หม้อน้ำคืออะไร? ทำไมเครื่องปั่นไฟถึงขาดมันไม่ได้ วิธีคำนวณขนาด และวันที่มันอาจหายไป

หม้อน้ำ (radiator) คือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่รับน้ำหล่อเย็นร้อนจากเครื่องยนต์ ส่งผ่านท่อเล็ก ๆ จำนวนมากที่มีครีบโลหะ ให้พัดลมเป่าอากาศพาความร้อนทิ้งไป แล้วส่งน้ำที่เย็นลงกลับเข้าเครื่อง เครื่องยนต์ดีเซลเปลี่ยนพลังงานในน้ำมันเป็นงานได้เพียงราว 40% ส่วนที่เหลือกลายเป็นความร้อน และราวหนึ่งในสี่ของพลังงานทั้งหมดต้องถูกทิ้งผ่านหม้อน้ำ เครื่องปั่นไฟ Cummins ขนาด 500 kVA เครื่องเดียวทิ้งความร้อนผ่านหม้อน้ำราว 250 kW หรือเท่ากับเครื่องทำน้ำอุ่นขนาด 3.5 kW กว่า 70 เครื่องเปิดพร้อมกัน บทความนี้เล่าว่าหม้อน้ำเกิดขึ้นมาได้อย่างไร ทำไมเครื่องยนต์ถึงขาดมันไม่ได้ จะคำนวณขนาดให้เหมาะกับอากาศร้อนแบบเมืองไทยอย่างไร และคำถามที่วิศวกรถกเถียงกันมา 50 ปี ว่าเราจะทำให้หม้อน้ำเล็กลงเรื่อย ๆ จนไม่ต้องมีได้หรือไม่

ปริศนาจากป้ายสเปก: 400 kW ที่เห็น กับอีก 580 kW ที่หายไป

เปิดสเปกเครื่องปั่นไฟ Cummins TC500T จะเห็นตัวเลข 500 kVA / 400 kW เครื่องยนต์ที่ขับมันคือ Cummins KTA19-G3 ขนาด 18.9 ลิตร 6 สูบ ข้อมูลจากเอกสารเทคนิคของ Chongqing Cummins ระบุว่าที่รอบ 1,500 rpm พิกัด Prime เครื่องยนต์ให้กำลัง 403 kW ใช้น้ำมันดีเซล 97 ลิตรต่อชั่วโมง (0.204 กิโลกรัมต่อ kWh)

ลองคิดเล่น ๆ น้ำมันดีเซลมีค่าความร้อนราว 43 MJ ต่อกิโลกรัม ดีเซล 97 ลิตรหนักประมาณ 82 กิโลกรัม เผาหมดภายในหนึ่งชั่วโมงได้พลังงานราว 3,500 MJ หารด้วย 3,600 วินาที เท่ากับเครื่องยนต์กินพลังงานเข้าไปประมาณ 980 kW แต่ได้งานออกมาที่เพลาแค่ 403 kW แล้วอีกเกือบ 580 kW หายไปไหน

คำตอบอยู่ในเอกสารชุดเดียวกัน Cummins บอกไว้ครบว่าความร้อนไปโผล่ที่ไหนบ้าง

พลังงานจากน้ำมัน 980 kW ไปไหน (KTA19-G3 Prime 1,500 rpm)	kW	สัดส่วน
งานที่เพลา (ไปหมุนไดนาโม)	403	41%
ความร้อนทิ้งทางไอเสีย	263	27%
ความร้อนทิ้งทางน้ำหล่อเย็น (ผ่านหม้อน้ำ)	247	25%
ความร้อนแผ่จากตัวเครื่องสู่อากาศในห้อง	58	6%

รวมแล้ว 971 kW ใกล้เคียง 980 kW ที่คำนวณไว้ (เอกสารระบุความคลาดเคลื่อนของข้อมูลไว้ที่ 5%) นี่คือภาพที่สำคัญที่สุดของบทความนี้ เครื่องปั่นไฟ 500 kVA ไม่ใช่เครื่องผลิตไฟฟ้าที่มีความร้อนเป็นผลพลอยได้ มันคือเตาเผาขนาด 980 kW ที่แบ่งพลังงานออกมาทำไฟได้ 400 kW และหม้อน้ำคืออวัยวะที่รับภาระความร้อนก้อนใหญ่ที่สุดก้อนหนึ่งในนั้น ที่พิกัด Standby 448 kW ตัวเลขความร้อนที่ทิ้งผ่านน้ำหล่อเย็นขยับขึ้นไปถึง 274 kW

ก่อนจะมีหม้อน้ำ รถคันแรกของโลกต้มน้ำทิ้ง

ปี 1886 Carl Benz ยื่นจดสิทธิบัตรรถยนต์คันแรกของโลก Benz Patent-Motorwagen เครื่องยนต์สูบเดียว 954 ซีซี ให้กำลังไม่ถึง 1 แรงม้า ตัวสิทธิบัตรเขียนไว้ตรง ๆ ว่ากระบอกสูบถูกรักษาอุณหภูมิให้คงที่ด้วยการระเหยของน้ำ พูดง่าย ๆ คือรถคันนี้ไม่มีหม้อน้ำ มันมีถังน้ำตั้งอยู่เหนือเครื่องยนต์ ปล่อยให้น้ำเดือดเป็นไอทิ้งไป แล้วคอยเติมใหม่

Benz เลือกวิธีนี้เพราะปัญหาที่ Mercedes-Benz เองบันทึกไว้ในประวัติบริษัท เครื่องยนต์อยู่กับที่ในโรงงานต่อท่อน้ำประปาเข้าไปหล่อเย็นได้ แต่เครื่องยนต์บนรถต่อท่อไม่ได้ ต้องพกน้ำไปเอง ผลคือรถคันนี้กินน้ำมันราว 10 ลิตรต่อ 100 กิโลเมตร แต่ข้อมูลทางเทคนิคของเยอรมันประเมินว่ากินน้ำราว 100 ลิตรต่อระยะทางเท่ากัน รถคันแรกของโลกจึงเป็นรถที่ต้องแวะเติมน้ำบ่อยกว่าเติมน้ำมันถึงสิบเท่า

