ประสิทธิภาพของคูลลิ่งทาวเวอร์ เข้าใจให้ถูกต้อง

เคยถาม vendor ระหว่างการนำเสนอตัวสินค้าว่า ประสิทธิภาพคูลลิ่งทาวเวอร์ที่มีประมาณเท่าไหร่ vendor ตอบกลับว่า 100% ครับ ในความเป็นจริงมีอุปกรณ์ตัวไหนในโลกที่มีประสิทธิภาพ 100% บ้าง
ความเข้าใจของผู้ตอบคือ 100% เพราะ สามารถทำได้ตามค่าที่ออกเเบบไว้ เช่น ออกแบบไว้ที่ Tin = 40 C, TOUT = 35 C ที่ TWB = 28 C, เมื่อทำการวัดจริงจะได้ตามค่าที่ออกแบบ
เเล้วประสิทธิภาพของคูลลิ่งทาวเวอร์หาได้อย่างไร


 จากรูปด้านบน พบว่า ประสิทธิภาพคูลลิ่งทาวเวอร์หาได้จาก ความเเตกต่างของอุณหภูมิของน้ำที่เข้าเเละออก หารด้วย ความเเตกต่าง ของอุณหภูมิน้ำเข้าเเละอุณหภูมิอากาศที่กระเปาะเปียก
ลองคำนวน จากสิ่งที่ vendor บอกมา
Efficiency = (40-35)/(40-28)x100 = 41.66%

 ดังนั้นผู้ผลิตต้องออกเเบบประสิทธิภาพคูลลิ่งทาวเวอร์ให้ได้ 100% เมื่อทำให้น้ำที่ออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ ให้มีอุณหภูมิน้ำออกเท่ากับอุณหภูมิอากาศที่กระเปาะเปียก โดยอาจต้องเพิ่ม heat transfer area
ในที่นี้คือ Filler

เเล้วทำไมต้องใช้อุณหภูมิอากาศที่กระเปาะเปียกมาทำการคำนวน ต้องเข้าใจความหมายก่อน

อุณหภูมิอากาศที่กระเปาะเปียก คือค่าอุณหภูมิอากาศที่อ่านได้จากเทอร์โมมิเตอร์ที่กระเปาะหุ้มด้วยสำลีที่ชื้น ในขณะที่มีกระเเสลมพัดผ่านกระเปาะด้วยความเร็วไม่น้อยกว่า 5 เมตรต่อวินาที บางครั้งเรียกว่า "อุณหภูมิเอไดอาแบติต"

รู้นิยามเเล้วยังคงงงอยู่ มาดู Psychrometric chart กันดีกว่าครับ

Brayton Cycle Calculation

An air-standard Brayton Cycle operates with 90 kPa (0.9 bar) and 300 K (26.85 ^oC) at compressor inlet , the compressor ratio is 9.0 and the maximum temperature is 1450 K(1176.85 C) on the basis of a cold air-standard analysis ,using Cv = 0.718 kJ/kgK and Cp = 1.005 kJ/kgK determine the

1) Temperature at the compressor outlet in K

     2) Peak pressure, in kPa
     3) Temperature at the turbine outlet  in K
     4) Heat addition in the burner  in kJ/kg
     5) Net work for cycle , in kJ/kg
     6) Thermal Efficiency
     7) Back work ratio

ก่อนที่จะลองทำโจทย์ข้อนี้ ถามตัวเองก่อนว่า จำค่า Cv และ Cp ได้หรือไม่ ทั้ง Cv และ Cp มีหน่วยเป็น  kJ/kgK แล้วต่างกันอย่างไร

Cv = Constant Volume Specific Heat

Cp = Constant Pressure Specific Heat

 ค่า Cv หาได้เมื่อ เมื่อให้ความร้อนในภาชนะปิด ที่มีปริมาตรคงที่ จนกระทั่งอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ค่า Cp หาได้เมื่อ เมื่อให้ความร้อนในภาชนะปิดจนกระทั่งอุณหภูมิเพิ่มขึ้น เเต่มีการวาง นน บน ลูกสูบ เพื่อให้ความดันคงที่ตลอด เเต่ปริมาตรเพิ่มขึ้นได้

จะพบว่าค่า Cp มีค่ามากกว่า Cv เสมอ เพราะ กำหนดให้อุณหภูมิเปลี่ยนเเปลงเท่ากันเเต่ Cp ต้องมีงานส่วนหนึ่งดันลูกสูบให้ขยับขึ้น

จากโจทย์รู้อะไรบ้าง อย่างเเรกผู้คำนวนต้องจำ cycle เเละ T-S diagram ว่ามีขบวนการอะไรบ้าง

