ขดลวดความร้อน

          อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนคือฮีตเตอร์ ซึ่ง ขดลวดความร้อนเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด เปรียบเสมือนหัวใจของฮีตเตอร์ การเลือกใช้และออกแบบขดลวดความร้อนจึงเป็นสิ่งสำคัญ เราจะมาพูดถึงการออกแบบและเลือกใช้ลวดความร้อนในบทความนี้

          ขดลวดความร้อน คือ ลวดที่มีความต้านทานทางไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านลวดความร้อน จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนขึ้นในขดลวด ยิ่งความต้านทานของขดลวดน้อยลงยิ่งทำให้พลังงานความร้อนมากขึ้น พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะถ่ายเทออกไปยังโหลดที่ต้องการ

ภาพที่ 1 แสดงลวดความร้อนภายในแกนฮีตเตอร์

          ขดลวดความร้อน หรือบางครั้งเรียกว่า ลวดฮีตเตอร์ แบ่งออกเป็นหลายประเภท เช่น ลวดนิโครม ลวดเหล็ก ซึ่งจะถูกพันขดอยู่ในแกนซึ่งอาจทำจากเซรามิกหรือวัสดุทนไฟ โดยมีขนาดและความยาวตามความต้องการกำลังไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ ซึ่งบทความนี้จะอธิบายหลักการออกแบบตามหลักวิศวกรรมโดยละเอียดต่อไป

          หน้าที่ของขดลวดความร้อนคือการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนซึ่งใช้ในงานหลากหลายประเภท กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดที่มีความต้านทานทำให้เกิดความร้อนขึ้น ยิ่งความต้านทานมากเท่าไหร่ความร้อนยิ่งเพิ่มขึ้นมากเท่านั้น ซึ่งขนาดและความยาวมีผลโดยตรงกับความต้านทานของลวดความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ไปสู่ที่ความร้อนน้อยกว่าผ่านการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งเราสามารถออกแบบการถ่ายเทได้โดยลักษณะงานที่ใช้

          ในการออกแบบลวดความร้อนสำหรับทำฮีตเตอร์ เริ่มต้นจากต้องหาพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ทั้งหมด รวมถึงระบบไฟฟ้าที่ใช้งาน เช่น แรงดันไฟฟ้า 3เฟส 380โวลต์ / 1เฟส 220โวลต์ เนื่องจากใช้วิธีการต่อขดลวดที่แตกต่างกัน

          ตัวอย่าง เช่น ต้องการทำความร้อนโดยใช้กำลังไฟฟ้า 15kW โดยใช้ไฟฟ้าแรงดัน 380โวลต์ ซึ่งการออกแบบอาจเป็น ฮีตเตอร์ 5kW จำนวน 3 ตัว หรือ ฮีตเตอร์ 3kW จำนวน 5 ตัว (ดูตารางสเปคมาตรฐานของฮีตเตอร์)

          คำถามต่อไปคือ เราจะรู้ได้อย่างไรว่า ต้องใช้กำลังไฟฟ้าเท่าไร ? หลักการง่ายๆคือ

” ฮีตเตอร์ 10kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 100 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 100°C (จาก 25°C) ในเวลา 1 ชั่วโมง”

          ซึ่งเป็นการคำนวณอย่างคร่าวๆที่สามารถใช้ได้จริง โดยใช้หลักการนี้ประยุกต์ให้เข้ากับงานของแต่ละที่ได้ โดยเทียบบรรยัดไตรยางค์ เช่น

ฮีตเตอร์ 5kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 100 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 63.5°C (เพิ่มขึ้น 37.5°C) ในเวลา 1 ชั่วโมง

ฮีตเตอร์ 5kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 50 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 100°C (เพิ่มขึ้น 75°C) ในเวลา 1 ชั่วโมง

ฮีตเตอร์ 5kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 100 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 100°C (เพิ่มขึ้น 75°C) ในเวลา 2 ชั่วโมง

          เมื่อทราบว่า เรากำลังจะออกแบบฮีตเตอร์กำลังไฟฟ้าเท่าไร และต่อกับแรงดันไฟฟ้าเท่าไหร่แล้ว สิ่งที่ต้องทราบต่อไป คือ สิ่งที่มีผลกระทบต่อกำลังไฟฟ้าของลวดฮีตเตอร์ ซึ่งได้แก่ คือ ความต้านทานของขดลวด (Resistance of heater wire) มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω) ซึ่งสิ่งที่มีผลโดยตรงกับความต้านทานของขดลวด คือ ชนิดวัสดุ ความยาวขดลวด และขนาดพื้นที่หน้าตัดของขดลวด ซึ่งจะกล่าวต่อไป