ตลอดสิบปีต่อมารถยนต์เพิ่มกำลังขึ้นเรื่อย ๆ และยิ่งกำลังมาก ความร้อนก็ยิ่งมาก การต้มน้ำทิ้งไปเรื่อย ๆ ไม่ใช่คำตอบอีกต่อไป

1900: ผู้ชายที่ทำให้น้ำไหลวนและเกิดคำว่า Mercedes

Wilhelm Maybach หัวหน้าวิศวกรของ Daimler-Motoren-Gesellschaft (DMG) พัฒนาหม้อน้ำแบบท่อพร้อมพัดลมตั้งแต่ปี 1897 แล้วปรับปรุงเป็นหม้อน้ำแบบรังผึ้ง (honeycomb radiator) ซึ่งเขายื่นจดสิทธิบัตรเมื่อวันที่ 20 กันยายน 1900 ในชื่ออุปกรณ์หล่อเย็นและควบแน่นตามหลักการไหลตัดกัน (cross-flow) หลักการคือเอาท่อสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ ด้านละราว 6 มิลลิเมตร มาเรียงชิดกันกว่า 8,000 ท่อ น้ำร้อนไหลอยู่ในช่องว่างระหว่างท่อ ส่วนอากาศที่รถวิ่งปะทะไหลทะลุผ่านท่อ พื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศเพิ่มขึ้นมหาศาลเมื่อเทียบกับถังน้ำธรรมดา และมีพัดลมอยู่หลังหม้อน้ำช่วยตอนรถวิ่งช้า

หม้อน้ำรังผึ้งถูกติดตั้งครั้งแรกบนรถ Mercedes 35 hp ที่ DMG สร้างเสร็จเมื่อวันที่ 22 พฤศจิกายน 1900 นี่คือรถคันแรกที่ใช้ชื่อ Mercedes และ Mercedes-Benz ถือว่ามันคือรถยนต์สมัยใหม่คันแรกของโลก เครื่องยนต์ 4 สูบ 5.9 ลิตร 35 แรงม้า (ราว 26 kW) ที่ 950 rpm ผลของหม้อน้ำแบบใหม่วัดได้เป็นตัวเลข จากรถรุ่นก่อนหน้าคือ Daimler Phoenix ปี 1898 ที่ใช้น้ำ 18 ลิตรต่อ 100 กิโลเมตร Mercedes 35 hp ใช้เพียง 9 ลิตร และอีกหนึ่งปีถัดมาหลังปรับปรุงเหลือ 7 ลิตร

ที่สำคัญกว่าตัวเลขน้ำคือสิ่งที่ Mercedes-Benz เขียนไว้ในประวัติของ Maybach ว่าหม้อน้ำที่มีประสิทธิภาพทำให้เกิดวงจรหล่อเย็นแบบปิดเป็นครั้งแรก และนั่นคือสิ่งที่ปลดล็อกรถยนต์กำลังสูง ในสัปดาห์แข่งรถที่เมืองนีซ เดือนมีนาคม 1901 Mercedes 35 hp กวาดชัยชนะทั้งรายการทางเรียบ 392 กิโลเมตรและรายการไต่เขา แผงหม้อน้ำที่ตั้งตระหง่านรับลมหน้ารถกลายเป็นหน้าตาของรถยนต์ที่ทุกยี่ห้อลอกตาม และกลายเป็นกระจังหน้า Mercedes มาจนถึงรถรุ่นปัจจุบัน

สิ่งที่ตามมาอีก 50 ปี: ปั๊ม เทอร์โมสตัท สารกันเยือกแข็ง และฝาแรงดัน

หม้อน้ำของ Maybach แก้ปัญหาเรื่องพื้นที่ระบายความร้อน แต่ระบบหล่อเย็นสมัยใหม่ยังต้องการอีกสี่ชิ้นส่วนที่ทยอยมาถึงในครึ่งศตวรรษถัดมา

ปั๊มน้ำ รถยุคแรกจำนวนมากไม่มีปั๊ม น้ำไหลวนเองด้วยหลักเทอร์โมไซฟอน (น้ำร้อนเบากว่าลอยขึ้นบนเข้าหม้อน้ำ น้ำเย็นหนักกว่าจมลงกลับเข้าเครื่อง) วิธีนี้ง่ายแต่ไหลช้า พอเครื่องแรงขึ้นจึงต้องใช้ปั๊มน้ำแบบใบพัดขับด้วยสายพานจากเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งเริ่มใช้ในเครื่องยนต์ผลิตจริงตั้งแต่ทศวรรษ 1920

เทอร์โมสตัท ฟังดูย้อนแย้งแต่เครื่องยนต์ไม่ได้ต้องการความเย็นที่สุด มันต้องการอุณหภูมิที่พอดี เครื่องเย็นเกินไปเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ น้ำมันเครื่องข้น สึกหรอเร็ว เอกสารเทคนิคของ Hella อ้างคำอธิบายจากปี 1922 ว่าจุดประสงค์ของอุปกรณ์นี้คือทำให้เครื่องอุ่นเร็วและป้องกันไม่ให้เครื่องเย็นลง เทอร์โมสตัทจะปิดทางไปหม้อน้ำตอนเครื่องเย็น ให้น้ำวนอยู่แค่ในเครื่องจนร้อนได้ที่ แล้วค่อยเปิดให้น้ำไหลไปหม้อน้ำ ในเครื่อง KTA19-G3 ช่วงทำงานของเทอร์โมสตัทมาตรฐานคือ 82-93 องศาเซลเซียส

