ฮีทไปป์ระบายความร้อนตู้ควบคุมอุตสาหกรรม

เพื่อให้ระบบไฟฟ้าและควบคุมทำงานถูกต้องและมีประสิทธิภาพ จะต้องระบายความร้อนจากตู้ควบคุมไฟฟ้าให้เพียงพอ ไม่เช่นนั้นอุปกรณ์ไฟฟ้าอีเลกโทรนิคมีอุณหภูมิสูงขึ้น และถ้าสูงเกินกว่าที่อุปกรณ์จะทนได้ก็จะเสื่อมสภาพและเกิดความเสียหาย ตู้ควบคุมแบบเปิดจะใช้การระบายอากาศเพื่อระบายความร้อน ซึ่งเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและถูกที่สุด แต่ในโรงงานมีฝุ่นละออง ความชื้น และอาจมีสภาพอากาศที่ให้ผลกระทบกับอุปกรณ์ควบคุม ได้แก่ ไอกรด ก๊าซจากระบบบำบัดน้ำเสีย ก๊าซจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง เป็นต้น ฝุ่นละอองเมื่อเกาะหน้าสัมผัสแผงวงจรอาจทำให้เกิดการลัดวงจร และความชื้นอาจทำให้อุปกรณ์เสื่อมสภาพ ไอกรดและก๊าซที่อยู่ในอากาศจะทำให้ชิ้นส่วนทองแดงและโลหะผุกร่อนเสื่อมสภาพ

เมื่อใช้ตู้ควบคุมแบบเปิดจึงต้องตั้งอยู่ในห้องปรับอากาศ แต่บางกระบวนการผลิตก็จำเป็นต้องมีตู้ควบคุมอยู่ใกล้เครื่องจักรเพื่อการควบคุมที่ดีจึงใช้ตู้ควบคุมแบบปิดมิดชิดซึ่งสามารถระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีและการพาความร้อนผ่านผนังตู้และแบบที่ติดตั้งเครื่องปรับอากาศสำหรับการระบายความร้อน อีกทางเลือกหนีงคือการใช้ฮีทไปป์ระบายความร้อนของตู้ควบคุมโดยไม่ต้องใช้เครื่องปรับอากาศทำให้ประหยัดค่าไฟฟ้า ป้องกันความเสียหายจากการทำงานของระบบควบคุม รักษาสภาพและอายุของอุปกรณ์ไฟฟ้า ประหยัดพลังงานให้กับโรงงานและลดปัญหาสภาพแวดล้อมจากการใช้พลังงาน

ปริมาณความร้อนภายในตู้ควบคุมไฟฟ้า

ความร้อนของตู้ควบคุมไฟฟ้าเกิดจากอุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าภายในตู้เมื่อมีกระแสผ่านทั้งในขณะใช้งาน และไม่ใช้งาน ค่าความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์ต่างๆที่ติดตั้งภายในตู้ควบคุมจะใช้เพื่อการออกแบบระบบระบายความร้อนของตู้ ข้อมูลความร้อนได้จากผู้ผลิตอุปกรณ์ซึ่งเป็นค่าที่ม่านยำที่สุด แต่ถ้าไม่สามารถหาค่าความร้อนจากผู้ผลิตได้ก็อาจใช้จากตัวอย่างข้อมูลบางส่วนในตารางที่ 1. และตารางที่ 2.

อีกวิธีหนึ่งคือคำนวณภาระการใช้ไฟฟ้ารวมของอุปกรณ์ภายในตู้ควบคุม แล้วคูณด้วยค่าประสิทธิภาพของระบบเช่นอุปกรณ์อีเลกโทรนิคภายในตู้ควบคุมทั้งหมดรวมมีการใช้ไฟฟ้าได้ 500 วัตต์ ประสิทธิภาพของระบบอีเลกโทรนิค 20% เท่ากับได้งาน 100 วัตต์ ที่เหลือ 400 วัตต์จะกลายเป็นความร้อนภายในตู้ควบคุม

ตารางที่ 1. ความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์ภายในตู้ควบคุม

