การคำนวณและกำหนดขนาดของท่อลมร้อน

[siritidaphon]

การคำนวณและกำหนดขนาดของท่อลมร้อน

การคำนวณและกำหนดขนาดของท่อลมร้อนเป็นขั้นตอนวิศวกรรมที่สำคัญมากในการออกแบบระบบ เพื่อให้มั่นใจว่าลมร้อนจะถูกส่งไปยังจุดที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปลอดภัย และประหยัดพลังงาน การคำนวณที่ถูกต้องจะช่วยลดการสูญเสียแรงดัน ลดการสูญเสียความร้อน และเลือกขนาดพัดลมที่เหมาะสม

ปัจจัยหลักที่ต้องพิจารณาและขั้นตอนการคำนวณมีดังนี้ครับ:

1. ข้อมูลพื้นฐานที่จำเป็น (Essential Data)
ก่อนที่จะเริ่มคำนวณ คุณต้องมีข้อมูลพื้นฐานของกระบวนการและระบบที่ชัดเจน:

ปริมาณลมร้อนที่ต้องการ (Desired Air Flow Rate):
หน่วย: CFM (Cubic Feet per Minute) หรือ m³/hr (Cubic meters per hour)
นี่คือปริมาณลมร้อนที่จำเป็นต้องส่งไปยังจุดใช้งานเพื่อตอบสนองความต้องการของกระบวนการ (เช่น การอบแห้ง, การทำความร้อน)
อุณหภูมิของลมร้อน (Air Temperature):
หน่วย: °C หรือ °F
อุณหภูมิของลมร้อน ณ ต้นกำเนิด (Source) และอุณหภูมิที่ต้องการ ณ จุดใช้งาน (Destination)
ระยะทางและเส้นทางการเดินท่อ (Duct Length & Routing):
ความยาวรวมของท่อลมร้อนทั้งหมด
จำนวนและชนิดของข้อต่อ (เช่น ข้อศอก, วาล์ว, Reducer/Expander)
คุณสมบัติของลมร้อน (Air Properties):
ความหนาแน่นของลม (Air Density): ค่าความหนาแน่นของลมจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ซึ่งส่งผลต่อการคำนวณแรงดันและการไหล
ความหนืดของลม (Air Viscosity): มีผลต่อแรงเสียดทานภายในท่อ


2. หลักการและขั้นตอนการคำนวณ (Principles & Calculation Steps)
การคำนวณขนาดท่อลมร้อนจะมุ่งเน้นไปที่การสมดุลระหว่างความเร็วลม (Air Velocity) การสูญเสียแรงดัน (Pressure Drop) และการสูญเสียความร้อน (Heat Loss)

2.1 กำหนดความเร็วลมที่เหมาะสม (Determine Optimal Air Velocity):

ความเร็วลมที่สูงเกินไป: จะทำให้เกิดการสูญเสียแรงดันสูงมาก (High Pressure Drop), เกิดเสียงดัง, และอาจทำให้ท่อสึกหรอได้ง่าย
ความเร็วลมที่ต่ำเกินไป: จะทำให้ท่อมีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น (Costly), และอาจไม่สามารถส่งลมได้เพียงพอ
ช่วงความเร็วลมที่แนะนำ:
สำหรับท่อหลัก (Main Ducts): ประมาณ 10-20 เมตร/วินาที (m/s) หรือ 2,000-4,000 ฟุต/นาที (fpm)
สำหรับท่อสาขา (Branch Ducts): ประมาณ 7-15 เมตร/วินาที (m/s) หรือ 1,400-3,000 ฟุต/นาที (fpm)
(หมายเหตุ: ค่าเหล่านี้เป็นแนวทางทั่วไป และอาจแตกต่างกันไปตามลักษณะของกระบวนการและมาตรฐานเฉพาะ)


2.2 คำนวณพื้นที่หน้าตัดของท่อ (Calculate Duct Cross-Sectional Area):

เมื่อได้ปริมาณลม (Q) และกำหนดความเร็วลมที่ต้องการ (V) แล้ว สามารถคำนวณพื้นที่หน้าตัด (A) ของท่อได้ด้วยสูตร: A=Q/V
จากนั้น เมื่อได้พื้นที่หน้าตัด A ก็สามารถหาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง (สำหรับท่อกลม) หรือขนาดด้าน (สำหรับท่อเหลี่ยม) ที่ต้องการได้
สำหรับท่อกลม: D=
(4×A)/π

สำหรับท่อเหลี่ยม: สามารถกำหนดสัดส่วนด้าน (เช่น 1:1 หรือ 1:2) แล้วหาขนาดด้านได้

2.3 การคำนวณการสูญเสียแรงดัน (Pressure Drop Calculation):