สารกันเยือกแข็ง ในประเทศหนาวน้ำในหม้อน้ำแข็งตัวแล้วขยายตัวจนเสื้อสูบแตก ยุคแรกใช้เกลือหรือแอลกอฮอล์ผสม ซึ่งระเหยเร็วและกัดกร่อน เอทิลีนไกลคอลถูกนำเสนอเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าในปี 1926 และเข้ามาแทนที่สูตรเก่าแทบทั้งหมดภายในปลายทศวรรษ 1930 ข้อดีที่คนมักมองข้ามคือมันไม่ได้แค่กันแข็ง แต่ยังเพิ่มจุดเดือดและมีสารกันสนิมด้วย เมืองไทยไม่มีน้ำแข็งตัวแต่เครื่องปั่นไฟก็ยังต้องใช้ เพราะเหตุผลสองข้อหลัง

ฝาหม้อน้ำแบบแรงดัน น้ำเดือดที่ 100 องศาเซลเซียสที่ความดันบรรยากาศ แต่ถ้าอัดแรงดันในระบบไว้ 1.0-1.5 บาร์ จุดเดือดจะขยับขึ้นไป 115-130 องศาเซลเซียส หมายความว่าหม้อน้ำขนาดเท่าเดิมทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าเดิมได้โดยน้ำไม่เดือด และยิ่งน้ำร้อนกว่าอากาศมาก หม้อน้ำยิ่งระบายความร้อนได้มากขึ้น ฝาแรงดันเป็นนวัตกรรมก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง แต่ผู้ผลิตรถยนต์อย่าง Chrysler ยังใช้ระบบไม่อัดแรงดันในรถบางรุ่นจนถึงปี 1948 ก่อนจะเปลี่ยนในช่วงต้นทศวรรษ 1950 เครื่อง KTA19-G3 กำหนดฝาแรงดันขั้นต่ำไว้ที่ 69 kPa และอุณหภูมิน้ำสูงสุดที่ถังบนของหม้อน้ำ 100 องศาเซลเซียสสำหรับงาน Prime และ 104 องศาเซลเซียสสำหรับงาน Standby

แทรกเรื่องเล่า: หม้อน้ำที่ผลักเครื่องบินไปข้างหน้า

ปี 1935 F.W. Meredith วิศวกรของ Royal Aircraft Establishment ของอังกฤษ ตีพิมพ์งานที่บอกว่าถ้าออกแบบท่อครอบหม้อน้ำให้ถูกต้อง อากาศที่ผ่านหม้อน้ำจะได้รับพลังงานความร้อนจนขยายตัวและพ่นออกด้านหลังเร็วกว่าตอนเข้า เกิดแรงขับย้อนกลับมาหักล้างแรงต้านของหม้อน้ำเอง ปรากฏการณ์นี้เรียกกันภายหลังว่า Meredith effect ถูกนำไปใช้ครั้งแรกในเครื่องบินต้นแบบ Spitfire ที่บินครั้งแรกในเดือนมีนาคม 1936 และโด่งดังที่สุดกับช่องรับลมใต้ท้องของ P-51 Mustang จนถึงวันนี้ยังเถียงกันไม่จบว่า P-51 ได้แรงขับจากหม้อน้ำจริงเท่าไร แต่แนวคิดที่ว่าความร้อนทิ้งไม่จำเป็นต้องเป็นของเสียเสมอไป จะกลับมาอีกครั้งในหัวข้อเรื่องอนาคตท้ายบทความ

ทำไมเครื่องยนต์ถึงต้องมีหม้อน้ำ: คำตอบจากฟิสิกส์ ไม่ใช่จากวิศวกร

คำถามที่น่าสนใจกว่าคือ ทำไมความร้อนถึงต้องถูกทิ้งตั้งแต่แรก ถ้าเครื่องยนต์เก่งพอ มันเปลี่ยนพลังงานในน้ำมันเป็นงานทั้งหมดไม่ได้หรือ

ไม่ได้ และไม่ใช่เพราะวิศวกรยังไม่เก่งพอ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในรูปแบบที่เรียกว่า Kelvin-Planck statement บอกว่าเป็นไปไม่ได้ที่เครื่องจักรความร้อนใด ๆ จะรับความร้อนจากแหล่งเดียวแล้วเปลี่ยนเป็นงานทั้งหมดโดยไม่ทิ้งความร้อนส่วนหนึ่งไปยังแหล่งที่เย็นกว่า เครื่องยนต์ทุกชนิดตั้งแต่เครื่องจักรไอน้ำถึงดีเซล จึงต้องมีที่ทิ้งความร้อนเสมอ ประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎีถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิของด้านร้อนและด้านเย็น ยิ่งเผาไหม้ร้อนและทิ้งความร้อนที่อุณหภูมิต่ำได้มากเท่าไร ประสิทธิภาพยิ่งสูง

คำถามถัดมาคือทำไมเครื่องยนต์ถึงไม่ทิ้งความร้อนทั้งหมดไปทางไอเสียซึ่งมีอยู่แล้ว คำตอบคือวัสดุ อุณหภูมิเปลวไฟในห้องเผาไหม้สูงถึงราว 2,000 องศาเซลเซียส แต่ลูกสูบอะลูมิเนียม แหวน และฟิล์มน้ำมันหล่อลื่นทนไม่ได้ขนาดนั้น เอกสาร KTA19-G3 กำหนดอุณหภูมิน้ำมันเครื่องสูงสุดไว้แค่ 121 องศาเซลเซียส ผนังกระบอกสูบและฝาสูบจึงต้องถูกดึงความร้อนออกตลอดเวลาด้วยน้ำหล่อเย็นที่ไหลผ่านช่องในเสื้อสูบ ซึ่งก็คือความร้อน 247 kW ในตารางข้างต้น หม้อน้ำไม่ได้มีไว้เพราะเครื่องยนต์อยากเย็น แต่มีไว้เพราะโลหะมีขีดจำกัด