ตารางที่ 2. ความร้อนจากขุดควบคุมความเร็วมอเตอร์

มาตรฐานตู้ควบคุม

ตู้ควบคุมไฟฟ้าจะสร้างให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้โดยมีมาตรฐานควบคุมประกอบไปด้วย NEMA(National Electric Manufacturers Association) และ IEC(International Electrotechnical Commision) ตารางที่ 3. เป็นตารางเทียบมาตรฐานตู้ NEMA เป็น IEC จะเห็นว่ามีทั้งแบบระบายอากาศและแบบปิดมิดชิดตามลักษณะการใช้งาน ตู้แบบปิดมิดชิดสามารถป้องกันฝุ่นละออง ความชื้นและบรรยากาศที่ทำให้เกิดการผุกร่อนกับอุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าในคู้ได้ แต่การระบายความร้อนจำเป็นจะต้องมีการพิจารณาเป็นพิเศษ

ตารางที่ 3. เปรียบเทียบมาตรฐานตู้ NEMA เป็นมาตรฐาน IEC แค่ตารางนี้ไม่สามารถใช้เทียบจาก IEC เป็น NEMA ได้

การระบายความร้อนของตู้แบบมิดชิด

ความร้อนจากอุปกรณ์ภายในตู้แบบมิดชิดจะทำให้อุณหภูมิภายในตู้สูงกว่าอุณหภูมิอากาศนอกตู้ ความร้อนภายในตู้จะถ่ายเทผ่านผนังตู้มายังอากาศภายนอกด้วยการแผ่ร้งสีและการพาความร้อน อากาศภายในตู้จะเคลิ่อนที่โดยธรรมชาติด้วยอุณหภูมิแตกต่างภายในตู้ตามรูปที่ 1ก.. และเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนเร็วขึ้นอาจใส่พัดลมหมุนเวียนอากาศภายในตู้ให้เร็วขึ้นโดยทั่วไปจะช่วยเพิ่มการระบายความร้อนเพิ่มขึ้นได้ประมาณ 10% และช่วยไม่ให้มีส่วนใดที่อุณหภูมิสุงเฉพาะที่ ตามรูปที่ 1ข.

รูปที่ 1. การระบายความร้อนจากตู้ควบคุมแบบมิดชิดด้วย(รูปจาก Hoffman

ภาระความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์ภายในตู้สามารถคำนวณอุณหภูมิภายในตู้ได้จากแผนภูมิที่ 1.โดยการอ่านค่าอุณหภูมิแตกต่างที่จะเกิดขึ้นไ และ0kdอุณหภูมิอากาศภายนอกตู้ก็จะสามารถคำนวณอุณหภูมิเฉลี่ยของอากาศภายในตู้ได้

แผนภูมิที่ 1. อุณหภูมิแตกต่างระหว่างอากาศเฉลี่ยภายในตู้ควบคุมกับอากาศภายนอกที่อัตราการระบายความร้อนต่างๆกัน

ตัวอย่างที่ 1. ตู้ควบคุมไฟฟ้าแบบวางพื้นมีขนาด 1.80 x 0.60 x 0.50 ม.(สูง x กว้าง x หนา) มีความร้อนจากอุปกรณ์ภายในตู้ 600 วัตต์ อุณหภูมิอากาศภายนอกตู้ควบคุม 30 oC อุณหภูมิภายในตู้มีค่าเท่าใด

พื้นที่ผิวตู้ = (1.8 x 0.6 x 2 +1.8 x 0.5 x 2 + 0.6 x 0.5) x 10.76 = 45.84 ตร.ฟ.

อัตราการระบายความร้อน = 600 / 45.84 = 13.09 วัตต์/ตร.ฟ.

จากแผนภูมิที่ 1. อุณหภูมิสูงขึ้น 31oC

อุณหภูมิเฉลี่ยภายในตู้ควบคุม = 31 + 30 = 61 oC

จากตัวอย่างจะเห็นว่าตู้ควบคุมมีอุณหภูมิค่อนข้างสูง อาจทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าภายในตู้ทำงานผิดพลาดหรือเสื่อมสภาพ มีอายุการใช้งานลดลง สามารถลดอุณหภูมิภายในตู้ควบคุมได้จากการใช้ตู้ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นทำให้อัตราการระบายความร้อน วัตต์/ตร.ฟ. ลดลงทำให้อุณหภูมิแตกต่างลดลง หรือติดตั้งเครื่องปรับอากาศให้ห้องที่ติดตั้งตู้ควบคุมซึ่งจะทำให้อุณหภูมิห้องลดลงและทำให้อุณหภูมิภายในคู้ควบคุมลดลงด้วย แต่ไม่เหมาะสมในทางปฏิบัคิ

