เมล็ดพันธุ์ข้าวเป็นวัตถุดิบที่ชาวนาต้องจัดหา ราคาเมล็ดพันธุ์ประมาณ 50บาท/กก. ขายข้าวเปลือกได้ประมาณ 14บาท/กก.(14000บาท/ตัน) ถ้าเกษตรกรคัดเมล็ดพันธุ์เก็บไว้ใช้เองในฤดูกาลต่อไปจะมีส่วนต่างของราคาถึง 36บาท/กก. ส่วนต่างนี้จะลดลงเนื่องจากมีค่าใช้จ่ายในการเก็บเมล็ดพันธ์ แต่ก็ยังช่วยลดค่าเมล็ดพันธ์และเป็นการรักษาพันธุ์ข้าวที่ใช้ในการเพาะปลูกซึ่งได้ปลูกได้ผลมาแล้ว เข้ากับสภาพแวดล้อมได้แล้วไม่ต้องทดลองใหม่บ่อยๆ การส่งเสริมการเก็บเมล็ดพันธุ์ข้าวที่ดีจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสม

ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศมีผลต่อคุณภาพเมล็ดพันธุ์ ความชื้นสูงจะทำให้เกิดเชื้อราและทำให้แมลงสามารถเจริญเติบโตได้ ความชื้นสัมพัทธ์ 65% เป็นความชื้นสูงสุดที่ยอมให้เกิดในที่เก็บได้ ถึงแม้ภาชนะเก็บเมล็ดพันธุ์ข้าวจะไม่มีอากาศถ่ายเทจากภายนอก ความชื้นของเมล็ดข้าวจะถ่ายเทให้กับอากาศทำให้ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศภายในภาชนะที่เก็บสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องอบแห้งเมล็ดข้าวก่อนที่จะเก็บ

ยุ้งข้าว

ยุ้งข้าวในชนบทตามรูปที่ 2.เป็นส่วนหนึ่งของโรงเรือนกั้นผนังและเพดานด้วยวัสดุที่หาได้ ซึ่งมักจะเป็นไม้เพื่อใช้ในการเก็บข้าวเปลือกเมล็ดพันธุ์ มักจะมีรอยรั่วจึงมีสภาวะอากาศภายในยุ้งตามสภาวะอากาศภายนอกที่เปลี่ยนแปลง ทั้งอุณหภูมิ และความชื้น จึงอาจเกิดเชื้อราและไม่สามารถป้องกันแมลงและหนูทำให้เกิดความเสียหายกับเมล็ดพันธุ์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

รูปที่ 2.ยุ้งเก่าเป็นโรงเรือนกั้นห้องเพื่อเก็บข้าว

ยุ้งข้าวควรยกพื้นและอยู่ใต้หลังคาเพื่อป้องกันความชื้นและอุณหภูมิจากแสงอาทิตย์ ภายในทั้งหมดบุด้วยวัสดุป้องกันความชื้น ที่ง่ายที่สุดคือแผ่นเหล็กเพื่อความแข็งแรงและยาแนวรอยต่อและผนังพื้นเหดานด้านนอกด้วยกาวที่มีความยืดหยุ่นเพื่อป้องกันความชื้นและการกลั่นตัวที่จะทำให้แผ่นเหล็กผุเสียหาย ประตูก็ต้องอุดขอบเพื่อป้องกันการรั่วของอากาศทุกครั้งที่เปิด ยุ้งข้าวนี้จะไม่มีผลกระทบต่อสภาวะการเปลี่ยนแปลงของอากาศที่ชื้นมากในฤดูฝน และป้องกันแมลง หนูไม่ให้เข้าไปทำลายข้าว

โดยทั่วไปความชื้นในเมล็ดข้าวไม่ควรเกิน 12% ทั้งนี้ขึ้นกับอยู่ระยะเวลาที่ต้องการเก็บรักษา มีเอกสารอ้างอิงแนะนำความชื้นของกิจกรรมและระยะเวลาการเก็บข้าวเปลือกไว้ดังนี้

– ควรเก็บเกี่ยวข้าวที่มีความชื้นไม่เกิน 24-26% wb.