และนี่คือเหตุผลที่หม้อน้ำถูกวางไว้ที่อุณหภูมิประมาณ 82-93 องศาเซลเซียส ไม่ใช่ 50 เครื่องที่ร้อนพอดีให้ประสิทธิภาพดีกว่าเครื่องเย็น น้ำมันเครื่องใสพอจะหล่อลื่น ไอน้ำจากการเผาไหม้ไม่กลั่นตัวในเครื่อง งานของระบบหล่อเย็นจึงไม่ใช่ทำให้เย็นที่สุด แต่เป็นการรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงแคบ ๆ นี้ไม่ว่าโหลดจะเป็น 25% หรือ 100% และอากาศข้างนอกจะเป็น 25 หรือ 42 องศาเซลเซียส

คำนวณขนาดหม้อน้ำให้เหมาะกับเครื่องปั่นไฟ: 6 ขั้นที่วิศวกรใช้จริง

หม้อน้ำของรถยนต์ผู้ผลิตรถเลือกให้เสร็จ แต่หม้อน้ำของเครื่องปั่นไฟเป็นเรื่องที่คนซื้อและคนออกแบบห้องเครื่องต้องเข้าใจ เพราะเครื่องเดียวกันอาจติดตั้งกลางแจ้ง ในตู้ครอบ หรือในห้องใต้ดินของโรงพยาบาล แต่ละแบบต้องการหม้อน้ำและการระบายอากาศต่างกัน แนวทางด้านล่างสรุปจากเอกสารเทคนิคของ Cummins และคู่มือสำหรับที่ปรึกษาของ Toromont (ผู้จำหน่าย Caterpillar ในแคนาดา)

ขั้นที่ 1 หาค่าความร้อนที่ทิ้งผ่านน้ำหล่อเย็นจากเอกสารเครื่องยนต์

ค่านี้เรียกว่า Heat Rejection to Coolant ผู้ผลิตเครื่องยนต์ระบุไว้ทุกรุ่น และเป็นตัวเลขที่ต้องใช้ ไม่ใช่กำลังไฟฟ้าของเครื่อง สำหรับ KTA19-G3 ที่ 1,500 rpm คือ 247 kW (Prime) และ 274 kW (Standby) ถ้าเครื่องมีวงจรอินเตอร์คูลเลอร์แยก (Low Temperature circuit) ต้องนับค่าของวงจรนั้นเพิ่มด้วย ผู้ผลิตบางรายรายงานแยกเป็น HT และ LT circuit

ขั้นที่ 2 บวกเผื่อ 15%

คู่มือของ Toromont แนะนำให้เลือกหม้อน้ำที่มีความสามารถสูงกว่าค่าความร้อนที่ทิ้งราว 15% เผื่อโหลดเกินชั่วคราวและเผื่อประสิทธิภาพที่ลดลงตามอายุ (ครีบอุดตันด้วยฝุ่น ตะกรันในท่อ) สำหรับ TC500T ที่พิกัด Standby จึงควรมองหาหม้อน้ำที่รับความร้อนได้ราว 274 x 1.15 = 315 kW

ขั้นที่ 3 กำหนดอุณหภูมิอากาศออกแบบ แล้วบวกอากาศที่ร้อนขึ้นก่อนถึงหม้อน้ำ

หม้อน้ำระบายความร้อนได้มากหรือน้อยขึ้นกับผลต่างระหว่างอุณหภูมิน้ำกับอุณหภูมิอากาศที่พัดผ่าน ถ้าน้ำในถังบนอยู่ที่ 100 องศาเซลเซียส อากาศ 25 องศาเซลเซียส ผลต่างคือ 75 องศา แต่ถ้าอากาศ 45 องศาเซลเซียส ผลต่างเหลือ 55 องศา หม้อน้ำเดิมจะระบายความร้อนได้น้อยลงราวหนึ่งในสี่ ผู้ผลิตจึงระบุความสามารถของหม้อน้ำเป็น Limiting Ambient Temperature เช่น หม้อน้ำชุดนี้รับอากาศได้ถึง 50 องศาเซลเซียส ที่ความต้านทานอากาศ 13 มิลลิเมตรน้ำ

กับดักอยู่ตรงที่อากาศที่เข้าหม้อน้ำไม่ใช่อากาศนอกอาคาร เพราะมันต้องไหลผ่านไดนาโมและตัวเครื่องยนต์ที่แผ่ความร้อนอยู่ (58 kW ในตัวอย่างของเรา) ก่อนถึงแผงหม้อน้ำ Toromont ให้ตัวเลขประมาณว่าอากาศจะร้อนขึ้นก่อนถึงหม้อน้ำ 3 องศาเซลเซียส ถ้าเป็นเครื่องยนต์เปล่าในห้องใหญ่ 4 องศาถ้าเป็นชุดเครื่องปั่นไฟในห้องใหญ่ 7 องศาถ้าอยู่ในตู้ครอบที่หม้อพักไอเสียอยู่นอกตู้ และ 9 องศาถ้าหม้อพักอยู่ในตู้ สมุทรสาครหน้าร้อนอากาศ 38-40 องศาเซลเซียส เครื่องในตู้ครอบจึงเห็นอากาศที่ 45-49 องศาเซลเซียสก่อนถึงหม้อน้ำ และนี่คือเหตุผลที่เครื่องปั่นไฟสำหรับเมืองไทยควรใช้หม้อน้ำที่ออกแบบสำหรับ 50 องศาเซลเซียสขึ้นไป ไม่ใช่หม้อน้ำที่สเปกระบุไว้แค่ 40 องศาเซลเซียส

ขั้นที่ 4 หักค่าไกลคอลและความสูง

สารกันเยือกแข็งมีความจุความร้อนต่ำกว่าน้ำ Toromont ระบุว่าความสามารถในการหล่อเย็นลดลงราว 1 องศาเซลเซียสต่อสัดส่วนไกลคอลที่เพิ่มขึ้นทุก 10% จนถึง 50% และอากาศที่สูงกว่าระดับน้ำทะเลเบาบางลง พาความร้อนได้น้อยลง ให้ลดความสามารถของหม้อน้ำลงราว 2.5 องศาฟาเรนไฮต์ (ราว 1.4 องศาเซลเซียส) ต่อทุก 1,000 ฟุต (ราว 300 เมตร) สำหรับตัวเครื่องยนต์เอง Cummins ระบุว่า KTA19-G3 ใช้งานได้โดยไม่ลดพิกัดจนถึงความสูง 1,525 เมตรและอากาศ 40 องศาเซลเซียส เกินจากนั้นให้ลดกำลัง 4% ต่อทุก 300 เมตร และ 2% ต่อทุก 11 องศาเซลเซียส