การใช้เครื่องปรับอากาศตู้ควบคุม

เครื่องปรับอากาศทำงานด้วยการดึงความร้อนจากภายในตู้ควบคุมมาระบายให้อากาศภายนอกตู้ สมรรถนะการทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศจึงขึ้นกับอุณหภูมิสูงสุดที่ยอมรับได้ของตู้ควบคุมและอุณหภูมิอากาศนอกตู้ อุณหภูมิภายในตู้ควบคุมควรอยู่ระหว่าง 35-45 oC อุณหภูมิต่ำกว่านี้อาจทำให้เกิดหยดน้ำซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องหลีกเลี่ยงเป็นอย่างยิ่ง เครื่องปรับอากาศควรมีอุณหภูมิคอนเดนเซอร์สูงกว่าอุณหภูมิอากาศนอกตู้ และสามารถทำงานที่อุณหภูมิคอนเดนเซอร์สูงสุดที่ 55oC

เครื่องปรับอากาศที่มีประสิทธิภาพสูงช่วยลดปัญหาสภาพแวดล้อมจากการใช้พลังงานและลดค่าไฟฟ้า ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ COP (Coefficient of Performance) สามารถคำนวณได้จากสมการที่ 1

COP = Output( Cooling W) / Input (Electrical Power W) (1)

การเลือกเครื่องปรับอากาศตู้ควบคุมควรเปรียบเทียบการทำงาน ได้แก่ความเย็น และประสิทธิภาพของเครื่องที่อุณหภูมิอีแวปอเรเตอร์และคอนเดนเซอร์เดียวกัน ซึ่งในยุโรปมีมาตรฐาน DIN 3168/EN 814 part 500 (European standard for enclosure climate control) ควบคุม

รูปที่ 2. ตู้ควบคุมไฟฟ้าที่ติดตั้งเครื่องปรับอากาศเฉพาะตู้เกาะอยู่ที่ด้านหลังของตู้

จากตัวอย่างที่ 1. เครื่องปรับอากาศตู้ควบคุมจะต้องทำความเย็นได้ประมาณ 600 วัตต์ โดยที่ใช้อุณหภูมิอีแวปอเรเตอร์ 15oC และอุณหภูมิคอนเดนเซอร์ 55oC ทำอุณหภูมิภายในตู้ควบคุมได้ 45oC ถ้าเครื่องปรับอากาศทำความเย็นได้มากกว่า 600วัตต์ อุณหภูมิอีแวปอเรเตอร์จะปรับลดลงเองทำให้เครื่องปรับอากาศทำความเย็นได้ลดลงจนสุดท้ายเท่ากับ 600 วัตต์ ในขณะที่อุณหภูมิอีแวปอเรเตอร์ลดลง อุณหภูมิภายในตู้ควบคุมก็จะลตลงต่ำกว่า 35 oC ควรตั้งควบคุมอุณหภูมิให้เครื่องปรับอากาศตัดการทำงานที่ 35oC เมื่ออุณหภูมิภายในตู้ควบคุมสูงขึ้นถึง 40oC จึงให้เครื่องปรับอากาศเริ่มทำงานใหม่ ถ้าเครื่องปรับอากาศทำความเย็นได้มากเกินไป ช่วงเวลาที่เครื่องปรับอากาศปิด-เปิดจะสั้นมากทำให้เกิดความสึกหรอแก่เครื่องปรับอากาศ

ในทางตรงกันข้ามถ้าเครื่องปรับอากาศทำความเย็นได้น้อยกว่าที่ต้องการ อุณหภูมิของตู้ควบคุมจะสูงขึ้น และถ้าสูงขึ้นเกิน 45oC แสดงfว่าเครื่องปรับอากาศทำงานผิดปกติหรือมีขนาดเล็กเกินไป ควรตรวจสอบหรือเปลี่ยนเครื่องปรับอากาศที่ทำความเย็นได้มากขึ้น

หลักการทำงานของฮีทไปป์

ฮีทไปป์มีลักษณะเป็นท่อปลายปิดทั้งสองด้าน ภายในทำให้เป็นสูญญากาศแล้วบรรจุสารสำหรับการถ่ายเทความร้อน โดยที่ท่อจะอยู่ในแนวดิ่งตามรูปที่ 3ก.. ฮีทไปป์ทำงานโดยอาศัยหลักการถ่ายเทความร้อนด้วยการเปลี่ยนสถานะของสารที่บรรจุอยู่ภายในท่อ ฮีทไปป์นี้สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าการนำความร้อนของแท่งทองแดงนับร้อยเท่า