วัสดุที่นิยมใช้สำหรับทำขดลวดความร้อนมีสองอย่าง ได้แก่

1. ลวดนิโครม ( Nickel-based coil,Nicr ) หรือบางทีเรียกว่า ลวดนิเกิล

          ลวดนิโครมเป็นขดลวดชนิด ออสเทนนิติกอัลลอยด์ ( Austenitic Alloy) ซึ่งประกอบด้วย นิเกิลประมาณ 20% และ โครมประมาณ 20% สามารถทนอุณหภูมิได้สูงสุดถึง 1250 องศาเซลเซียส มีข้อดีคือ ต้านการเกิดออกซิเดชั่นได้ดี มีความเสถียร จุดหลอมเหลวสูง และ การยืดตัวน้อยเมื่อเกิดความร้อน

ดูรายละเอียดลวดนิโครมเพิ่มเติม ได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Nichrome

ภาพที่ 2 ลวดนิโครม Alloywire
https://www.alloywire.com/products/8020-ni-cr-nickel-chrome-resistance-wire/

2. ลวดเหล็กโครม ( Iron-based coil,FeCrAl )

          มีส่วนประกอบคือ เหล็ก โครเมี่ยม และ อลูมิเนียม เป็นขดลวดชนิด เฟอรริติกอัลลอยด์ ( Furitic Aloy) ซึ่งลวดชนิดนี้ทนอุณหภูมิได้สูงสุด 1400 องศาเซลเซียส รวมทั้งมีน้ำหนักและความหนาแน่นน้อยกว่าลวดนิโครม สามารถใช้งานแทนกันได้อย่างดีโดยเลือกได้จากจุดประสงค์การใช้งาน

ภาพที่ 3 ลวดเหล็กโครม Kantholwire
https://www.kanthal.com/en/products/materials-in-wire-and-strip-form/wire/

3. ลวดนิเกิลเหล็ก ( NiFe-based coil )

ใช้ในงานที่ต้องการอุณหภูมิไม่สูงมากประมาณไม่เกิน 600 องศาเซลเซียส มีค่าสัมประสิทธิความต้านทานต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงสูง ซึ่งหมายถึงความต้านทานของลวดจะไม่เปลี่ยนแปลงไปมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

ลวดนิโครม และ ลวดเหล็กโครม แบบไหนดีกว่ากัน

ลวดนิโครมมีข้อดีมากกว่าลวดเหล็กโครม ดังนี้

– ความแข็งแรงต่อการคืบสูงกว่า (higher hot and creep strength )
สามารถทนต่อแรงกระทำและต้านการคืบได้สูงกว่า ( ต่อต้านความเครียดที่ขึ้นอยู่กับเวลา ) ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่นี่

– มีความเหนียวมากกว่าเมื่อผ่านการใช้งานเป็นเวลานาน
ลวดนิโครม ยังคงยืดหยุ่นเมื่อผ่านการใช้งานเป็นเวลานาน ทำให้สามารถแก้ไขเปลี่ยนแปลงรูปร่างหลังจากใช้แล้วได้

– การแผ่รังสีความร้อนมากกว่า ( Higher emissivity )
การแผ่รังสีความร้อนที่ดีกว่าทำให้ มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับโหลดที่เท่ากัน

– ต้านการผุกร่อนจากความชื้นได้ดีกว่า
ลวดนิโครมสามารถต่อต้านการผุกร่อนที่อุณหภูมิห้องได้ดีกว่า

ลวดเหล็กโครมมีข้อดีมากกว่าลวดนิโครม ดังนี้

– อุณหภูมิสูงสุดในการทำงานสูงกว่า ( Higher maximum temperature )
ซึ่งลวดเหล็กโครมสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงสุดถึง 1400 องศาเซลเซียสในอากาศ

– โหลดต่อพื้นผิวสูงกว่า (Higher surface load)
อุณหภูมิทำงานสูงสุดและโหลดต่อพื้นผิวที่สูงกว่า ทำให้อายุการใช้งานยาวนานกว่า

– ความต้านทานสูงกว่า ( Higher resistivity )
ความต้านทานของลวดขชนิดนี้มากกว่า ทำให้สามารถเลือกใช้ขนาดลวดที่ใหญ่กว่าเพื่อเพิ่มอายุการใช้งาน

– กำลังคลากสูงกว่า ( Higher yield strength )
ผลของกำลังที่สูงกว่าทำให้ พื้นที่หน้าตัดของลวดไม่เปลี่ยนแปลงมากเมื่อทำการม้วนขดลวด

– ความหนาแน่นและน้ำหนักต่ำกว่า ( Lower density )
เมื่อความหนาแน่นและน้ำหนักต่ำกว่า จึงใช้วัสดุน้อยกว่า

          เมื่อเราเลือกชนิดของลวดความร้อนตามงบประมาณและลักษณะการใช้งานของเราได้แล้ว เราจะนำสเปคจากผู้ผลิตเพื่อมาคำนวณหาขนาดและความยาวที่เหมาะสมต่อไป

สมการที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณพลังงาน

สมการที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณรูปร่างขดสปริง

ภาพที่ 4 แสดงขดลวดความร้อนที่ถูกม้วนเป็นคอยด์

ตารางแสดงโหลดความร้อนบนพื้นผิว (Surface load)

