ภาพย่อกราฟ: เส้นโค้งพัดลมตัดกับเส้นโค้งความต้านทานระบบที่จุดทำงาน 100 m³/s และ 150 Pa

เส้นโค้งพัดลมและสมดุลระบบ: พัดลมหอผึ่งเย็นทำงานที่จุดใดจริง ๆ

12 ตุลาคม พ.ศ. 2569 · โดย Jirathip Kunkanjanathorn

พัดลมหอผึ่งเย็น (Cooling Tower) ไม่ได้จ่ายปริมาณลมคงที่ แต่จะเข้าที่จุดที่เส้นโค้งแรงดัน-ปริมาณลมของตัวเองตัดกับความต้านทานของทุกอย่างถัดจากช่องอากาศขาเข้า และจุดตัดนั้น — จุดทำงาน (Operating Point) — เป็นตัวกำหนดว่าแผงกระจายน้ำ (Fill) ได้ลมจริงเท่าใด ด้วยเหตุนี้การเปลี่ยนแผงดักละอองน้ำ (Drift Eliminator) เป็นแบบที่ต้านทานสูงขึ้น การล้างแผงกระจายน้ำที่อุดตัน หรือการเพิ่มตะแกรงหน้าช่องลม จึงเปลี่ยนสมรรถนะหอได้โดยไม่ต้องแตะตัวพัดลมเลย

สองเส้นโค้ง หนึ่งจุดทำงาน

พัดลมมีคุณลักษณะเป็นเส้นโค้งแรงดัน-ปริมาณลมจากผู้ผลิต คือที่แต่ละปริมาณลม พัดลมสร้างแรงดันได้เท่าใด รูปร่างของเส้นโค้งสำคัญ เพราะเส้นโค้งส่วนใหญ่ไต่ขึ้นไปถึงจุดสูงสุดแล้วตกลง และถัดจากจุดสูงสุดคือช่วงสตอลล์ (Stall) ซึ่งการไหลไม่เสถียรและค่าที่รับประกันบนเส้นโค้งใช้ไม่ได้อีก

ตัวหอมีคุณลักษณะเป็นเส้นโค้งความต้านทานของระบบ สำหรับการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent) ผ่านแผงกระจายน้ำ แผงดักละอองน้ำ และบานเกล็ด ความต้านทานเพิ่มขึ้นประมาณกำลังสองของปริมาณลม

ΔPsystem = K Q²

พัดลมทำงานที่จุดที่เส้นโค้งสองเส้นตัดกัน

ΔPfan(Q) − ΔPsystem(Q) = 0

ไม่มีอย่างอื่นกำหนดปริมาณลม หากความต้านทานของหอเพิ่มขึ้น — แผงกระจายน้ำอุดตัน ช่องลมเข้าถูกปิดบางส่วน แผงดักละอองน้ำมีตะกรัน — จุดตัดจะเลื่อนลงไปที่ปริมาณลมต่ำลงตามเส้นโค้งพัดลม และหอจะสูญเสียมวลลมในสัดส่วนนั้น

ค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียทุกตัวมี “ความเร็วอ้างอิง” ของตัวเอง

ความผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการประกอบแบบจำลองฝั่งอากาศ คือการนำค่าความดันตกที่วัดที่ความเร็วอ้างอิงต่างกันมาเทียบกัน ค่าความดันตกของแผงดักละอองน้ำจากผู้ผลิตอาจอ้างที่ความเร็วลมที่ผ่านหน้าแผง ความดันตกของแผงกระจายน้ำอ้างที่ภาระน้ำและลมของมันเอง และค่าสูญเสียของบานเกล็ดอ้างที่ความเร็วลมที่เข้าบานเกล็ด ค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียเป็นตัวเลขที่มีความหมายเฉพาะเมื่อเทียบกับความเร็วที่นิยามไว้ หากนำฐานสองแบบมาผสมกัน การคำนวณยังให้ตัวเลขออกมา แต่ไม่ใช่ตัวเลขที่ถูกต้อง

มีอีกสองประเด็นที่มักถูกละเลย

ความเร็วสองฝั่งของแผงกระจายน้ำไม่เท่ากัน อากาศเข้าสู่แผงกระจายน้ำทั่วพื้นที่หน้าตัดของหอ แต่ออกที่ปล่องพัดลม (Fan Stack) ซึ่งพื้นที่มักเล็กกว่า ความเร็วที่ปล่องจึงสูงกว่า และค่าสูญเสียที่ทางออกปล่องต้องประเมินที่จุดนั้น
การถ่ายเทความร้อนเกิดสามโซน ไม่ใช่โซนเดียว โซนสเปรย์ แผงกระจายน้ำ และโซนฝน ต่างก็ถ่ายเทความร้อนและต้านทานการไหลของอากาศ โมเดลที่รวมทุกอย่างเป็นค่าสูญเสียของแผงกระจายน้ำเพียงค่าเดียว จะจัดตำแหน่งความดันตกผิดระหว่างองค์ประกอบ

