การประหยัดพลังงานด้วย “High Efficiency Fan Blade”

ใบพัดลม หรือ Fan Blade ของ Cooling Tower โดยอุปกรณ์ชิ้นนี้ ถูกมองว่าเป็น “อุปกรณ์ที่กินไฟมากที่สุดในคูลลิ่งทาวเวอร์” และปัจจุบันก็มี “นวัตรกรรมใบพัดลมสำหรับการประหยัดพลังงาน” ออกมามากมาย หรือ Energy Saving Fan แต่คำถามคือ “ใบพัดประหยัดพลังงานได้จริงมั้ย และทำได้อย่างไรบ้าง” ในบทความนี้ทางนายช่างมาาแชร์จะขอพามาดูข้อมูลเชิงเทคนิคกันครับว่าเป็นอย่างไรบ้าง

หลักการทางพลศาสตร์ (Aerodynamics) ของใบพัดลม

หลักของอากาศพลศาสตร์ คือ “ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอากาศกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่” เพื่อทำความเข้าใจว่าวัตถุเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้อย่างไร ความเข้าใจเชิงลึกในด้านนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างหลากหลายในเกือบทุกอุตสาหกรรมตั้งแต่การบินไปจนถึงการกีฬา

โดยเริ่มแรกเลยนะครับ วิศวกรได้นำหลักการนี้มาใช้ในการออกแบบเกี่ยวกับเรื่องอากาศยานและเครื่องบินเพื่อทำให้เครื่องบินลอยได้อย่างปลอดภัย และต่อมาได้ถูกนำมาพัฒนาต่อในอุตสาหกรรมยานยนต์และอุตสาหกรรมอื่นๆตามมาครับ โดยในหนึ่งในงานที่แพร่หลายที่สุดในวงการอุตสาหกรรมได้มีการนำหลักการนี้มาใช้กับการออกแบบการทำงานของใบพัดลมคูลลิ่ง (Cooling tower fan) ด้วยนะครับ

ภาพด้านบนเป็น “ภาพของใบพัดที่นำเข้าโปรแกรม CFD (Computerized fluid dynamic)” เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการทดสอบของไหล (Fluid Test Application)

โดยวงรีสีเขียว (ภาพตัด Crossection ของใบพัด)เข้มกลางภาพคือใบพัด และลูกศรเล็กๆในภาพแสดงทิศทางของลม ภาพทางซ้าย และขวา คือการนำเอาใบพัดที่มีลักษณะแตกต่างกัน 2 แบบมาเข้าโปรแกรมเพื่อดูว่าการไหลของลมเป็นอย่างไร ? เมื่อลมเคลื่อนที่ปะทะใบพัดแต่ละแบบ

ให้สังเกตที่ปลายหางของใบพัดทั้งสองภาพ ในภาพทางซ้ายมือ จะเห็นว่าลูกศรบริเวณปลายใบพัดมีลักษณะโค้งเยอะมากๆ หมายความว่า “ใบพัดมี Turbulence (ลมไหลวน) เยอะ” ซึ่งในขณะเดียวกันใบพัดในภาพทางขวามือ จะเห็นได้ว่ามี Turbulence เหมือนกันแต่เกิดน้อยกว่ามาก 

“ยิ่งมี Turbulence มาก จะยิ่งมีผลต่อการสิ้นเปลืองพลังงานครับ” 

ดังนั้นในกรณีศึกษานี้ “ใบพัดในภาพซ้ายมือมีประสิทธิภาพน้อยกว่า และส่งผลให้กินไฟมากกว่า” ใบพัดทางขวามือครับ

“ใบพัดรุ่นเก่า เมื่อหลายสิบปีที่ผ่านมา เรียกได้ว่า ใบพัดคูลลิ่งกินไฟ เลยก็ว่าได้ 

เนื่องจากรูปร่างของใบพัดส่งผลให้เกิด Turbulence หรือลมไหลวนมาก กินไฟเยอะ แต่ประสิทธิภาพที่ได้ไม่มากเท่าที่ควร จึงมีนวัตกรรมการออกแบบใบพัดแบบใหม่ เพื่อจุดประสงค์ให้กินไฟน้อยลง และประสิทธิภาพสูงขึ้น”

Innovek Asia

ประสิทธิภาพของใบพัด (Fan Blade Efficency)

หากเรานำเอา Data sheet ของใบพัดรุ่นเก่ามาศึกษาเปรียบเทียบกับใบพัดลมรุ่นใหม่ๆ จะเห็นได้ว่า ใบพัดรุ่นเก่าหากทำงานอย่างเต็มที่แล้ว ประสิทธิภาพสูงสุดที่มันทำได้จะอยู่ที่ประมาณ 70% ในขณะที่ใบพัดรุ่นใหม่ๆในปัจจุบัน หากถูกเลือกและติดตั้งอย่างถูกต้อง จะสามารถทำประสิทธิภาพสูงสุดที่มันทำได้มากขึ้นตั้งแต่ 83% จนถึง 90% เลยนะครับ

