คำนวณการสูญเสียความร้อนของอุปกรณ์รูปทรงประกอบ — ถัง หม้อผสมสาร หัวถัง ท่อ · ก่อน–หลังหุ้มฉนวน · ฉนวนหลายชั้น · ความปลอดภัยผิวสัมผัส · การกลั่นตัวงานเย็น · ตารางความหนาแนะนำ
แนวทางการคำนวณ: ASTM C680 (heat loss & surface temperature) · ISO 13732-1 & ASTM C1055 (contact burn) · ASTM C585 (ความหนาเชิงพาณิชย์) · ISO 12241 | v2.1
เลือกรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติมาประกอบกันเป็นอุปกรณ์จริง เช่น หัวถังบน (2:1 Ellipsoidal) + ลำตัวถังทรงกระบอกตั้ง + ก้นถัง (Torispherical) ระบบจะคำนวณพื้นที่ผิวภายนอกและปริมาตรของแต่ละชิ้น แล้วรวมเป็นการสูญเสียความร้อนทั้งอุปกรณ์
ต้องการเลือกเฉพาะบางผิวของทรงกระบอก? ในกลุ่ม “ทรงกระบอก — แยกตามผิว” มีให้เลือกแยกกัน 3 แบบ:
• เฉพาะผิวข้าง → “ทรงกระบอกตั้ง — เฉพาะผิวข้าง” A = πDH
• เฉพาะผิวบน → “ทรงกระบอกตั้ง — เฉพาะผิวบน” A = πD²/4 (พาความร้อนแบบผิวราบหันขึ้น)
• เฉพาะผิวล่าง → “ทรงกระบอกตั้ง — เฉพาะผิวล่าง” A = πD²/4 (หันลง → ผิวร้อนกว่าด้านบนที่ Q เท่ากัน)
อยากได้ครบทั้ง 3 ผิวในคลิกเดียว กดปุ่ม “แยกทรงกระบอกตั้งเป็น 3 ผิว” ด้านล่าง ·
ถ้าต้องการทั้งใบรวมฝาบน-ล่างในชิ้นเดียว ใช้ “ถังทรงกระบอกปิดสองด้าน” แทน
| # | รูปทรง | จำนวน | พื้นที่ผิว ก่อน (m²) | พื้นที่ผิว หลัง (m²) | ปริมาตร (m³) | Ts ก่อน (°C) | Q ก่อน (W) | Ts หลัง (°C) | Q หลัง (W) | ลดได้ (W) | ความปลอดภัยผิวสัมผัส |
|---|
เกณฑ์ “ผิว ≤ 60 °C” เป็นค่าเดียวตายตัว แต่ความเสี่ยงจริงขึ้นกับ เวลาที่สัมผัส และ ชนิดวัสดุผิว — อะลูมิเนียมที่ 60 °C ดึงความร้อนออกจากผิวหนังเร็วกว่าผ้าใยแก้วที่ 60 °C หลายเท่า การ์ดนี้คำนวณทั้งสองอย่าง แล้วแก้ย้อนกลับหาความหนาฉนวนขั้นต่ำที่ต้องใช้
| # | รูปทรง | ฉนวนที่ใช้ (mm) | Tผิว (°C) | T ที่ผิวหนังสัมผัส (°C) | เกณฑ์ (°C) | ความหนาขั้นต่ำ (mm) | เชิงพาณิชย์ (mm) | ผล |
|---|
สำหรับอุปกรณ์ที่เย็นกว่าอากาศ (น้ำเย็น · น้ำแข็ง · แอมโมเนีย · ห้องเย็น) ความหนาฉนวนไม่ได้ถูกกำหนด โดยพลังงาน แต่ถูกกำหนดโดย “ผิวต้องอุ่นกว่าจุดน้ำค้าง” มิฉะนั้นจะเกิดหยดน้ำ ฉนวนเปียก แล้วลุกลามเป็น CUI
| # | รูปทรง | ฉนวนที่ใช้ (mm) | Tผิว (°C) | Tdp + เผื่อ (°C) | ความหนาขั้นต่ำ (mm) | เชิงพาณิชย์ (mm) | ความร้อนเข้า (W) | ผล |
|---|
กวาดค่าความหนาฉนวน 0–300 mm แล้วเปรียบเทียบ “ต้นทุนพลังงานที่สูญเสียต่อปี” กับ “ค่าฉนวนที่คิดเป็นรายปี (annualized)” จุดต่ำสุดของเส้นรวมคือความหนาที่คุ้มค่าที่สุด