ขั้นที่ 5 ตรวจปริมาณลมและความต้านทานของทางลม

หม้อน้ำดีแค่ไหนก็ไร้ค่าถ้าพัดลมดันลมผ่านไม่ได้ เอกสารชุดเครื่องปั่นไฟจะระบุ Cooling system air flow และ Maximum static restriction ไว้คู่กัน เช่น ชุด Cummins ขนาดเล็กรุ่นหนึ่งระบุลม 260 ลูกบาศก์เมตรต่อนาทีที่ความต้านทานไม่เกิน 0.12 kPa (0.5 นิ้วน้ำ) ทุกอย่างที่ขวางทางลมนับเป็นความต้านทานหมด ตั้งแต่บานเกล็ด ท่อลม ไปจนถึงตะแกรงกันนก Toromont แนะนำให้ช่องลมเข้าใหญ่กว่าช่องลมออก 1.5 เท่า และถ้าใช้บานเกล็ดให้เพิ่มพื้นที่อีก 25% เพราะแม้เปิดสุดบานเกล็ดก็ยังขวางลม พัดลมเองก็กินกำลังไม่น้อย ข้อมูลชุด Cummins C900D5E ขนาด 900 kVA ระบุว่าพัดลมหม้อน้ำใช้กำลังจากเครื่องยนต์ถึง 24.9 kW

ขั้นที่ 6 คำนวณลมระบายห้องเครื่อง

ความร้อนที่แผ่จากตัวเครื่อง 58 kW จะสะสมในห้องถ้าไม่มีลมพาออก คู่มือ Toromont ให้สูตรไว้ตรงไปตรงมา

V (ลูกบาศก์เมตรต่อนาที) = H / (1.099 x 0.017 x dT) + ปริมาณอากาศที่เครื่องยนต์ดูดไปเผาไหม้

โดย H คือความร้อนที่แผ่สู่ห้องเป็น kW, 1.099 คือความหนาแน่นของอากาศ (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) ที่ราว 38 องศาเซลเซียส, 0.017 คือความจุความร้อนจำเพาะของอากาศ (kW ต่อกิโลกรัมต่อองศา) และ dT คืออุณหภูมิในห้องที่ยอมให้สูงกว่าอากาศข้างนอก ลองแทนค่า KTA19-G3 ที่พิกัด Prime ยอมให้ห้องร้อนกว่าข้างนอก 10 องศาเซลเซียส จะได้ 58 / (1.099 x 0.017 x 10) = ราว 310 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที บวกอากาศเผาไหม้ 486 ลิตรต่อวินาที หรือราว 29 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที รวมราว 340 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที เฉพาะเพื่อพาความร้อนแผ่ออกจากห้องเท่านั้น ยังไม่รวมลมที่พัดลมหม้อน้ำต้องการ ซึ่งในชุดที่หม้อน้ำติดบนแท่นเดียวกับเครื่องจะเป็นตัวเลขที่ใหญ่กว่ามาก และต้องเดินผ่านห้องนี้ด้วย

ถ้าตัวเลขเหล่านี้ทำให้ห้องเครื่องที่มีอยู่ดูเล็กไป ทางออกที่ Cummins และ Caterpillar เสนอตรงกันคือย้ายหม้อน้ำออกไปไว้นอกอาคาร (remote radiator) แล้วเดินท่อน้ำหล่อเย็นมาหาเครื่อง แลกกับความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น Toromont เตือนว่าไม่ควรยกหม้อน้ำสูงกว่าปั๊มน้ำของเครื่องเกิน 17.5 เมตร ไม่อย่างนั้นแรงดันน้ำจะดันซีลปั๊มรั่ว ส่วนเอกสาร Cummins ระบุว่าด้านเย็นของระบบจะเป็นหม้อน้ำ ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำดิบ หรือหอหล่อเย็นก็ได้ ซึ่ง KTA19-G3 เองก็มีรุ่นที่หล่อเย็นด้วยตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแทนหม้อน้ำ ต้องการน้ำดิบอย่างน้อย 204 ลิตรต่อนาที รายละเอียดเรื่องขนาดห้อง ช่องลม และทิศทางลม อ่านต่อได้ในบทความ ห้องเครื่องกำเนิดไฟฟ้า: ขนาด การระบายอากาศ และการติดตั้งตามคู่มือ Cummins

อนาคต: ทำหม้อน้ำให้เล็กลงเรื่อย ๆ จนไม่ต้องมีได้ไหม

คำถามนี้มีคนลองตอบมาแล้วด้วยโครงการวิจัยที่กองทัพสหรัฐและ Cummins ทุ่มเทให้นานนับสิบปี

ความฝันยุค 1980: เครื่องยนต์ที่ไม่ต้องหล่อเย็น

ตั้งแต่ราวปี 1975 Cummins ร่วมกับกองทัพบกสหรัฐ (TACOM) พัฒนาโครงการที่เรียกว่า Adiabatic Engine นำโดยวิศวกรชื่อ Roy Kamo แนวคิดคือบุห้องเผาไหม้ด้วยเซรามิกทนความร้อนสูง เช่น เซอร์โคเนีย ให้ผนังกระบอกสูบร้อนได้โดยไม่ต้องดึงความร้อนออก ความร้อนที่เคยทิ้งผ่านน้ำหล่อเย็นจะไปโผล่ที่ไอเสียแทน แล้วใช้กังหันเพิ่มเติม (turbocompound) ดึงพลังงานจากไอเสียกลับมาเป็นงาน ตัดหม้อน้ำ ปั๊มน้ำ พัดลม ทิ้งทั้งชุด