สูตรคำนวณ “ประสิทธิภาพของพัดลม” ในอดีตสูตรนี้ต้องคำนวณด้วยมือโดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์ชุดหนึ่ง แต่ในปัจจุบันการคำนวณนี้มักจะกระทำโดยการใช้ซอฟต์แวร์เฉพาะทาง แต่อยากให้ท่านทราบเอาไว้พอเป็นความรู้นะครับ เผื่อไว้ใช้ในโอกาสที่ไม่ได้มีเครื่องคำนวณอยู่ในมือ

Efftotal = TP x ACFM ÷ (6356 x BHP)

โดยที่

TP = total pressure 

ACFM = actual air flow in CFM

BHP = brake horse power หรือ ค่าพลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนใบพัด

แล้วมีวิธีไหนบ้างที่จะทำให้ใบพัดมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ?

1. ลด Turbulance ที่เกิดขึ้นบริเวณใบพัดลง

1.1) Turbulance ที่เกิดขึ้นที่ปลายใบพัด

Turbulance ที่ปลายใบพัด หรือ “Tip Vortex” หากลดลงได้จะทำให้ใบพัดมีประสิทธิภาพสูงขึ้น วิธีที่จะลด Tip vortex ได้ คือการใส่ตัวกั้นลมที่ปลายใบหรือเรียกว่า Tip cap การใส่ Tip cap    สามารถลดการสูญเสียของลมจากการทำงานได้ ถึง 2-3% เลยนะครับ 

เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นว่า Tip cap มีลักษณะอย่างไร ดูตามภาพด้านล่างนะครับ ในภาพ ส่วนปลายของใบพัดที่เป็นชิ้นส่วนสีน้ำเงินคือ Tip cap ครับ

1.2) Turbulance ที่เกิดขึ้นที่โคนใบพัด

เราเรียก Turbulance ที่โคนใบพัด ว่า Hot air recirculation เมื่อเกิดขึ้นจะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า “Energy Lose” ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการดึงลมที่ใช้ในการระบายความร้อนลดลง ซึ่งเราสามารถแก้ไขได้โดยการใช้ตัวกันลม (Seal Disc) ที่มีลักษณะเป็นวงกลมประกบติดตั้งกับโคนใบพัดครับ 

เราลองมาตรวจสอบการทำงานของใบพัดโดยดูจากภาพจำลองการทำงานของใบพัดที่ติดตั้ง Seal disc และ Tip cap เปรียบเทียบกับใบพัดที่ไม่ได้ติดตั้งทั้ง Seal disc และ Tip cap กันดูนะครับ ว่าประสิทธิภาพเปลี่ยนไปได้ขนาดไหน

2. ใช้ใบพัดแบบ Energy Saving

ใบพัดแบบเก่าจะมีการเกิด Turbulence หรือลมไหลวนค่อนข้างมากที่บริเวณปลายใบพัด ผู้ผลิตงพัฒนาใบพัดขึ้นอีกขั้นหนึ่ง โดยการทำให้ใบพัดเป็นสองชิ้นตามภาพที่ 6 ภาพล่าง เมื่อใบพัดแยกเป็นสองชิ้นแล้ว ทำให้มีลมด้านบนวิ่งผ่านลงมายังด้านล่างของใบพัด เกิดเป็น Venturi effect จะทำให้เกิดลมแปรปรวนน้อยกว่าใบพัดแบบปกติ

ดังนั้นจึงทำให้การเกิดลมแปรปรวนที่น้อยลงมากทำให้การทำงานของใบพัดมีประสิทธิสูงขึ้น หลักการทำงานเดียวกับปีกเครื่องบินเลยครับ

ลองนึกภาพคุณเป็นเจ้าของธุรกิจที่ต้องใช้คูลลิ่งทาวเวอร์ และผู้ให้บริการคูลลิ่งทาวเวอร์ของท่านกำลังพยายามขายพัดลมประหยัดพลังงานตัวใหม่ให้ท่าน แจ้งท่านว่า “ใบพัดรุ่นใหม่ที่หลังจากติดตั้งแล้วมีประสิทธิภาพสูงกว่า 80% จะสามารถช่วยท่านประหยัดพลังงานได้ 30% เปรียบเทียบกับใบพัดรุ่นเก่า”

=======================================================================

สำหรับบทความนี้ต้องขอขอบคุณข้อมูลดีๆจากทาง Innovek Asia นะครับ หากเพื่อนๆมีข้อมูลสงสัยสามารถเสนอแนะและพูดคุยกันได้ที่อีเมล [email protected] นะครับ เค้าสามารถให้คำปรึกษา/ตอบคำถาม ฟรี! ไม่มีค่าใช้จ่าย 

=======================================================================