| ความหนา (mm) | k (W/m·K) | Q (kW) | Ts (°C) | ค่าพลังงานสูญเสีย (บาท/ปี) | ค่าฉนวนรายปี (บาท/ปี) | รวม (บาท/ปี) | คืนทุน (ปี) |
|---|
สร้างตารางเมทริกซ์ ขนาดท่อ × อุณหภูมิใช้งาน → ความหนาแนะนำ ในคลิกเดียว — เทียบเท่าการรันโปรแกรม
ทีละกรณีหลายร้อยครั้ง ใช้แนบเป็นข้อกำหนด (specification) ท้ายรายงาน หรือประกอบคู่มือ EC Guideline
ผลลัพธ์ปัดขึ้นเป็นความหนาที่มีขายจริง (25 · 38 · 50 · 64 · 75 · 89 · 100 · 114 · 125 · 150 · 175 · 200 mm)
— กดปุ่ม “สร้างตารางความหนา” เพื่อคำนวณ —
พื้นที่ผิวที่แสดงคือ พื้นที่ผิวโค้งด้านนอกที่ใช้ถ่ายเทความร้อน (Curved / Heat-transfer surface area) · D = เส้นผ่านศูนย์กลาง, H/L = ความสูงหรือความยาว, h = ความลึกหัวถัง
| ช่องกรอก | ความหมาย / วิธีหาค่า | ค่าเริ่มต้น | ช่วงที่พบบ่อย |
|---|---|---|---|
| Tf — อุณหภูมิสาร | อุณหภูมิของไหลภายใน อ่านจากเกจ/DCS · ไอน้ำอิ่มตัวใช้ค่าตามความดัน | 150 °C | 60–900 °C |
| Ta — อุณหภูมิแวดล้อม | วัดห่างอุปกรณ์ ≥ 1 m หลบรังสีความร้อน | 32 °C | 30–38 °C (โรงงานไทย) |
| v — ความเร็วลม | 0 = ในอาคาร · ≥ 0.5 จะสลับไปใช้สมการการพาบังคับ | 0 m/s | 0 · 0.5–1 · 2–5 |
| hi — ฟิล์มด้านใน | ความต้านทานฟิล์มของไหลด้านใน — ของเหลว/ไอน้ำเลือก “ไม่คิดฟิล์มใน” เพราะมีผลน้อยกว่า 1 % แต่ถ้าเป็นก๊าซ (ท่อลมร้อน เตาอบ) ต้องใส่ค่าจริง มิฉะนั้นจะประเมิน Q สูงเกินจริงมาก | ไม่คิดฟิล์มใน | เดือด/ควบแน่น 3,000–10,000 · กวน 800–2,000 · นิ่ง 150–500 · ก๊าซไหล 20–60 · ก๊าซนิ่ง 5–20 |
| tw, kw — ผนังโลหะ | ความหนาและวัสดุผนัง — มีผลน้อยมาก แต่ใส่ให้ครบเพื่อความสมบูรณ์ | 6 mm, เหล็ก 45 | ถัง 5–10 · ท่อลม 0.8–1.2 · หม้อไอน้ำ 10–20 mm |
| ε เปลือย | ค่าการแผ่รังสีผิวก่อนหุ้ม — ถังใช้งานแล้วมีคราบ/สนิม | 0.79 | 0.20 (สเตนเลสมัน) – 0.90 (ทาสี) |
| ε หลังหุ้ม / cladding | วัสดุหุ้มนอก — อะลูมิเนียม ε ต่ำ ผิวจะร้อนกว่าผิวทาสีเล็กน้อยที่ Q เท่ากัน | อะลูมิเนียม 0.15 | 0.05–0.90 |
| ชั่วโมงต่อปี | นับเฉพาะชั่วโมงที่อุปกรณ์ร้อนจริง ไม่ใช่ชั่วโมงเปิดโรงงาน | 6,000 h | กะเดียว 2,500 · สองกะ 5,000 · ต่อเนื่อง 8,000 |
| ชนิดฉนวน | ดูอุณหภูมิใช้งานสูงสุดก่อน (ระบบเตือนอัตโนมัติ) แล้วจึงดูราคา | ใยหิน Rockwool | ใยหินครอบคลุมงาน 80 % |
| ความหนาฉนวน | ใส่ค่าที่ใช้จริงหน้างาน แล้วเทียบกับความหนาที่คุ้มค่าในแท็บ 3 | 75 mm | 50 (≤120 °C) · 75 (120–200) · 100 (200–350) · 150–200 (>400) |