กฎ Affinity

การเลื่อนจุดทำงานอย่างตั้งใจทำได้โดยเปลี่ยนความเร็วพัดลม รอบจุดทำงานอ้างอิง กฎ Affinity ให้สภาวะใหม่ดังนี้

Q2 / Q1 = N2 / N1

ΔP2 / ΔP1 = (ρ2 / ρ1) (N2 / N1)²

โดยกำลังที่เพลาจะแปรตามกำลังสามของอัตราส่วนความเร็ว ที่ความหนาแน่นและประสิทธิภาพเท่าเดิม ข้อสรุปในทางปฏิบัติชัดเจน คือปริมาณลมถูก แรงดันแพง และกำลังแพงที่สุด

ตัวอย่างประกอบ

ตัวเลขต่อไปนี้เป็นตัวอย่างประกอบ ไม่ใช่ผลการวัดจริง

ปริมาณ	ที่ `N1`	ที่ `N2` = 1.1 `N1`
ปริมาณลมเชิงปริมาตร	100 m³/s	110 m³/s
แรงดันพัดลม	150 Pa	181.5 Pa
อัตราส่วนกำลังที่เพลา	1.000	1.331

การเพิ่มความเร็ว 10% ให้ปริมาณลมเพิ่ม 10% แต่ใช้กำลังที่เพลาเพิ่มขึ้นประมาณ 33% เมื่อใช้ความสัมพันธ์เดียวกันย้อนกลับ ข้อดีด้านพลังงานของการควบคุมความเร็วรอบก็ปรากฏ คือลดความเร็วลงเหลือ 90% ให้ปริมาณลมประมาณ 90% ด้วยกำลังประมาณ 73%

ตัวอย่างประกอบ คำนวณจากสมการข้างต้น ไม่ใช่ผลการวัด เส้นที่เพิ่มขึ้นคือความต้านทานระบบ ΔP = K Q² โดย K = 0.015 Pa·s²/m⁶ และเส้นที่ลดลงคือเส้นโค้งพัดลมตัวอย่างประกอบ ΔP = 210 − 0.006 Q² Pa ซึ่งเลือกให้ผ่านจุดทำงานของตัวอย่างในบทความนี้ คือ 100 m³/s ที่ 150 Pa ด้านล่างคือกำลังเพลา P = Q ΔP / ηfan โดย ηfan = 0.70 ได้ 21.4 kW ที่จุดออกแบบ 28.5 kW ที่ความเร็ว 110% (+33%) และ 15.6 kW ที่ความเร็ว 90% (73% ของจุดออกแบบ) ซึ่งคือกฎกำลังสามที่อ่านได้จากกราฟนี้ แผนภูมิทั้งหมดในชุดบทความนี้แยกหน้าละหนึ่งแผนภูมิ พร้อมแถบสภาวะร่วมชุดเดียว: ห้องทดลองหอผึ่งเย็น

ต่อจากตัวอย่างเดิม ด้วยประสิทธิภาพพัดลม 0.70

Pshaft = Q ΔP / ηfan = (100 × 150) ÷ 0.70 ≈ 21.4 kW

Pelectrical = Pshaft / (ηdrive × ηmotor) = 21.4 ÷ (0.95 × 0.94) ≈ 24.0 kW

ผลต่างระหว่างตัวเลขสองค่านี้ไม่ใช่รายละเอียดยิบย่อย แต่เป็นผลต่างระหว่างการเลือกขนาดมอเตอร์จากกำลังที่เพลากับการเลือกจากกำลังไฟฟ้าขาเข้าจริง ซึ่งเป็นสิ่งที่โรงงานจ่ายเงิน

ความหนาแน่นคือตัวแปรที่เงียบที่สุด

ทั้งพัดลมและสมรรถนะทางความร้อนขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอากาศ และความหนาแน่นลดลงเมื่ออากาศร้อนขึ้นและชื้นขึ้น ทำให้เกิดผลสองอย่างที่ซ้ำกันในวันที่ร้อนและชื้นที่สุดของปี

พัดลมสร้างแรงดันได้น้อยลงที่ความเร็วเท่าเดิม จึงเข้าที่ปริมาณลมเชิงปริมาตรที่ต่ำลง
แต่ละลูกบาศก์เมตรพามวลอากาศแห้งน้อยลง มวลลมที่ถ่ายเทความร้อนจริงจึงลดลงอีกชั้น

นี่คือเหตุผลที่แบบจำลองฝั่งอากาศซึ่งติดตามด้วยปริมาณลมเชิงปริมาตรจะให้ผลดีเกินจริงในวันออกแบบ และเป็นเหตุผลที่ G ในอัตราส่วน L/G ซึ่งคือมวลลมแห้ง คือปริมาณที่การคำนวณทางความร้อนต้องการ