แรงเสียดทาน (Friction Loss): เกิดจากการเสียดสีของลมร้อนกับผนังท่อตลอดความยาวท่อ ใช้แผนภูมิหรือสูตรการคำนวณ เช่น Darcy-Weisbach Equation หรือ Colebrook-White Equation
แรงสูญเสียเฉพาะจุด (Minor Loss/Dynamic Loss): เกิดจากข้อต่อ, ข้อศอก, วาล์ว, การเปลี่ยนขนาดท่อ, และอุปกรณ์อื่นๆ สามารถคำนวณได้โดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสีย (Loss Coefficient, K) หรือความยาวท่อเทียบเท่า (Equivalent Length, Le)
รวมการสูญเสียแรงดันทั้งหมด: นำค่าการสูญเสียจากแรงเสียดทานและแรงสูญเสียเฉพาะจุดมารวมกัน เพื่อหาแรงดันรวมที่ระบบต้องเอาชนะ
(หมายเหตุ: การคำนวณแรงดันจะซับซ้อนขึ้นเมื่อความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ)

2.4 การคำนวณการสูญเสียความร้อน (Heat Loss Calculation):

ประเมินปริมาณความร้อนที่สูญเสียจากท่อสู่สิ่งแวดล้อมผ่านฉนวน
ใช้สูตรการถ่ายเทความร้อนแบบการพาความร้อน (Convection) และการนำความร้อน (Conduction) ผ่านฉนวน
Q
loss
​
 =(U×A
surface
​
 ×ΔT)
เมื่อ Q
loss
​
  = อัตราการสูญเสียความร้อน
U = สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม (Overall Heat Transfer Coefficient) ของท่อพร้อมฉนวน
A
surface
​
  = พื้นที่ผิวท่อที่สัมผัสกับสิ่งแวดล้อม
ΔT = ผลต่างอุณหภูมิระหว่างลมร้อนในท่อกับอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม
การคำนวณนี้จะช่วยยืนยันความหนาของฉนวนที่จำเป็น เพื่อให้มั่นใจว่าอุณหภูมิที่ปลายทางยังคงเป็นไปตามที่ต้องการ และลดการสิ้นเปลืองพลังงาน
3. การเลือกวัสดุและส่วนประกอบ (Material & Component Selection)
การคำนวณขนาดท่อจะควบคู่ไปกับการเลือกวัสดุและส่วนประกอบที่เหมาะสม:

วัสดุท่อ: เลือกชนิดของวัสดุ (Carbon Steel, Stainless Steel, etc.) ที่ทนอุณหภูมิ แรงดัน และคุณสมบัติของลมร้อนได้
ฉนวนกันความร้อน: กำหนดชนิดและความหนาของฉนวนตามผลการคำนวณการสูญเสียความร้อน เพื่อให้มั่นใจว่าอุณหภูมิผิวท่อภายนอกปลอดภัยและประหยัดพลังงาน
ข้อต่อและอุปกรณ์: เลือกข้อศอก, วาล์ว, หน้าแปลน ที่มีขนาดและ Rating แรงดัน/อุณหภูมิที่เหมาะสม

4. การเลือกพัดลม (Fan/Blower Selection)
เมื่อได้ ปริมาณลมรวม (Total Flow Rate) ที่ต้องการ และ แรงดันรวม (Total Pressure) ที่ระบบต้องเอาชนะแล้ว ก็สามารถเลือกพัดลม (Fan/Blower) ที่มี Performance Curve ที่เหมาะสมที่สุดได้ โดยคำนึงถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (Efficiency) และระดับเสียงรบกวน (Noise Level)

5. การใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ช่วยออกแบบ (Software for Design)
การคำนวณระบบท่อลมร้อนที่ซับซ้อน หรือมีท่อยาวๆ หลายสาขา มักจะใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบ (เช่น Ductulator, ซอฟต์แวร์ HVAC Design, CFD Simulation) ซึ่งช่วยให้การคำนวณรวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น

6. การปรับสมดุล (Balancing)
หลังจากคำนวณเบื้องต้นแล้ว อาจจำเป็นต้องมีการปรับขนาดท่อหรือความเร็วลมซ้ำไปมา เพื่อให้ได้การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดในด้านประสิทธิภาพ, ต้นทุน, และความปลอดภัย

การคำนวณและกำหนดขนาดท่อลมร้อนเป็นงานที่ต้องอาศัยความรู้ด้านวิศวกรรมเฉพาะทาง การปรึกษาหรือใช้บริการจากวิศวกรผู้เชี่ยวชาญจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้ได้ระบบที่ทำงานได้อย่างเหมาะสมที่สุดครับ