| ต้นทุนฉนวน | ค่าคงที่ = ค่าแรง+วัสดุหุ้ม · ต่อความหนา = ราคาเนื้อฉนวน | 350 + 9·t | คงที่ 250–500 · ใยหิน 7–12 บาท/m²·mm |
| จำนวนชิ้น (×n) | ใช้เมื่อมีอุปกรณ์เหมือนกันหลายตัว เช่น ถังชุด 4 ใบ ใส่รูปทรงครั้งเดียวแล้วใส่จำนวน 4 | 1 | — |
| ความหนาเฉพาะชิ้น | ใส่ −1 = ใช้ค่าเริ่มต้นของทั้งอุปกรณ์ · ใส่ 0 = ชิ้นนี้ไม่หุ้ม (เช่น แมนโฮลที่เปิดบ่อย) | −1 | — |
ช่องนี้ไม่ได้เปลี่ยนพื้นที่ผิว — พื้นที่มาจากรูปทรงและขนาดที่ใส่ไปแล้ว แต่ใช้เลือกว่าจะคิดการพาความร้อนอิสระ (natural convection) ด้วยสมการชุดไหน เพราะอากาศร้อนลอยขึ้นได้ต่างกันตามการวางตัวของผิว จึงให้ค่า hc ต่างกัน (แนวทาง ASTM C680 — Nu–Ra correlations) · เมื่อใส่ความเร็วลม ระบบจะผสมการพาอิสระกับการพาบังคับ แบบต่อเนื่อง Nu = (Nufree3.5 + Nuforced3.5)1/3.5 ไม่มีการสลับสมการแบบกระโดด · ผิวเย็น (Tผิว < Tอากาศ) ระบบจะสลับ “หันขึ้น ↔ หันลง” ให้อัตโนมัติ เพราะทิศการลอยตัวของอากาศกลับด้าน
| ตัวเลือก | ใช้กับผิวแบบไหน | สมการ hc | ความยาวลักษณะเฉพาะ L | ระดับการพาความร้อน |
|---|---|---|---|---|
| ผนังตั้ง (Vertical) |
ผนังถังตั้ง · ผนังกล่อง/เตา · ขอบข้างแท่นอัด · แผ่นเรียบตั้งฉากกับพื้น | Churchill–Chu ผนังตั้ง Nu = {0.825 + 0.387Ra1/6/[1+(0.492/Pr)9/16]8/27}² |
Lc = ความสูงของผิว | ปานกลาง |
| ทรงกระบอกนอน (Horizontal) |
ท่อและถังวางนอน · ข้องอ · วงแหวน · ถังทรงกลม | Churchill–Chu ทรงกระบอกนอน Nu = {0.60 + 0.387Ra1/6/[1+(0.559/Pr)9/16]8/27}² |
Lc = OD ภายนอก (รวมฉนวน) | ต่ำกว่าผนังตั้งเล็กน้อย |
| ผิวราบหันขึ้น (Facing up) |
ฝาถังบน · หัวถังบน · หลังคาเตา · ผิวราบที่หันขึ้นฟ้า | McAdams ผิวราบหันขึ้น Nu = 0.54Ra¼ (Ra ≤ 10⁷) · 0.15Ra⅓ |
L* = A/P (จานกลม/จัตุรัส = D/4) | สูงสุด — อากาศร้อนลอยขึ้นอิสระ |
| ผิวราบหันลง (Facing down) |
ก้นถังที่ยกลอยจากพื้น · หัวถังล่าง · ก้นกรวย/hopper · ใต้ท้องอุปกรณ์ | ผิวราบหันลง Nu = 0.27Ra¼ |
L* = A/P (จานกลม/จัตุรัส = D/4) | ต่ำสุด ~⅓ ของหันขึ้น — อากาศร้อนถูกกักใต้ผิว |
| ทิศทางผิว | hc | hr | ho | Q ผิวเปลือย (W) | q″ (W/m²) | Q หลังหุ้ม 75 mm (W) | T ผิว (°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ผนังตั้ง | 5.88 | 8.87 | 14.75 | 5,456 | 1,737 | 213 | 45.7 |
| ทรงกระบอกนอน | 5.63 | 8.87 | 14.50 | 5,366 | 1,708 | 213 | 46.1 |
| ผิวราบหันขึ้น | 7.70 | 8.87 | 16.57 | 6,130 | 1,951 | 217 | 43.9 |
| ผิวราบหันลง | 2.58 | 8.87 | 11.46 | 4,241 | 1,350 | 202 | 52.1 |
