วิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรมวิจัย [มจธ.ปีการศึกษา46รอบ1]

การถ่ายเทมวลของสารจากการพุ่งชนของกระแสอากาศ (ระยะที่ 1-2)
Convective Mass Transfer by Impinging Air Jets (Phase 1-2)

ดร.สุรชัย สนิทใจ
Surachai Sanitjai. (Lecturer)
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์

ทุนวิจัยพระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศึกษา 2546 รอบที่ 1 งบประมาณ 97,000 บาท
ทุนวิจัยพระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศึกษา 2547 รอบที่ 1 งบประมาณ 92,000 บาท

ความสำคัญและที่มาของการวิจัย

การถ่ายเทความร้อนและการถ่ายเทมวลโดยการพุ่งซนของอากาศ มีการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรม ที่ต้องการให้มีการถ่ายเทความร้อนหรือมวลอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น การเป่าแห้งในอุตสาหกรรมเส้นใย การระบายความร้อนออกจากแผ่นแก้ว หรือโลหะร้อนที่มีรูปร่างแตกต่างกันไป การระบายความร้อนออกจากอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ การระบายความร้อนของระบบใบพัดของเครื่องยนต์กังหันแกสเพื่อไม่ให้อุณหภูมิของใบพัดสูงเกินกว่าอุณหภูมิที่วัสดุสามารถรับได้ นอกเหนือจากนี้การระบายความร้อนโดยการใช้อากาศพุ่งชนนี้ ยังได้รับความสนใจเป็นอย่างยิ่งทางด้านอากาศยาน ในระบบการควบคุมการยิงอากาศยานสู่อวกาศและการกลับของอากาศยานลงสู่พื้นโลก

ข้อดีของการให้กระแสอากาศพุ่งชนนั้นคือ การที่อากาศสามารถถ่ายเทความร้อนหรือมวลได้สูง รวดเร็ว และถูกต้องเฉพาะเจาะจงตามดำแหน่งที่ต้องการ การถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วนี้เป็นผลมาจากการที่ชั้นชิดผิวของอากาศ ณ ตำแหน่งที่อากาศพุ่งชน มีความหนาน้อย ความหนาของชั้นชิดผิวนี้อาจจะบางถึงระดับ 10 ไมโครเมตร นอกจากนี้แเล้วการใช้กระแสอากาศพุ่งชนยังสามารถประหยัดอากาศได้ เนื่องจากวิธีการระบายความร้อน วิธีนี้ใช้ปริมาณอากาศต่อหน่วยความร้อนน้อยกว่าวิธีระบายความร้อนแบบอี่นๆ การถ่ายเทความร้อนและมวลจากการใช้กระแสของของไหลพุ่งชนนั้นได้มีการศึกษากันอย่างแพร่หลาย

ในด้านอุตสาหกรรมอาหาร ได้มีการประยุกต์ใช้หลักการถ่ายเทความร้อนและมวลจากการใช้ความกระแสของของไหลพุ่งชน การศึกษาการเป่าแห้งของเนื้อปลา เพื่อใช้ในการถนอมอาหารและรักษาคุณค่าของสารอาหารไว้ ซึ่งพบว่าวิธีการนี้ สามารถรักษาสารอาหาร ป้องการการสูญเสียคุณค่าทางอาหารจากความร้อน และความแห้งของเนื้อปลามีความสม่ำเสมอสูง

ในกระบวนการที่ต้องมีการควบคุมความร้อน ควบคุมการผลิด การใช้เทคนิคด้านการพุ่งซนด้วยกระแสของไหลได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เช่นในกระบวนการ chemical vapor deposition (CVD) ซึ่งมีการให้กระแสของไหลพุ่งชนผิวของแผ่น wafer

การศึกษาการถ่ายเทความร้อนโดยการพุ่งชนของกระแสอากาศนั้นมีการใช้หัวฉีดแบบทรงกลมและแบบร่อง หัวฉีดแบบร่องนั้นสามารถปกคลุมพื้นผิวของการถ่ายเทความร้อนได้มากกว่าหัวฉีดแบบทรงกลม หัวฉีดทรงกลมมีข้อดีในด้านการที่มันสามารถระบายความร้อนเฉพาะจุดได้สูงกว่าแบบร่อง

ในการศึกษาที่ผ่านมานั้นได้ทำการวัดอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยตรง โดยใช้หาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบการพาโดยรวม ข้อมูลเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนและมวลโดยเฉพาะตำแหน่งยังมีอยู่จำกัด

การหาสัมประสิทธิ์ในการถ่ายเทความร้อนแบบการพาเพียงอย่างเดียวนั้นมีค่าความคลาดเคลื่อนสูง เนื่องจากมีการสูญเสียความร้อนโดยการนำความร้อนและการแผ่รังสีเพื่อที่จะลดปัญหาในเรื่องของการถ่ายเทความร้อนโดยการนำและการแผ่รังสี การวัดอัตราการถ่ายเทมวลสารโดยการระเหิดเป็นวิธีการที่ได้มีการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหานี้ ทั้งนี้ใน การถ่ายเทมวลสารจะมีเฉพาะการพาเท่านั้น ในปัจจุบันได้มีการประยกต์ใช้เทคนิคนี้กันอย่างแพร่หลาย เช่น ในด้านการหาสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบการพาในระบบควบคุมทางอิเลคทรอนิกส์ที่ต้องการความแม่นยำของค่าสัมประสิทธิ์ในการถ่ายเทความร้อนสูง ดังนั้นงานวิจัยโครงการนี้นอกจากจะทำให้เกิดความเข้าใจถึงกลไกการถ่ายเทมาลและ ถ่ายเทความร้อนจากการพุ่งชนของกระแสอากาศแล้ว ยังเป็นการประยุกต์ใช้การวัดการถ่ายเทมวลสารมาใช้ในการวัดการถ่ายเทความร้อนอีกด้วย

วัตถุประสงค์ของโครงการ

เพื่อศึกษาการถ่ายเทมวลของสารอันเนื่องมาจากการพุ่งชนของกระแสอากาศ
เพื่อพัฒนาสมการที่ใช้ในการคำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลและการถ่ายเทความร้อน
เพื่อให้ได้มาซึ่งข้อมูลพื้นฐาน เพื่อใช้ประกอบการคำนวณทางคอมพิวเดอร์ด้วยระเบียบวิธีเชิงตัวเลขทที่จะทำในอนาคต

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับจากการวิจัย

เข้าใจถึงปรากฏการณ์การของการถ่ายเทมวลของสารอันเนื่องมาจากการพุ่งชนของกระแสอากาศ
สามารถพัฒนาสมการที่ใช้ในการคำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลและการถ่ายเทความร้อนที่จะนำไปใช้ในงานอุดสาหกรรม โดยจะได้สมการที่มีความแม่นยำในการคำนวณสูง ทั้งนี้เนื่องมาจากการวัดแบบเฉพาะจุดจะให้ความถูกต้องแม่นยำในการวัดสูง
ข้อมูลที่ได้จากการทดลองนี้จะนำไปใช้ในการเปรียบเทียบกับผลการคำนวณด้ายคอมพิวเตอร์ด้ายระเบียบวิธีเชิงตัวเลขที่จะทำในอนาคต
เป็นต้นแบบให้ภาคอุตสาหกรรมนำไปประยุกต์ใช้ในการระบายความร้อน หรือให้ความร้อนกับชิ้นงาน เช่น การเป่าแห้งสำหรับอุตสาหกรรมอาหาร