รูปที่ 3. หลักการทำงานของฮีทไปป์

ที่ส่วนล่างของท่อ สารถ่ายเทความร้อนในสถานะของเหลวได้รับความร้อนที่ส่งผ่านผนังท่อจากแหล่งความร้อนและเปลี่ยนสถานะเป็นไอลอยขึ้นสู่ส่วนบนของท่อ ที่ส่วนบนไอสารถ่ายเทความร้อนจะคายความร้อนให้แก่บริเวณที่ต้องการความร้อน ผ่านผนังท่อและเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวเกาะผนังท่อและไหลกลับ]มาสู่ส่วนล่างของท่อด้วยน้ำหนักตัว จากนั้นจะได้รับความร้อน เปลี่ยนสถานะเป็นไอลอยขึ้น วนเวียนไปตลอดเวลาที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิ

เพื่อให้ใช้งานได้สะดวกจะใช้ฮีทไปป์ติดตั้งแทนท่อทองแดงของคอยล์โดยวางในแนวดิ่งมีครีบอลูมิเนียมช่วยเพิ่มพื้นที่การดึงและการคายความร้อนตามรูปที่ 3ข.. ฮีทไปป์สามารถถ่ายเทความร้อนทำให้อุณหภูมิอากาศแต่ละด้านเพิ่มขึ้นและลดลงได้ประมาณ 30% ของอุณหภูมิแตกต่างสูงสุด

การติดตั้งฮีทไปป์ระบายความร้อนตู้ควบคุม

ฮีทไปป์จะติดตั้งในตัวถังโดยให้ฮีทไปป์ส่วนบนคายความร้อนอยู่นอกตู้และฮีทไปป์ส่วนล่างที่ใช้ดูดความร้อนอยู่ในตัวถังซึ่งประกบเข้ากับตู้ควบคุมตามรูปที่ 4. พัดลมหมุนเวียนติดตั้งภายในตู้เพื่อพาลมเย็นส่งไปรับความร้อนจากอุปกรณ์ในตู้ควบคุม อากาศร้อนจะคายความร้อนให้ฮีทไปป์ส่วนล่าง ของเหลวจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอลอยขึ้นสู่ส่วนบนของฮีทไปป์อากาศที่ผ่านฮีทไปป์จะเย็นลงและหมุนเวียนกลับมารับความร้อน พัดลมตัวนอกจะส่งอากาศภายนอกมารับความร้อนจากฮีทไปป์ทำให้ไอในฮีทไปป์ส่วนบนกลับเป็นของเหลวไหลกลับลงไปที่ฮีทไปป์ส่วนล่าง

รูปที่ 4. การติดตั้งฮีทไปป์เข้ากับตู้ควบคุม

ตัวอย่างที่ 2. จากตัวอย่างที่ 1. คำนวณการติดตั้งฮีทไปป์เพื่อให้อุณหภูมิภายในตู้เฉลี่ย 40oC เมื่ออุณหภูมิภายนอก 30oC

อุณหภูมิสูงสุดในตู้ควบคุม 40 + X

อุณหภูมิต่ำสุดในตู้ควบคุม 40 - X

อุณหภูมิแตกต่างสูงสุดของฮีทไปป์ = อุณหภูมิสูงสุดภายในตู้ – อุณหภูมิอากาศภายในตู้

= 40 + X – 30

อุณหภูมิแตกต่างภายในตู้ = 40 + X – ( 40 – X)

= 2X

ฮีทไปป์สามารถถ่ายเทความร้อนทำให้อุณหภูมิอากาศแต่ละด้านเพิ่มขึ้นและลดลงได้ 30% ของอุณหภูมิแตกต่างสูงสุด