แผ่นกลม D = 2 m (พื้นที่ 3.142 m²) · 150 °C · อากาศ 32 °C · ลมนิ่ง · ε เปลือย 0.79 → หุ้ม 0.15
(คำนวณด้วยเอนจิน v2 — Nu–Ra)
อ่านผลอย่างไร: ผิวราบหันลงมี hc เพียง 2.58 เทียบกับหันขึ้น 7.70 (ต่างกัน ~3 เท่า)
→ Q ต่ำกว่า 31 % แต่ อุณหภูมิผิวสูงกว่า 8 °C เพราะความร้อนระบายออกยาก
เมื่อหุ้มฉนวนแล้วผลต่อ Q เหลือเพียง ~7 % แต่ผลต่ออุณหภูมิผิวยังคงมาก —
จุดนี้สำคัญเมื่อต้องตรวจเกณฑ์ผิวสัมผัสที่ก้นถังหรือหัวถังล่าง
สังเกต: hr เท่ากันทั้ง 4 กรณี เพราะการแผ่รังสีไม่ขึ้นกับทิศทางการวาง ขึ้นกับค่า ε และอุณหภูมิเท่านั้น
ตรวจตารางนี้ก่อนเลือกรูปทรงทุกครั้ง — สาเหตุอันดับหนึ่งที่ผลคำนวณผิด คือเข้าใจว่ารูปทรงหนึ่งคิดผิวครบทุกด้าน ทั้งที่จริงคิดเฉพาะผิวข้าง (หรือกลับกัน)
| รูปทรง | กลุ่ม | ✔ คิดพื้นที่ผิว | ✘ ไม่คิด | สูตรพื้นที่ |
|---|
| คำที่ใช้ | หมายถึง | สมการพาความร้อนที่ใช้ | ผลต่ออุณหภูมิผิว |
|---|---|---|---|
| ผิวข้าง / ผิวตั้ง | ผิวที่ตั้งฉากกับพื้น เช่น ผนังถัง ผนังกล่อง ขอบแท่นอัด | Churchill–Chu ผนังตั้ง · Lc = ความสูง | ปานกลาง |
| ผิวข้างทรงกระบอกนอน | ผิวโค้งของกระบอก/ท่อที่วางนอน | Churchill–Chu ทรงกระบอกนอน · Lc = OD | ปานกลาง |
| ผิวบน / ผิวราบหันขึ้น | หน้าราบที่หันขึ้นฟ้า เช่น ฝาถังบน หลังคาเตา | 0.54Ra¼ / 0.15Ra⅓ · L* = D/4 | เย็นสุด (อากาศร้อนลอยขึ้นได้ดี) |
| ผิวล่าง / ผิวราบหันลง | หน้าราบที่หันลงพื้น เช่น ก้นถังที่ยกลอย หัวถังล่าง | 0.27Ra¼ · L* = D/4 | ร้อนสุด — อากาศร้อนถูกกักใต้ผิว |
| ผิวเอียง | ผิวกรวย พีระมิด hopper — เครื่องมือคิดเป็นผิวตั้งหรือหันลงตามที่เลือก | ตามทิศทางที่เลือกในช่อง “ทิศทางผิว” | ขึ้นกับมุมเอียง |
| ผิวที่แนบพื้น | ก้นที่วางบนพื้นคอนกรีต/ฐานรอง — ถ่ายเทเป็นการนำความร้อนลงพื้น ไม่ใช่การพา/แผ่รังสี | ไม่คิดในเครื่องมือนี้ | ใช้รูปทรงกลุ่ม “วางบนพื้น” |
| ผิวที่เชื่อมกับชิ้นอื่น | หน้าตัดที่ต่อกับลำตัวถัง ปลายท่อ หน้าแปลน | ไม่คิด — เพราะไม่สัมผัสอากาศ | — |
กรณีวัตถุวางบนพื้น: ก้นที่แนบพื้นถ่ายเทความร้อนโดยการนำลงสู่พื้นคอนกรีต ซึ่งคำนวณด้วยสมการชุดนี้ไม่ได้ (ต้องใช้ shape factor ของ semi-infinite solid) โดยทั่วไปการสูญเสียทางพื้นคิดเป็น 5–15 % ของการสูญเสียรวม ถ้าต้องการรวมไว้ ให้เพิ่มชิ้นส่วน “พื้นที่ผิวกำหนดเอง” แล้วประมาณค่าตามสัดส่วนนี้
| ต้องการคิดผิว | เลือกรูปทรง | ทิศทางผิว | พื้นที่ | สมการพาความร้อน |
|---|---|---|---|---|