รายงาน SAE ปี 1983 ของ Bryzik และ Kamo อ้างว่าเครื่องต้นแบบหลายสูบทำประสิทธิภาพความร้อนได้ 48% ที่ 450 แรงม้า เป็นเครื่องยนต์ที่ประหยัดน้ำมันที่สุดในโลก ณ ตอนนั้น และถูกนำไปติดตั้งทดสอบในรถบรรทุกทหารขนาด 5 ตัน ปี 1984 มีการนำเสนอเครื่อง AA750 แบบ V8 ที่ใช้เซรามิกและแบริ่งเซรามิกแบบไม่ใช้น้ำมันหล่อลื่น

ความจริงที่ค้นพบ: ยิ่งร้อน ยิ่งทิ้งความร้อนมากขึ้น

แต่สิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นคือบทเรียนที่วิศวกรเครื่องยนต์ทุกคนควรรู้ งานทบทวนผลการทดลองเครื่องยนต์ทิ้งความร้อนต่ำ (Low Heat Rejection engine) ที่ตีพิมพ์ใน SAE ปี 2004 สรุปว่าตลอดสองทศวรรษที่ผ่านมา หลายงานแสดงว่าฉนวนลดการถ่ายเทความร้อนได้จริง แต่ไม่มีงานไหนแสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และบางงานพบว่าฉนวนกลับทำให้ถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพแย่ลง

เกิดอะไรขึ้น มีสองเรื่องซ้อนกัน เรื่องแรก ผนังที่ร้อนทำให้อากาศที่ดูดเข้ามาในจังหวะดูดร้อนขึ้นและขยายตัว อากาศเข้ากระบอกสูบได้น้อยลง (volumetric efficiency ตก) งานจำลองของ Assanis และ Heywood ที่ MIT ปี 1987 ชี้ว่าแม้หุ้มฉนวนเต็มที่ ประสิทธิภาพก็ดีขึ้นไม่ถึง 5% เรื่องที่สอง ในยุโรป ศาสตราจารย์ Woschni แห่งมิวนิกทดลองลูกสูบแบบมีช่องอากาศเป็นฉนวน แล้วพบว่าผนังร้อนทำให้การถ่ายเทความร้อนแบบพาเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรง ซึ่งรายงานของกระทรวงพลังงานสหรัฐระบุว่าผลงานนี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้งานวิจัยเครื่องยนต์หุ้มฉนวนในยุโรปภาคพื้นทวีปถูกยุติลงอย่างกะทันหัน เครื่องยนต์ไม่มีหม้อน้ำจึงไม่เคยออกจากห้องทดลอง

ทางสายกลางที่ไปถึงสายการผลิต: Toyota 2015

สามสิบปีต่อมาแนวคิดนี้กลับมาในรูปแบบที่ฉลาดกว่า ปัญหาของเซรามิกยุค 80 คือมันเก็บความร้อนไว้ตลอดรอบ ผนังร้อนแม้ในจังหวะดูดอากาศ Toyota จึงพัฒนาสารเคลือบที่นำความร้อนต่ำและเก็บความร้อนได้น้อยพร้อมกัน ชื่อ SiRPA (silica-reinforced porous anodized aluminum) เคลือบบางบนหัวลูกสูบ ทำให้ผิวลูกสูบร้อนตามแก๊สตอนเผาไหม้และเย็นตามอากาศตอนจังหวะดูดได้ทันภายในรอบเดียว เรียกว่า Thermo-Swing Wall Insulation Technology (TSWIN) ใช้ครั้งแรกในเครื่องยนต์ดีเซล 1GD-FTV ขนาด 2.8 ลิตร ที่เปิดตัวปี 2015 Toyota ระบุว่าลดความร้อนที่สูญเสียจากลูกสูบไปยังระบบหล่อเย็นได้ราว 30% และทำประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 44% ข่าวดีคือมันผลิตจริงหลายแสนเครื่องต่อปี ข่าวร้ายสำหรับคนที่อยากตัดหม้อน้ำทิ้งคือ เครื่องยนต์รุ่นนี้ยังมีหม้อน้ำเหมือนเดิม

แล้วรถไฟฟ้าล่ะ

หลายคนคิดว่ารถไฟฟ้าคือจุดจบของหม้อน้ำ ไม่ใช่ รถไฟฟ้ายังใช้น้ำหล่อเย็น ปั๊ม และหม้อน้ำเพื่อหล่อเย็นแบตเตอรี่และมอเตอร์ ต่างกันตรงที่ความร้อนน้อยลงมากและอุณหภูมิต่ำกว่า หม้อน้ำจึงเล็กลงได้ ส่วนเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศที่ไม่มีหม้อน้ำนั้นมีจริงมานาน แต่ก็ค่อย ๆ หายไป ตัวอย่างที่ดังที่สุดคือ Porsche 911 ซึ่งใช้เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศมาตั้งแต่ปี 1963 และเปลี่ยนมาใช้น้ำหล่อเย็นในรุ่น 996 ปี 1998 หัวหน้าโครงการให้เหตุผลว่าเครื่องยนต์ 4 วาล์วแบบระบายอากาศมีจุดร้อนที่ควบคุมไม่ได้ และยังต้องผ่านมาตรฐานไอเสียที่เข้มขึ้น ครีบระบายอากาศทำงานเหมือนหม้อน้ำนั่นเอง เพียงแต่ควบคุมอุณหภูมิได้แย่กว่า