0.3 x ( X + 10 ) = 2 X

X = 1.76

อุณหภูมิแตกต่างภายในตู้ = 3.52

อัตราการส่งอากาศหมุนเวียนในตู้ควบคุม = 600 x 3.414 / 3.52 / 1.8 / 1.1

= 293.9 ลบ.ฟ. / นาที

พัดลมตัวนอกมีขนาดเท่ากัน

ผู้ผลิตฮีทไปป์จะผลิตฮีทไปป์ตามข้อมูลต่อไปนี้

ถ่ายเทความร้อน 600 วัตต์อัตราการไหลอากาศทั้งสองด้าน 300 ลบ.ฟ. / นาที อุณหภูมิอากาศเข้า/ออกฮีทไปป์ส่วนล่าง 36.48 / 43.52 อุณหภูมิอากาศ 30นC

เนื่องจากอุณหภูมิที่ใช้ในระบบระบายความร้อนด้วยฮีทไปป์ทั้งหมดสูงกว่าอุณหภูมิอากาศภายนอก การใช้ฮีทไปป์ระบายความร้อนตู้ควบคุมจึงไม่ทำให้เกิดหยดน้ำในระบบ ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ติดตั้งในตู้ควบคุมปลอดภัยจากน้ำและระบบไฟฟ้าของโรงงาน มีความ มั่นคง

รูปที่ 5. ภาพการติดตั้งฮีทไปป์ระบายความร้อนตู้ควบคุม บจก.สยามเซรามิคกรุ๊ปโรงงาน สระบุรี ตู้ควบคุมอยู่ทางด้านซ้ายและฮีทไปป์อยู่ทางด้านขวา

บจก.สยามเซรามิคกรุ๊ป สระบุรี ติดตั้งเครื่องปรับอากาศตู้ควบคุมขนาดความเย็น 1000 วัตต์ ใช้ไฟฟ้า 360 วัตต์ ทดสอบติดตั้งฮีทไปป์สำหรับระบายความร้อนให้ตู้ควบคุมตามรูปที่ 4 และ 5.แทนเครื่องปรับอากาศที่มีอยู่ ฮีทไปป์ถูกออกแบบให้ระบายความร้อนได้ 1000 วัตต์ เมื่อติดตั้งแล้วสามารถวัดอุณหภูมิเฉลี่ยในตู้ควบคุมได้ 36oC และขณะนี้ใช้งานมาเป็นระยะเวลา 2 ปี โดยไม่ทำให้เกิดปัญหาแก่อุปกรณ์ภายในตู้แต่อย่างไร ขณะนี้จึงอยู่ระหว่างการศึกษาเพื่อจะใช้กับตู้ควบคุมชุดอื่นๆต่อไป

จากแบบการติดตั้ง.ในรูปที่ 4. และ 5. ฮีทไปป์มีขนาดตัวถังใหญ่เกือบเท่าตู้ควบคุม พัดลมมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับพัดลมของเครื่องปรับอากาศเนื่องจากต้องการอัตราการไหลของอากาศมากกว่า และฮีทไปป์มีขนาดใหญ่ตามอัตราการไหลของอากาศ จึงทำให้ราคาต้นทุนของฮีทไปป์ระบายความร้อนสูง ทำให้มีระยะเวลาการคุ้มทุน 4 ปี ซึ่งสำหรับโรงงานที่มีความสำนึกเรื่องปัญหาสิ่งแวดล้อมจากการใช้พลังงาน ยังยอมรับได้

บทส่งท้าย

ฮีทไปป์เป็นเครื่องมือแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพ สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีแม้จะมีอุณหภูมิแตกต่างน้อยโดยเฉพาะเพื่อใช้กับการระบายอากาศของตู้ควบคุม ฮีทไปป์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถระบายความร้อนให้ตู้ควบคุมซึ่งเป็นตู้แบบปิดมิดชิดได้โดยไม่มีปัญหาแก่อุปกรณ์ที่ติดตั้งภายในตู้และไม่เกิดปัญหากับระบบไฟฟ้าของโรงงาน

การนำฮีทไปป์มาใช้ระบายความร้อนให้กับตู้ควบคุมเป็นเพียงการใช้งานแบบหนึ่งของฮีทไปป์ที่มีความเป็นไปได้ในเชิงเศรษฐศาสตร์ ในอนาคตถ้ามีการใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้นยังสามารถที่จะปรับปรุงให้ระบายความร้อนได้ดียิ่งขึ้นมีและมีราคาลดลง ทำให้มีระยะเวลาคุ้มทุนสั้นลง และนอกจากนี้ยังจะสามารถนำไปพัฒนาใช้งานระบายความร้อนแบบอื่นๆมากยิ่งขึ้นได้อีกด้วย