| เฉพาะผิวข้าง (แนวตั้ง) | ทรงกระบอกตั้ง — เฉพาะผิวข้าง | ผนังตั้ง | πDH | Churchill–Chu ผนังตั้ง |
| เฉพาะผิวข้าง (แนวนอน) | ทรงกระบอกนอน — เฉพาะผิวข้าง | ทรงกระบอกนอน | πDL | Churchill–Chu ทรงกระบอกนอน |
| เฉพาะผิวบน | ทรงกระบอกตั้ง — เฉพาะผิวบน | ผิวราบหันขึ้น | πD²/4 | 0.54Ra¼ / 0.15Ra⅓ |
| เฉพาะผิวล่าง | ทรงกระบอกตั้ง — เฉพาะผิวล่าง | ผิวราบหันลง | πD²/4 | 0.27Ra¼ — ต่ำสุด ผิวจึงร้อนสุด |
| ข้าง + บน + ล่าง ครบ | ใช้ 3 ชิ้น หรือกดปุ่ม “แยกทรงกระบอกตั้งเป็น 3 ผิว” | ตามแต่ละชิ้น | πDH + 2(πD²/4) | คิดแยกกันแล้วรวม Q |
| ทั้งใบในชิ้นเดียว (ปิด 2 ด้าน) | ถังทรงกระบอกปิดสองด้าน | ผนังตั้ง | πDH + πD²/2 | ใช้สมการผนังตั้งกับทุกผิว (ประมาณการ) |
| เปิดฝาบน (ถังเปิด) | ถังทรงกระบอกเปิดฝาบน | ผนังตั้ง | πDH + πD²/4 | คิดผนัง + ก้นถัง ไม่คิดฝาบน |
| ฝา/แผ่นกลมทั่วไป | ฝาแบน / หน้าตัดกลม | เลือกเองทั้ง 4 แบบ | πD²/4 | ตามทิศทางที่เลือก |
ทำไมต้องแยก: ผิวราบหันลงมีการพาความร้อนต่ำกว่าผิวหันขึ้นถึง ~3 เท่า (0.27Ra¼ เทียบกับ 0.54Ra¼–0.15Ra⅓) ถ้ารวมทุกผิวเป็นชิ้นเดียวโดยใช้สมการผนังตั้ง จะประเมิน Q ของผิวล่างสูงเกินจริงและประเมินอุณหภูมิผิวล่างต่ำเกินจริง — ในงานที่ต้องตรวจเกณฑ์ผิวสัมผัสให้แยกคิดเสมอ
กรอกค่า OD ในช่อง “เส้นผ่านศูนย์กลางนอก OD (m)” ของรูปทรง ท่อ / ท่อลมกลม — OD ของท่อเหล็กไม่ขึ้นกับ schedule (เปลี่ยนเฉพาะความหนาผนัง) จึงใช้ค่าเดียวกันได้ทุก Sch.
| NPS | OD (mm) | OD (m) | NPS | OD (mm) | OD (m) | NPS | OD (mm) | OD (m) |
|---|
ผลลัพธ์การคำนวณที่เป็นค่าต่อเนื่อง เช่น 63.7 mm ต้องปัดขึ้นเป็นขนาดที่ผลิตจริง มิฉะนั้นข้อกำหนดจะสั่งซื้อไม่ได้ · ความหนาเกิน 200–250 mm ปกติทำได้โดยซ้อนสองชั้น (double layer) และควรวางรอยต่อสลับกัน (staggered joint) เพื่อลดการรั่วความร้อนที่รอยต่อ
ค่าอ้างอิงตาม ISO 13732-1:2006 Table 1 (ขีดเริ่มเกิดการบาดเจ็บ — burn threshold) แนวคิดเดียวกับ ASTM C1055 ที่โปรแกรม 3E Plus ใช้ · ควรทวนกับตัวมาตรฐานฉบับจริงก่อนอ้างอิงในเอกสารรับรอง
| ชนิดวัสดุผิวที่สัมผัส | 1 วินาที | 10 วินาที | 60 วินาที | 10 นาที | 8 ชั่วโมง | b = √(kρc) |
|---|
ค่า b (thermal effusivity) ยิ่งสูง วัสดุยิ่งดึงความร้อนเข้าสู่ผิวหนังเร็ว — จึงเป็นเหตุผลที่ผิวโลหะที่อุณหภูมิเดียวกัน “ร้อนกว่า” ผิวผ้าใยแก้วอย่างชัดเจนเมื่อสัมผัส (ผิวหนังมนุษย์ b ≈ 1,150 J/m²·K·√s)
คลิกที่รูปเพื่อเลือก — เส้นประสีเขียวในรูปคือความยาวลักษณะเฉพาะ (Lc) ที่ใช้ในสมการพาความร้อน