การศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม้ของเตาประหยัดพลังงาน EB-10 ด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณร่วมกับการทดลอง

งานวิจัยนี มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาพฤติกรรมการไหลและการเผาไหม้ของเตาประหยัดพลังงาน EB-10 ด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics: CFD) โดยการจำลองแบบ 3 มิตินอกจากนี้ ยังศึกษาอิทธิพลของการหมุนวนต่อพฤติกรรมการเผาไหม้ของเตา EB-10 เพื่อหามุมเงยและมุมหมุนวนที่เหมาะสมที่ทำให้เตามีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงที่สุดด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics: CFD) ร่วมกับการทดลอง โดยความสัมพันธ์ระหว่างมุมเงยและมุมหมุนวน จะถูกกำหนดด้วยวิธีพื้นผิวตอบสนอง(Response Surface Methodology: RSM) ทำให้ได้หัวเตาทั้งหมด 9 รูปแบบ คือ SEB-I68S24, SEB-I89S12,SEB-I85S24, SEB-I77S29, SEB-I77S12, SEB-I77S05, SEB-I68S00, SEB-I65S12 และ SEB-I68S15 โดยทั้ง 9 หัวเตาจะถูกเปรียบเทียบกับเตา EB-10 แบบดั้งเดิม ซึ่งมีมุมเงยเท่ากับ 85 องศาและมุมหมุนวนเท่ากับ 0 องศา (EB-I85S00) อีกด้วย ในการศึกษานี้ ได้ใช้แบบจำลองคาบซ้ำในการจำลองพฤติกรรมการเผาไหม้ของหัวเตาทั้ง 10 หัวเตา เพื่อลดเวลาในการจำลอง และทำการยืนยันความน่าเชื่อของแบบจำลองด้วยการวัดความเร็วและอุณหภูมิของการเผาไหม้ จากการจำลอง พบว่า แบบจำลองเต็มส่วนมีความถูกต้องโดยมีความคลาดเคลื่อนร้อยละ 6.52 และ 4.49 เมื่อเปรียบเทียบกับผลการวัดความเร็วบริเวณวงแหวนและบริเวณหัวฉีด ตามลำดับ และมีความคลาดเคลื่อนไม่เกินร้อยละ 3.43 เมื่อเปรียบเทียบกับผลการทดลองวัดอุณหภูมิส่วนแบบจำลอง Periodic model มีความถูกต้องโดยมีความคลาดเคลื่อนร้อยละ 1.75 เมื่อเปรียบเทียบกับการวัดอุณหภูมิ โดยแบบจำลองทั้งสองสามารถอธิบายพฤติกรรมการไหลและการเผาไหม้ของเตาได้อย่างชัดเจน และเมื่อความดันแก๊สแอลพีจีเพิ่มสูงขึ้น ความเร็วของแก๊สร้อน อุณหภูมิการเผาไหม้ และค่าการถ่ายเทความร้อนที่ผิวก้นภาชนะจะมีค่าสูงขึ้น ซึ่งมีค่าสูงสุดเท่ากับ 14.56 m/s, 1,297.31 K, 2.94 kW ตามลำดับ สำหรับเตา EB-I85S00 และเมื่อทำการเปรียบเทียบเตาทั้ง 10 หัวเตา พบว่า เตา SEB-I68S24 จะเป็นเตาที่ให้ค่าการถ่ายเทความร้อนรวมสูงที่สุด ซึ่งมีค่าเท่ากับ 4.066 kW และมีความเร็วของแก๊สร้อน อุณหภูมิการเผาไหม้เท่ากับ 14.92 m/s, และ 1,292.53 K ที่ความดัน LPG เท่ากับ 30 psi ตามลำดับ ซึ่งแสดงว่า เตา SEB-I68S24 เป็นเตาที่เหมาะสมที่สุด จากนั้นเตา SEB-I68S24 จากแบบจำลองจะถูกนำมาสร้างขึ้นจริงเพื่อนำมาทดสอบประสิทธิภาพเชิงความร้อน และนำมาเปรียบเทียบกับประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเตา EB-I85S00 ซึ่งพบว่า เตา SEB-I68S24 มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่าของเตา EB-I85S00 ที่ทุกความดันของแอลพีจี และมีค่าสูงสุดเท่ากับร้อยละ 49.47 และ 44.81 ตามลำดับ ที่ความดันเท่ากับ 4 psi ซึ่งคิดเป็นการประหยัดพลังงานร้อยละ 9.42 โดยที่ปริมาณ CO ของเตา SEB-I68S24 มีปริมาณ CO สูงกว่าเตา EB-I85S00 ซึ่งมีปริมาณสูงสุดเท่ากับ 2,038.55 ppm และ 1,851.17 ppm ตามลำดับ ในขณะเตาทั้งสองมีปริมาณ NOx ไม่เกิน 60 ppm นอกจากนี ยังพบว่า ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของเตา (Burner heat transfer efficiency) ที่ถูกคำนวณจากการจำลองด้วย CFD และประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal efficiency) ที่ได้จากการทดลองของทั้งสองเตามีแนวโน้มความสอดคล้องกัน โดยเตา SEB-I68S24 มีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของเตา สูงกว่าเตา EB-I85S00 เฉลี่ยร้อยละ 3.16 ในขณะที่ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่าเฉลี่ยร้อยละ 4.66 และเมื่อคิดอัตราส่วนระหว่างประสิทธิภาพเชิงความร้อนต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของเตาเฉลี่ยจะมีค่าเท่ากับ 1.48 ดังนั้น จึงสรุปได้ว่า แบบจำลองของ CFD และประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของเตา (Burner heat transfer efficiency) รวมถึงอัตราส่วนดังกล่าวข้างต้น สามารถนำไปประยุกต์ใช้เพื่อออกแบบและปรับปุรงประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเตาประหยัดพลังงาน EB-10 ได้ และยังสามารถนำวิธีการดังกล่าวนี้ ไปประยุกต์ใช้เพื่อพัฒนาหัวเตาในรูปแบบอื่น ๆ ได้ต่อไปในอนาคต