คำตอบ

หม้อน้ำเล็กลงได้ และจะเล็กลงอีก ด้วยสารเคลือบแบบ thermo-swing การแยกวงจรหล่อเย็นเป็นหลายอุณหภูมิ ปั๊มและพัดลมไฟฟ้าที่หมุนเท่าที่จำเป็น และวัสดุหม้อน้ำที่ถ่ายเทความร้อนดีขึ้น แต่ตราบใดที่เครื่องยนต์ยังเป็นเครื่องจักรความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์บังคับให้ต้องทิ้งความร้อนที่ไหนสักแห่ง และตราบใดที่ลูกสูบยังทำจากโลหะ ความร้อนส่วนหนึ่งต้องออกทางผนังกระบอกสูบ ไม่ใช่ทางไอเสีย สิ่งที่ทำได้คือย้ายสัดส่วนความร้อนจากหม้อน้ำไปไอเสียให้มากขึ้น แล้วเก็บเกี่ยวจากไอเสียด้วยกังหันหรือระบบผลิตน้ำร้อนร่วม (CHP) ซึ่งสำหรับเครื่องปั่นไฟที่เดินยาวหลายพันชั่วโมงต่อปี ไอเสียที่ 524 องศาเซลเซียสของ KTA19-G3 คือพลังงานอีก 263 kW ที่รอให้ใช้ หม้อน้ำจะไม่หายไป แต่มันอาจเลิกเป็นแค่ที่ทิ้งความร้อน แล้วกลายเป็นแหล่งความร้อนที่มีราคา

เอาความรู้เรื่องหม้อน้ำไปใช้เลือกและดูแลเครื่องปั่นไฟอย่างไร

ตอนเลือกเครื่อง ถามสเปกหม้อน้ำเป็นตัวเลข ไม่ใช่แค่คำว่าหม้อน้ำใหญ่ ถามว่า Limiting Ambient Temperature กี่องศาเซลเซียส ที่ความต้านทานอากาศเท่าไร ถ้าติดตั้งในตู้ครอบหรือห้องเครื่องในเมืองไทยควรได้ 50 องศาเซลเซียสขึ้นไป เครื่องปั่นไฟ Cummins ทุกรุ่นใน หมวดเครื่องปั่นไฟ Cummins ของเรามาพร้อมหม้อน้ำติดแท่นที่จับคู่กับเครื่องยนต์จากโรงงาน และทุกเครื่องผ่าน Load Test 100% ก่อนส่งมอบ ซึ่งเป็นการทดสอบเดียวที่พิสูจน์ได้ว่าหม้อน้ำรับโหลดเต็มได้จริงในอากาศจริง ไม่ใช่บนกระดาษ

ตอนออกแบบห้องเครื่อง ใช้สูตรลมระบายในขั้นที่ 6 ก่อนลงเสาเข็ม และจำไว้ว่าช่องลมเข้าต้องใหญ่กว่าช่องลมออก ถ้าห้องไม่พอให้พิจารณา remote radiator ตั้งแต่แรก ไม่ใช่ตอนเครื่องร้อนเกินแล้ว

ตอนดูแลรักษา ความร้อน 247 kW ผ่านครีบอะลูมิเนียมบาง ๆ ฝุ่นที่เกาะครีบและตะกรันในท่อคือสาเหตุอันดับต้น ๆ ของเครื่องตัดเพราะความร้อนสูง การล้างครีบ ตรวจความเข้มข้นของน้ำยาหล่อเย็น และเปลี่ยนเทอร์โมสตัทตามรอบอยู่ใน ตารางบำรุงรักษาเครื่องปั่นไฟ (PM) ตามแนวทาง Cummins และเป็นงานที่ บริการซ่อมและบำรุงรักษาของ S.E.A. Power Gent ทำให้ลูกค้าตามรอบ

ตอนเช่า เครื่องเช่าที่ไปตั้งกลางแดดหน้างานเจออากาศที่โหดกว่าห้องเครื่องเสียอีก เครื่องปั่นไฟให้เช่า 200-2,000 kVA ของเราเป็นฟลีต Cummins เป็นหลัก มี SDEC และ Mitsubishi ให้เลือกตามขนาดและงบประมาณ สัญญา 1 เดือนขึ้นไป แจ้งขนาด ระยะเวลา และสถานที่หน้างานเพื่อรับใบเสนอราคา โทร 097-146-3594

ถ้าตัวเลข kVA กับ kW ในตารางข้างต้นทำให้สงสัยว่าทำไมเครื่องเดียวกันถึงมีหลายตัวเลข อ่านต่อได้ที่ kVA คืออะไร ที่มาของหน่วยที่เครื่องปั่นไฟทุกเครื่องใช้ และ Standby, Prime, Continuous Rating คืออะไร

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับหม้อน้ำเครื่องปั่นไฟ

หม้อน้ำเครื่องปั่นไฟทำหน้าที่อะไร

หม้อน้ำรับน้ำหล่อเย็นที่ร้อนจากเสื้อสูบและฝาสูบ ส่งผ่านท่อเล็ก ๆ ที่มีครีบ ให้พัดลมเป่าอากาศพาความร้อนทิ้ง แล้วส่งน้ำที่เย็นลงกลับเข้าเครื่อง เพื่อรักษาอุณหภูมิเครื่องยนต์ให้อยู่ในช่วงทำงานราว 82-93 องศาเซลเซียส ในเครื่องปั่นไฟ Cummins 500 kVA ความร้อนที่ทิ้งผ่านหม้อน้ำสูงถึงราว 250-270 kW หรือหนึ่งในสี่ของพลังงานจากน้ำมันทั้งหมด

ทำไมเครื่องยนต์ไม่ทิ้งความร้อนทางไอเสียทั้งหมดแล้วเลิกใช้หม้อน้ำ

เพราะโลหะทนไม่ได้ อุณหภูมิเปลวไฟในห้องเผาไหม้สูงราว 2,000 องศาเซลเซียส แต่ลูกสูบ แหวน และน้ำมันเครื่องทนได้ต่ำกว่านั้นมาก ผนังกระบอกสูบจึงต้องถูกดึงความร้อนออกด้วยน้ำหล่อเย็นตลอดเวลา โครงการ Adiabatic Engine ของ Cummins และกองทัพบกสหรัฐในทศวรรษ 1980 พยายามบุห้องเผาไหม้ด้วยเซรามิกเพื่อตัดระบบหล่อเย็นทิ้ง แต่พบว่าผนังร้อนทำให้อากาศเข้ากระบอกสูบน้อยลงและการถ่ายเทความร้อนกลับเพิ่มขึ้น จึงไม่เคยถึงสายการผลิต