– อบแห้งหลังจากเก็บเกี่ยว ถ้าเก็บไว้ไม่เกินสองสัปดาห์ ดวรมีความชื้นประมาณ 18%

– อบแห้งเพื่อไปสีข้าว ดวรมีความชื้นไม่เกิน 14% เพื่อให้ได้น้ำหนักและการสีไม่เสียน้ำหนัก

– อบแห้งเพื่อเก็บ 8-12เดือน ดวรมีความชื้นไม่เกิน 13%

– อบแห้งเพื่อเก็บ 1ปีขึ้นไป ดวรมีความชื้นไม่เกิน 9%

ความชื้นสมดุล(EMC, Equilibrium Moisture Content)

ความชื้นสมดุลคือปริมาณความชื้นของวัตถุดิบที่สมดุลกับสภาวะอากาศแวดล้อม วัตถุดิบจะไม่ดูดหรือคายความชื้นสู่อากาศ ภาวะสมดุลขึ้นอยู่กับธรรมชาติของวัตถุดิบ จากความชื้นวัตถุดิบที่ต้องการสามารถใช้ตารางที่ 1.ความชื้นสมดุลเพื่อควบคุมอุณหภูมิและความชื้นของอากาศในที่เก็บของวัตถุดิบ วัตถุดิบจะคายหรือดูดความชื้นในจากอากาศแวดล้อม สุดท้ายจะมีความชื้นตามต้องการ แต่ส่วนจะใช้เวลานานมาก จึงนิยมใช้สำหรับการปรับความชื้นในที่เก็บเท่านั้น

ตารางที่ 1. ความชื้นสมดุลของข้าวเปลือกที่อุณหภูมิเตาอบแห้งและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศภายในเตา

การอบแห้ง

การอบแห้งมีหลายวิธี ในที่นี้จะอธิบายเฉพาะการอบแห้งทีใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสมสำหรับเกษตรกร กลุ่มเกษตรกรและวิสาหกิจขนาดย่อมได้แก่ การตาก และเตาอบลมร้อน การอบแห้งที่นิยมคือการตากข้าวเปลือกบนลานคอนกรีตเนื่องจากไม่เสียค่าพลังงาน แต่ต้องใช้แรงงานเพื่อคลุกและกระจายกองตากแดด ข้อเสียคือควบคุมอุณหภูมิของเมล็ดที่ตากได้ยาก ถ้าร้อนเกินไปอาจทำให้เปอร์เซนต์การงอกลดลง ข้อแนะนำในการตากมีดังต่อไปนี้

– เกลี่ยความหนากองประมาณ 5ซม.

– ใช้ผ้าใบคลุมหรือเก็บเมื่อมีฝนตก

– คลุกทุกๆครึ่งชั่วโมงเป็นอย่างน้อยเพื่อไม่ให้อุณหภูมิผิวบนกองสูงเกินไปและให้อุณหภูมิเฉลี่ยเท่ากัน

– ควรตรวจวัดอุณหภูมิของเมล็ดข้าวเปลือก

– คลุมกองเมื่ออุณหภูมิเกิน 50 ซ.(อุณหภูมิในเมล็ด 42 ซ.)

การอบแห้งระหว่างการเก็บ นิยมใช้สำหรับข้าวเปลือกที่มีความชื้นเริ่มต้น <18% สามารถอบให้แห้งทีละน้อยได้ในที่เก็บโดยให้ความร้อนอากาศเพื่อให้อุณหภูมิสูงกว่าบรรยากาศ 3 - 6 ซ.ใช้ได้ทั้งในพื้นที่นาและในระดับการค้าขึ้นกับขนาดของโครงสร้างยุ้งเก็บ ข้อดีคือการอบแห้งมีคุณภาพ ใช้พลังงานน้อย และใช้เป็นการเก็บได้ด้วย ข้อเสียคือใช้เวลาการอบแห้งมากหลายวันหรือเป็นสัปดาห์ และเป็นการอบแห้งต่อจากการอบแห้งครั้งแรกเพราะความชื้นเริ่มต้นต่ำ