จากกำลังพัดลมสู่การเลือกมอเตอร์

กำลังที่เพลาถูกแปลงเป็นกำลังไฟฟ้าขาเข้าผ่านประสิทธิภาพชุดขับเคลื่อนและมอเตอร์ จากนั้นจึงเลือกมอเตอร์โดยเผื่อสิ่งที่พัดลมจะดึงจริงตลอดช่วงการทำงาน

เส้นโค้งกำลังของพัดลมไม่แบน กำลังสูงสุดอาจเกิดที่ปริมาณลมซึ่งโรงงานแทบไม่เดิน และมอเตอร์ต้องรับไหว
ต้องใช้ ค่า Service Factor ก่อนเลือกขนาดจากแคตตาล็อกถัดไป
ต้องมีการ ลดพิกัด (Derating) ที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงและที่พื้นที่สูงกว่าระดับน้ำทะเล ซึ่งการระบายความร้อนแย่ลงและความหนาแน่นต่ำลง
สตอลล์ มุมใบพัด ความเร็วปลายใบ (Tip Speed) System Effect เสียง และการสั่นสะเทือน ล้วนเป็นข้อจำกัดที่เส้นโค้งเพียงอย่างเดียวไม่แสดง

พัดลมหอผึ่งเย็นส่วนใหญ่ไม่ได้เดินที่ความเร็วคงที่เดียว มอเตอร์สองความเร็ว ชุดเกียร์ (Gearbox) สองความเร็ว อินเวอร์เตอร์ (VFD) หรือการปรับมุมใบพัด ต่างก็เลื่อนจุดทำงานด้วยกลไกที่ต่างกัน และมีปฏิสัมพันธ์กับผลตอบสนองทางความร้อนของหอต่างกัน เพราะสิ่งที่แผงกระจายน้ำสนใจคือมวลลม ไม่ใช่รอบพัดลม

อ่านต่อ

แหล่งอ้างอิง

U.S. Department of Energy & AMCA International — Improving Fan System Performance: A Sourcebook for Industry (2003) — กฎพัดลม (Fan Laws — อัตราการไหลแปรตามความเร็ว ความดันแปรตามกำลังสองของความเร็ว กำลังแปรตามกำลังสาม) เส้นโค้งความต้านทานของระบบ (System Resistance Curve) ค่า Service Factor และการแก้ค่าสมรรถนะพัดลมตามความหนาแน่นอากาศ
Hensley, J.C. (ed.) — Cooling Tower Fundamentals, 2nd edition (SPX Cooling Technologies, 2009) — กฎพัดลมของหอผึ่งเย็น — ความจุแปรตามความเร็ว ความดันสถิตแปรตามกำลังสองของความจุ กำลังแปรตามกำลังสาม — และการขึ้นกับความหนาแน่นอากาศที่อัตราการไหลคงที่

คำถามที่พบบ่อย

อะไรเป็นตัวกำหนดปริมาณลมของพัดลมหอผึ่งเย็น?

จุดตัดของเส้นโค้งสองเส้น ได้แก่เส้นโค้งแรงดัน-ปริมาณลมของพัดลมเอง กับเส้นโค้งความต้านทานของระบบหอที่พัดลมติดตั้งอยู่ พัดลมไม่ได้จ่ายปริมาณลมคงที่ เมื่อเปลี่ยนแผงกระจายน้ำ แผงดักละอองน้ำ หรือบานเกล็ด พัดลมตัวเดิมจะเข้าที่ปริมาณลมใหม่

เพิ่มความเร็วพัดลมเล็กน้อยต้องใช้กำลังเพิ่มเท่าใด?

สำหรับพัดลมที่เดินตามเส้นโค้งระบบเดิม ปริมาณลมแปรตามความเร็ว แรงดันแปรตามกำลังสองของความเร็ว และกำลังที่เพลาจึงแปรตามกำลังสาม การเพิ่มความเร็ว 10% ทำให้กำลังที่เพลาเพิ่มขึ้นประมาณ 33% ซึ่งเป็นเหตุผลเดียวกันที่การควบคุมความเร็วรอบช่วยประหยัดพลังงานได้มากที่ภาระต่ำ

ทำไมวันร้อนชื้นสมรรถนะหอผึ่งเย็นจึงลดลงทั้งที่ความเร็วพัดลมเท่าเดิม?

เพราะอากาศร้อนชื้นมีความหนาแน่นต่ำกว่า พัดลมยังจ่ายปริมาณลมเชิงปริมาตรใกล้เดิม แต่แต่ละลูกบาศก์เมตรพามวลอากาศแห้งน้อยลง มวลลมที่ทำการถ่ายเทความร้อนจริงจึงลดลง ซ้ำกับแรงขับเอนทาลปีที่แคบลงเมื่อกระเปาะเปียกสูง

ต้องการบริการหอผึ่งเย็นในประเทศไทยหรือไม่?

ติดต่อ Synergy Services เพื่อรับบริการโซลูชันหอผึ่งเย็นโดยผู้เชี่ยวชาญในประเทศไทย

ติดต่อทีมงานของเรา