เครื่องปั่นไฟในเมืองไทยควรใช้หม้อน้ำที่รับอุณหภูมิอากาศได้กี่องศา

ควรเลือกหม้อน้ำที่มี Limiting Ambient Temperature 50 องศาเซลเซียสขึ้นไปสำหรับเครื่องในตู้ครอบหรือห้องเครื่อง เพราะอากาศหน้าร้อนราว 38-40 องศาเซลเซียสจะร้อนขึ้นอีก 4-9 องศาเซลเซียสระหว่างไหลผ่านไดนาโมและเครื่องยนต์ก่อนถึงแผงหม้อน้ำ และควรเผื่อความสามารถของหม้อน้ำไว้ราว 15% เหนือค่าความร้อนที่ทิ้งผ่านน้ำหล่อเย็นตามเอกสารเครื่องยนต์

ห้องเครื่องปั่นไฟต้องมีลมระบายเท่าไร

ใช้สูตร V = H / (1.099 x 0.017 x dT) บวกอากาศที่เครื่องยนต์ดูดไปเผาไหม้ โดย H คือความร้อนที่แผ่จากตัวเครื่องเป็น kW และ dT คืออุณหภูมิในห้องที่ยอมให้สูงกว่าข้างนอก ตัวอย่าง Cummins KTA19-G3 ที่พิกัด Prime แผ่ความร้อน 58 kW ยอมให้ห้องร้อนขึ้น 10 องศาเซลเซียส ต้องการลมราว 310 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที บวกอากาศเผาไหม้อีกราว 29 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที ยังไม่รวมลมที่พัดลมหม้อน้ำต้องการ ซึ่งเป็นตัวเลขที่ใหญ่กว่าและระบุไว้ในเอกสารชุดเครื่องปั่นไฟแต่ละรุ่น

แหล่งอ้างอิง

Mercedes-Benz Group, The evolution of the radiator grille (honeycomb radiator 1900, Mercedes 35 PS) และ Mercedes-Benz Public Archive, Wilhelm Maybach (tubular radiator 1897, closed cooling circuit)
Motor Magazine, High-performance radiators for high-performance engines: the honeycomb radiator 120 years ago (สิทธิบัตร 20 ก.ย. 1900, น้ำ 18 ลิตรเหลือ 9 ลิตรต่อ 100 กม.)
Zwischengas, Die Evolution des Mercedes-Benz Kuehlergrills (ท่อกว่า 8,000 ท่อ ด้านละ 6 มม.)
Mercedes-Benz, The first Mercedes on 22 November 1900 และ Mercedesblog, Mercedes 35 hp 125 years (ผลการแข่งที่นีซ 1901)
Hagerty UK และ Supercars.net, 1886 Benz Patent Motor Car (ข้อความสิทธิบัตรเรื่องการระเหยของน้ำ, น้ำมัน 10 ลิตรต่อ 100 กม.) และ kfz-tech.de, Benz Patent-Motorwagen (น้ำราว 100 ลิตรต่อ 100 กม.)
Mopar Connection Magazine, Tracing the Evolution of the Modern Radiator และ Coolant, Water, Hoses and Thermostats (เทอร์โมไซฟอน, ปั๊มน้ำทศวรรษ 1920, เอทิลีนไกลคอล 1926, ระบบแรงดันหลังสงคราม)
Hella Tech World, Engine cooling (เทอร์โมสตัท 1922, แรงดัน 1.0-1.5 บาร์ จุดเดือด 115-130 องศาเซลเซียส)
Chongqing Cummins Engine Co., Engine Data Sheet DS-4780-B และ Performance Curve FR-4128, KTA19-G3 (กำลัง, อัตราสิ้นเปลือง, Heat Rejection, เทอร์โมสตัท, ฝาแรงดัน, อุณหภูมิไอเสีย, การลดพิกัดตามความสูงและอุณหภูมิ)
IRU, Diesel Litre Equivalent (ค่าความร้อนดีเซล 43 MJ/kg)
Cummins Inc., Generator set data sheet D-6551 C900D5E (Fan load 24.9 kWm) และ data sheet D-3435 (Cooling system air flow 260 m3/min, static restriction 0.12 kPa)
Toromont Power Systems, Consultants Corner: Radiator Design Considerations และ Engine Room Ventilation (เผื่อ 15%, อุณหภูมิอากาศเพิ่มก่อนถึงหม้อน้ำ 3-9 องศาเซลเซียส, ไกลคอล, ความสูง, บานเกล็ด 25%, remote radiator 17.5 เมตร, สูตรลมระบาย)
Cummins Power Generation, Application Manual T-030 Liquid Cooled Generator Sets (ด้านเย็นเป็นหม้อน้ำ ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน หรือหอหล่อเย็น)
Pressbooks, Engineering Thermodynamics (Kelvin-Planck statement)
Wikipedia, Meredith effect (งานตีพิมพ์ 1935, Spitfire ต้นแบบ 1936)
SAE Technical Papers 810070, 830314, 840428 โดย Kamo และ Bryzik (โครงการ Cummins/TACOM Adiabatic Engine, 48% ที่ 450 แรงม้า, AA750)
SAE 2004-01-1453, The Status of Experimental Investigations on Low Heat Rejection Engines; Assanis และ Heywood, International Journal of Vehicle Design 1987; OSTI 263889, Thermal barrier coatings application in diesel engines (ผลงาน Woschni)
Toyota UK Media และ DieselNet, Toyota introduces new diesel engine with thermal insulation coating, 2015 (TSWIN, SiRPA, ลดความร้อนสูญเสีย 30%, ประสิทธิภาพ 44%)
Wikipedia, Radiator (engine cooling) (รถไฟฟ้ายังใช้น้ำหล่อเย็นและหม้อน้ำ)
Porsche Newsroom, 25 years of 996 และ Motor Authority, Porsche has been building water-cooled 911s for 25 years (เหตุผลเลิกใช้เครื่องระบายอากาศ)