เตาอบลมร้อน ใช้ความร้อนจากแหล่งความร้อนทำให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้นแล้วจึงอากาศร้อนเข้าเตาอบเพื่อให้ความร้อนกับวัสดุ น้ำในวัสดุกลายเป็นไอและถูกอากาศพาไอน้ำออกไปทิ้งภายนอกตามรูปที่ 3. ความชื้นของข้าวเปลือก อุณหภูมิของเมล็ด อุณหภูมิอากาศร้อนและระยะเวลาที่ใช้อบมีความสัมพันธ์กันตามรูปที่ 4.ในช่วงเริ่มต้น(I)ความร้อนทำให้อุณหภูมิข้าวเปลือกสูงขึ้น เป็นช่วงที่ความชื้นของข้าวเปลือกเปลี่ยนแปลงน้อบมาก ช่วงต่อมา(II)ความร้อนจากอากาศถูกใช้ในการระเหยน้ำออกจากข้าวเปลือกทำให้อัตราการระเหยคงที่และอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง และระยะสุดท้าย(III)ความชื้นจากภายในเริ่มลดลงทำให้การระเหยลดลง ความร้อนที่ใช้ระเหยลดลงจึงทำให้อุณหภูมิข้าวเปลือกสูงขึ้น ความชื้นของข้าวเปลือกลดในอัตราที่ลสลงจนท้ายเท่ากับความชื้นสมดุล

รูปที่ 3.การทำงานของเตาอบอากาศร้อน

รูปที่ 4.แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความชื้นของข้าวเปลือก อุณหภูมิของเมล็ด อุณหภูมิอากาศร้อนและระยะเวลาที่ใช้อบ

ในรูปที่ 4.ความชื้นสมดุลของข้าวเปลือกในระยะกลางเท่ากับ18% จะต้องเลือกอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศร้อนให้ได้ความชื้นสมดุลต่ำสุดเท่าที่จะทำได้เพื่อให้ระยะเวลาการอบเร็วขึ้น

หลักการทำงานของเตาอบฮีตปั๊ม

ฮีตปั๊มมีการทำงานและอุปกรณ์เหมือนกับเครื่องปรับอากาศ คอยล์ร้อนให้ความร้อนกับอากาศสำหรับใช้เป็นแหล่งความร้อนสำหรับการอบแห้ง อุณหภูมิอากาศที่ใช้อบแห้งสำหรับการอบ 45 ซ. ตารางที่ 1.ความชื้นสัมพัทธ์ 30% ได้ความชื้นสมดุล 10% จึงควรใช้เตาอบฮีตปั๊มแบบปิดเพื่อให้สามารถลดความชื้นสัมพัทธ์ลงได้ทำให้ความชื้นสมดุลต่ำลงและใช้เวลาอบแห้งน้อยลง ศึกษาเพิ่มเติมได้จากบทความเรื่อง”ออกแบบเตาอบฮีตปั๊มแบบปิด”

เตาอบฮีตปั๊มมีประสิทธิภาพดีกว่าเตาอบแบบอื่นๆตามการเปรียบเทียบในตารางที่ 2.ค่าที่ใช้แสดงประสิทธิภาพของการอบแห้งที่ใช้เป็นมาตรฐานคือ SMER (Specific moisture extraction rate) เป็นอัตราการดึงน้ำออกจากวัสดุต่อพลังงานที่ใช้ มีหน่วยเป็น กก./กิโลวัตต์-ชั่วโมง และ SPC (Specific power consumption) เป็นอัตราส่วนของพลังงานที่ใช้ในการดึงน้ำออกจากวัสดุ มีหน่วยเป็น กิโลวัตต์-ชั่วโมง/กก. นั่นคือ SPC เป็นส่วนกลับของ SMER ซึ่งจากตารางที่ 2. จะเห็นได้ว่าเตาอบอากาศร้อนมี SMER ต่ำที่สุดเนื่องจากทิ้งความร้อนมากนั่นเอง

ตารางที่ 2.เปรียบเทียบคุณลักษณะของการอบแห้งแบบต่างๆ(Conrad O.Perera and M.Shafier Rahman, Heat pump