 1) Temperature at the compressor outlet in K

    P₁ = 90 kPa และ T₁ = 300 K
   จากโจทย์รู้ว่า compression ratio = 9 จากจุด 1 ไป 2 เเสดงว่าความดันเพิ่มขึ้น   P₂ =9x90 =810 kPa
   จะพบว่า P₃  =810 kPa เนื่อง จาก อยู่บนเส้นความดันเดียวกัน

  g = 1.005/0.718 = 1.4

  (g-1)/g = (1.4-1)/1.4 = 0.286

  อุณหภูมิที่ทางออกของ compressor คือ  T₂

  T₂ = 300 x (810/90)^0.286 = 562.4 K

-------------------------------------------------------------------------------------------

  2) Peak pressure, in kPa คือ P₃  =810 kPa

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

  3) Temperature at the turbine outlet  in K คือ  T₄

   จากโจทย์รู้ว่า maximum temperature is 1450 K คือ  T₃

 T₄ = 1450 x (90/810)^0.286 = 773.4 K
-------------------------------------------------------------------------------------------
   4) Heat addition in the burner  in kJ/kg

Qin = Cp(T3-T2) = 1.005(1450-562.4) = 892 KJ/kg
------------------------------------------------------------------------------------------
5) Net work for cycle , in kJ/K

  Wt = Cp(T3-T4) = 1.005(1450-773.4) = 680 KJ/kg

  Wc= Cp(T2-T1) = 1.005(562.4-300)   =  261 KJ/kg

   

  Net Work = Wt-Wc = 680-261 = 419 KJ/kg

-------------------------------------------------------------------------------------------
 6) Thermal Efficiency = Net Work / Qin = 419/892 = 46.97
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 7) Back work ratio =Wc/Wt = 261/680 = 0.38

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ไชยรัตน์ โอภานุมาศ วศ.บ, บธ.ม สถ.ม
วุฒิวิศวกรเครื่องกล วก.928
รับออกเเบบงาน เขียนเเบบ พร้อมเซ็นต์รับรอง งานระบบเครื่องกลทุกประเภทในอาคาร
ติดต่อ 081-7056539

กำลังมอเตอร์สำหรับปั๊มป์เป็นเรื่องง่ายๆ ถ้าเข้าใจที่มา ตอนที่ 2

จากตอนที่ 1  กำลังเพลาที่ให้ปั๊มป์ (bhp) ถ้าคำนวนได้ ตรงกับ พิกัดกำลังของมอเตอร์ที่ผลิตอยู่ในท้องตลาด  bhp จะเป็นค่าเดียวกับ HP หรือ kW ที่อยู่บน nameplate สำหรับตอนนี้ลอง มาดูเรื่องความเร็วรอบของมอเตอร์ที่เเสดงไว้ใน nameplate

จะพบว่าความเร็วรอบที่แสดงบน nameplate มีค่าน้อยกว่า synchronous speed เสมอ เนื่องจากมีการลื่น (slip) จากสูตร

Nr = Ns(1-S)

เมื่อ

Nr = Speed of induction motor

Ns = Synchronous speed

S = % of slip

ถ้าไม่มีการลื่นเกิดขึ้น S = 0, ดังนั้น Nr = Ns ,สำหรับการหา Synchronous speed  หาได้จากสูตร

Ns = 120f/P

เมื่อ

f = Electrical Frequency (Hz)

P = Poles of motor

จะพบว่าสิ่งที่ไม่มีบน nameplate คือ จำนวน pole และ slip จึงต้องลองใช้ จำนวน pole ที่ 2,4,6,8 มาลองคำนวน

Ns = 120x50/4 = 1500

S =(Ns-Nr)x100/Ns = (1500-1400)x100/1500 = 6.67%

Ns = 120x60/2 = 3600

S =(Ns-Nr)x100/Ns = (3600-3577)x100/3600 = 0.64%

Ns = 120x300/2 = 18000

S =(Ns-Nr)x100/Ns = (18000-17290)x100/18000 = 3.94%

สำหรับความถึ่ 50 Hz

Ns = 120x50/6 = 1000

S =(Ns-Nr)x100/Ns = (1000-990)x100/1000 = 1%

สำหรับความถึ่ 60 Hz

Ns = 120x60/6 = 1200

S =(Ns-Nr)x100/Ns = (1200-1185)x100/1200 = 1.25%

คำถามคือ % slip มีผลต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์เเละ RPM มีผลต่อพิกัดกำลังหรือไม่

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ไชยรัตน์ โอภานุมาศ วศ.บ, บธ.ม สถ.ม
วุฒิวิศวกรเครื่องกล วก.928
รับออกเเบบงาน เขียนเเบบ พร้อมเซ็นต์รับรอง งานระบบเครื่องกลทุกประเภทในอาคาร
ติดต่อ 081-7056539

