» การเลือกฉนวนกันความร้อนสำหรับเครื่องจักร

การถ่ายเทความร้อนโดยการพา

ตามที่เราได้ทราบกันแล้วว่า ความร้อนมีการถ่ายเทได้ 3 รูปแบบ คือ

• โดยการพา (convection of heat transfer)
• โดยการแผ่ (radiation of heat transfer)
• โดยการนำ (conduction of heat transfer)

หากเรามีความรู้ในทฤษฎีข้างต้นอยู่บ้าง ก็จะทำให้เราเข้าใจเรื่องความร้อนและการถ่ายเทความร้อนพร้อมที่จะนำไปประยุกต์ใช้สำหรับการเลือกฉนวนกันความร้อนหรืองานหุ้มฉนวนประหยัดพลังงาน เพราะวิธีการเลือกฉนวนกันความร้อนนั้น หากเลือกให้หนาที่สุดโดยปราศจากการคำนวณ ก็จะทำให้เกิดผลเสียมากกว่าผลดี นั่นคือเสียเงินเพิ่มขึ้นเพราะความหนาฉนวนที่มากเกินจำเป็น และเสียเงินเพิ่มขึ้นกรณีที่ฉนวนหนาเกินไปจนส่งผลให้เกิดความร้อนสะสมในเครื่องจักรและชิ้นงาน เพราะฉนวนกันความร้อนที่หนามากเกินไปจะทำให้อุณหภูมิภายในเครื่องจักรสูงขึ้นมาก ซึ่งอาจจะมีโอกาสส่งผลให้เกิดความผิดปกติกับชิ้นงานและการทำงานของเครื่องได้ แต่หากเลือกฉนวนกันความร้อนที่ความหนาเหมาะสมได้ ก็จะทำให้ลดการสูญเสียความร้อนที่ผิวและประหยัดค่าพลังงานได้ตามที่ต้องการ

การพาความร้อน  (Convection of Heat Transfer) 

เมื่อของไหลสัมผัสกับผิวของวัตถุที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันก็จะมีการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อนระหว่างของไหลกับวัตถุ  กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนนี้เรียกว่า การถ่ายเทความร้อนโดยการพา หรือการพาความร้อน  กระบวนการพาความร้อนดังกล่าวนี้เป็นปรากฏการณ์พื้นๆ แต่กลไกของการถ่ายเทความร้อนนั้นซับซ้อนมาก  จึงจะไม่กล่าวถึงวิธีการวิเคราะห์ แต่จะเสนอกลไกและสมการหลักๆ ที่สามารถใช้คำนวณหาอัตราการพาความร้อนจากส่วนย่อยๆ ของระบบ  ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของระบบที่ใช้ให้ความร้อนและใช้ระบายความร้อน  การถ่ายเทความร้อนโดยการพา หรือการพาความร้อนนี้แบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะคือ

1. การพาความร้อนแบบอิสระ (free convection)
2. การพาความร้อนแบบบังคับ (force convection)

แรงที่ทำให้ของไหลเกิดการเคลื่อนไหวของการพาความร้อนแบบอิสระนั้นเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิภายในก้อนของไหลเนื่องมาจากการที่ของไหลสัมผัสกับผิวของวัตถุที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันจนทำให้เกิดแรงลอยตัวขึ้น  ตัวอย่างของการพาความร้อนแบบอิสระนี้ได้แก่การถ่ายเทความร้อนระหว่างผนังหรือหลังคาบ้านที่เกิดขึ้นในวันที่ไม่มีลมพัด   การพาความร้อนภายในกาต้มน้ำที่มีขดลวดให้ความร้อน  หรือการถ่ายเทความร้อนจากผิวของตัวเก็บความร้อนที่ได้มาจากดวงอาทิตย์ในช่วงที่ไม่มีลมพัด

การพาความร้อนแบบบังคับจะเกิดขึ้นเมื่อมีแรงภายนอกมาบังคับให้ของไหลเคลื่อนที่ผ่านผิววัตถุที่ร้อนกว่าหรือเย็นกว่า  เนื่องจากการไหลของการพาความร้อนแบบบังคับมีความเร็วที่สูงกว่าแบบอิสระ  ดังนั้นถ้าหากความแตกต่างของอุณหภูมิมีขนาดเท่าๆ กันแล้ว การพาความร้อนแบบบังคับก็จะมีอัตราการพาความร้อนที่สูงกว่า        แต่ไม่ว่าจะเป็นพาความร้อนแบบไหนก็ตาม ต่างมีสมการสำหรับหาอัตราการพาความร้อนที่อยู่ในรูปของ  กฎการเย็นตัวของนิวตัน (Newton’s law of cooling)  ซึ่งมีรูปสมการเป็น

q_C =  h_C A(T_S – T_{f ,∞} )

 เมื่อ         h_C        =          สัมประสิทธิ์การพาความร้อนเฉลี่ย (average convective heat transfer coefficient)

ที่ผิวสัมผัสระหว่างของไหลกับวัตถุ หรือ หนึ่งหน่วยการนำจากการพาความร้อน

(unit thermal conductance)  หน่วย W / m²K

                A          =          พื้นที่ผิวของวัตถุที่สัมผัสกับของไหล หน่วย m²

                T_S         =          อุณหภูมิของผิววัตถุ หน่วย  K

                T_{f ,∞}      =          อุณหภูมิของของไหลอิสระที่อยู่ห่างออกไปจากผิววัตถุมากๆ  หน่วย K

ค่า  h _C   นี้หาได้ทั้งโดยวิธีวิเคราะห์และวิธีทดลอง หน่วยของ h _C   ในระบบเอสไอนั้นเป็นวัตต์ต่อตารางเมตรต่อองศาเคลวิน
ตารางที่  1  เป็นค่าประมาณของ   h _C   รวมทั้งค่า   h _C    จากการเดือดและการกลั่นตัวของไอน้ำ

ตารางที่  1   ค่าโดยประมาณของสัมประสิทธิ์การพาความร้อนเฉลี่ย

จะเห็นได้ว่าจากสมการ “การพาความร้อน” ข้างต้น สามารถนำไปคำนวณหาความหนาที่เหมาะสมของ ฉนวนกันความร้อน สำหรับงานนั้นๆได้จาก ค่าความนำความร้อน (thermal conductivity) ที่ระบุไว้ของฉนวนแต่ละประเภท ซึ่งก็คือปริมาณความร้อน (kcal) ที่ไหลผ่านพื้นที่ผนัง 1 M² ในเวลา 1 ชั่วโมงภายใต้ความแตกต่างของอุณหภูมิ 1°C ต่อความหนาของผนัง 1 M

ฉนวนกันความร้อนของทาง NTI มีค่าความนำความร้อนดังนี้

Thermal conductivity DIN EN 1094 (W*m-1*K-1):