ตัวอย่างโครงการอบแห้งเมล็ดพันธ์

ตัวอย่างการใช้เตาอบฮีตปั๊มอบแห้งข้าวเปลือก พ.ศ.2554 ได้ทำเตาอบฮีตปั๊มอบให้กับโครงการ”การพัฒนาระบบยุ้งข้าวเปลือกที่ควบคุมความชื้นข้าวด้วยปั๊มความร้อน”มหาวิทยาลัยนอร์ท-เชียงใหม่ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจาก สำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา เครือข่ายบริหารงานวิจัยภาคเหนือตอนบน วัตถุประสงค์คือเพื่อสร้างงานวิจัยเทคโนโลยีที่สามารถต่อยอดเชิงพาณิชย์เพื่อการพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมชนบทได้

เนื่องจากการอบแห้งข้าวเปลือกจะทำเพื่อเก็บไว้ใช้ในฤดูถัดไป การลงทุนเครื่องจะมีโอกาสใช้น้อยครั้งทำให้ไม่คุ้ม จึงได้ออกแบบให้แยกฮีตปั๊มออกจากเตาอบโดยเชื่อมต่อด้วยท่ออ่อนทำให้สามารถนำฮีตปั๊มไปใช้อบแห้งวัสดุการเกษตรอื่นนอกฤดูปลูกข้าวซึ่งจะทำให้คุ้มมากกว่า รูปที่ 5.แสดงแบบฮีตปั๊มรับลมกลับที่ออกจากเตาอบมาดึงน้ำออกค้วยคอยล์เย็น(Evaporator) แล้วนำอากาศแห้งมารับความร้อนจากคอนเดนเซอร์ได้อากาศที่แห้งและร้อนจ่ายเข้าเตาอบ

รูปที่ 5.แบบฮีตปั๊มหมุนเวียนลมร้อนเข้าและออกเตาอบ

ภายในของเตาอบมีเหล็กฉากคว่ำเป็นชั้นๆ เมื่อใส่ข้าวเปลือกจนเต็มข้าวเปลือดจะล็อกตัวบนแหล็กฉากคว่ำเหลือช่องว่างให้อากาศไหลเข้าจากกล่องลมเข้าตามเหล็กฉากคว่ำผ่านข้าวเปลือกและออกที่เหล็กฉากคว่ำในชั้นต่อไป ทุกระดับแล้วออกไปรวมกันที่กล่องลมกลับตามรูปที่ 6. และรูปที่ 7.แสดงการต่อฮีตปั๊มเข้ากับเตาอบด้วยท่ออ่อน

รูปที่ 6.ภายในเตาอบแสดงการไหลของอากาศร้อนผ่านชั้นข้าวเปลือก

รูปที่ 7.ชุดอุปกรณ์อบแห้งข้าวเปลือกประกอบด้วยฮีตปั๊มและเตาอบ

รูปที่ 8.ติดตั้งชุดอบแห้งฮีตปั๊มสำหรับเป็นเมล็ดพันธุ์

คุณสมบัติของชุดอบแห้งฮีตปั๊มในโครงการ

– เป็นระบบอัตโนมัติที่ทำงานตามอุณหภูมิที่ตั้งไว้ จนกระทั่งลดความชื้นถึงค่าที่ต้องการ ความชื้นที่ 12% (wet basis)

– ปริมาณข้าวเปลือกเมล็ดพันธุ์ สามารถอบแห้งเพื่อลดความชื้นได้ จำนวน 1000 กิโลกรัม

– ระยะเวลาการอบแห้ง ประมาณ ไม่เกิน 14 วัน เมื่อแห้งดีแล้ว ปลดเครื่องออกได้

– สามารถนำอุปกรณ์เครื่องปั๊มความร้อนที่เป็นส่วนแยก (2) ไปใช้กับยุ้งข้าวอื่นได้เมื่อใช้งานเสร็จแล้ว

– ใช้กำลังไฟฟ้า ไม่เกิน 450 วัตต์ และแรงดัน 220 โวลต์ 1 เฟส

ส่งท้าย

หลังจากอบแห้งแล้วนำไปทดลองปลูกเพื่อหาเปอร์เซนต์การงอก ซึ่งได้ผลเป็นที่น่าพอใจ เนื่องจากการอบด้วยฮีตปั๊มเป็นการอบที่อุณหภูมิต่ำและควบคุมได้ง่ายกว่าการตากซึ่งไม่สามารถควบคุมธรรมชาติได้

รูปที่ 9.ทดลองปลูกเพื่อหาเปอร์เซนต์การงอก