กำลังมอเตอร์สำหรับปั๊มป์เป็นเรื่องง่ายๆ ถ้าเข้าใจที่มา ตอนที่ 1

ในการออกแบบระบบท่อส่งของเหลว หรือท่อส่งลม ต้องมีอุปกรณ์ในการเพิ่มความดัน นั่นคือ ปั๊มป์เเละพัดลม ตามลำดับ ซึ่งจำเป็นต้องหากำลังที่ใช้ในการขับ ของเหลว หรือ อากาศ ในอัตราการไหลที่กำหนด เเละ ความดันตกคร่อมที่มีในระบบ ซึ่งมีสูตรการหาดังนี้

Output Power (hp)= (QxHxSG) / 3960

Q คือ อัตราการไหลที่ต้องการ มีหน่วยเป็น GPM

H คือ  Total Dynamic Head มีหน่วยเป็น ft เป็นค่าที่รวมความดันสูญเสียในระบท่อ เเละ ความเเตกต่างของความสูงที่ต้องการส่ง

ดังนั้น Shaft Power (Ps)หรือ Break Horse Power (bhp) จึงต้องรู้ประสิทธิภาพของปั๊มป์ (Ep)โดยการนำประสิทธิภาพของปั๊มป์มาหาร Output Power

bhp =(QxHxSG)/(3960xEp)

มาถึงตรงนี้ น่าจะเข้าใจเเล้วว่า ทำไมใน curve ของผู้ผลิตจึงใช้ค่า  bhp เพราะผู้ผลิตรู้ตัวเลขประสิทธิภาพของปั๊มป์หรือพัดลม จากกราฟที่ผู้ผลิตทำมาสามารถเลือก bhp จาก GPM และ Head loss (Feet)

 

จากรูปด้านบน ที่ 3000 GPM @70 feet จะได้ bhp = 67.5 จึงเลือก motor size ที่ 75 hp

หรือจาการคำนวน (3000x70)/(3960x0.81) = 65.47

ดังนั้น ที่ name plate พิกัดของมอเตอร์ที่เลือกใช้ตามปกติ คือ 75 hp เป็นกำลังที่มอเตอร์ให้กับเพลานั่นเอง

สำหรับ API 661 มีข้อกำหนดเพิ่มเติมตามตารางด้านล่าง

 

จะเห็นว่าที่ bhp = 67.5 ใช้ percentage rated pump power เป็น 1.15  ดังนั้น  67.5x1.15 = 77.625  HP ไม่สามารถเลือกที่ 75 HP จึงต้องเลือกมอเตอร์ที่มีพิกัดสูงกว่า ซึ่งคือ  100 HP

จะพบว่าการเลือกขนาดมอเตอร์ทั่วไปจะได้ขนาดมอเตอร์ที่ต่ำกว่าเมื่อต้องอ้างอิง code API

เเล้วสำหรับพัดลมคำนวนเหมือนกันหรือไม่ ตอบได้ว่าเเนวคิดเหมือนกันเพียงเเต่สำหรับอากาศความดันสูญเสียที่ใช้ คิดเฉพาะในระบบท่อลม ไม่ต้องนำความเเตกต่างของความสูงมาคำนวน

อัตราการไหลของอากาศใช้หน่วย   CFM

ความดันสูญเสียใช้หน่วย  in WG หรือ in aq ภาษาไทย  คือ นิ้วน้ำ

ประสิทธิภาพของพัดลมคือ Ef

สูตรที่ใช้คือ

bhp   =(  CFMxin aq  )/(6356xEf)       ; 1 HP = 0.7457 kW

 

ลองคำนวนดูว่าใกล้เคียงหรือไม่

Bhp = (700x8)/(6356x0.25) = 3.52 HP หรือ 2.628 kW

ดังนั้นเลือกมอเตอร์ที่มีพิกัดใกล้เคียงแต่มากกว่า คิอ 3 kW ( Nameplate)

***คำถาม ก่อนจบตอนที่ 1 ทำไม Fan Curve ของพัดลมจึงเเสดง RPM หลายค่า เเต่ Pump Curve ต้องกำหนด RPM ที่ค่าใดค่าหนึ่ง
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ไชยรัตน์ โอภานุมาศ วศ.บ, บธ.ม สถ.ม
วุฒิวิศวกรเครื่องกล วก.928
รับออกเเบบงาน เขียนเเบบ พร้อมเซ็นต์รับรอง งานระบบเครื่องกลทุกประเภทในอาคาร
ติดต่อ 081-7056539