ขั้นตอนการคำนวณเพื่อเลือกขนาดลวดฮีตเตอร์

กำหนดลักษณะของลวดฮีตเตอร์

          ออกแบบรูปร่างและลักษณะของลวดฮีตเตอร์รวมถึงลักษณะการพันลวดเพื่อหาช่วงร้อน (heat zone)

หาความต้องการพลังงานที่ต้องใช้

          กำหนดกำลังไฟฟ้าของฮีตเตอร์แต่ละตัวเพื่อกำหนดค่าพลังงาน (P) และระบบไฟฟ้า (V)

เลือกชนิดและแบรนด์ของขดลวดความร้อน

          เลือกชนิดของลวดที่ใช้ ได้แก่ ลวดนิโครม ลวดเหล็ก หรือ ชนิดอื่นๆ ตามความเหมาะสมกับงานและงบประมาณ เพื่อขอสเปคชีทจากผู้ผลิต

คำนวณหาความต้านทาน (Rt) และ (R20)

          นำค่า (P) และ (V) จาก ขั้นตอนที่ 2 แทนลงในสมการ (2) เพื่อหาความต้านทานของลวดฮีตเตอร์เพื่อหาค่า (Rt) จากนั้นหาความต้านทานที่อุณหภูมิทำงาน (R20) จากสมการ (3) โดยใช้ ค่า (f) จากสเปคชีทของผู้ผลิต

คำนวณหาความยาวของขดลวดความร้อนที่ใช้ (L)

          จากขั้นตอนที่ 1 นำความยาวช่วงร้อน (heat zone) กำหนดรูปแบบของขดลวด ซึ่งจะได้ค่าความยาวลวดสปริงเมื่อยืด (Xe)

          ใช้ค่า (Xe) แทนในสมการที่ (5) เพื่อหาค่า (Xc) และใช้ ค่า (Xc) แทนในสมการที่ (4) เพื่อหาค่า (L)

*เลือกใช้ค่าอัตราส่วน D:d และค่า a ที่แนะนำ

เลือกขนาดลวดจากค่า (R20) และ (L)

          เลือกขนาดลวดจากสเปคชีทของผู้ผลิตโดยใช้ค่า R/L เปรียบเทียบ

ตรวจสอบโหลดความร้อนพื้นผิว

ตรวจสอบ (S) จากสมการที่ 4 โดยใช้ค่า (A) ที่ได้จากตารางสเปคของผู้ผลิตลวด

-หากค่าที่ได้ไม่อยู่ในช่วงแนะนำตามตาราง Surface load ให้ปรับเปลี่ยนอัตราส่วน D:d , a

-หากปรับเปลี่ยนแล้วยังไม่ได้ จำเป็นต้องออกแบบขดลวดใหม่เพื่อเปลี่ยนค่า (Xe)

          ในบทนี้เราจะแสดงตัวอย่างการออกแบบฮีตเตอร์และการเลือกใช้ขดลวดความร้อนทีละขั้นตอนอย่างละเอียด เพื่อให้ผู้อ่านสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในงานของท่านเอง

1. กำหนดลักษณะลวดฮีตเตอร์ กำหนดให้ต้องการออกแบบอินฟราเรดฮีตเตอร์โดยใช้ขดลวดความร้อนแบบคอยด์สปริง ช่วงร้อน (heat zone) 500 mm ซึ่งมีค่าเท่ากับความยาวขดฮีตเตอร์สปริงที่ยืด (Xe)

ภาพที่ 5 คอยด์ลวดความร้อนอินฟราเรดฮีตเตอร์

2. หาความต้องการพลังงานที่ต้องใช้ มีกำลังไฟฟ้า 500W ใช้ระบบไฟฟ้า 1 เฟส 220V

ภาพที่ 6 วงจรไฟฟ้า

3. เลือกชนิดและแบรนด์ของขดลวดความร้อน เลือกใช้ลวดเหล็กแทนลวดนิโครม Kanthal D

รายละเอียดสเปค Kanthal D

หน้า 1

ภาพที่ 7 สเปคลวดนิโครม Kanthal D หน้าที่ 1
https://www.kanthal.com/en/products/material-datasheets/wire/resistance-heating-wire-and-resistance-wire/kanthal-d/

หน้า 2

ภาพที่ 8 สเปคลวดนิโครม Kanthal D หน้าที่ 2

4. คำนวณหาความต้านทาน (Rt) และ (R20)

P         2000 W    

V         220V

P         2000 W    

V         220V

f          1.07  ( จากรูปที่ 7 โดยให้อุณหภูมิทำงานอยู่ที่ 1000 C)

5. คำนวณหาความยาวของขดลวดความร้อนที่ใช้ (L)

x(e)     500mm (heat zone)

a          2     ( ค่า a ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมกับงานและประสบการณ์ผู้ออกแบบ )

D:d        5:1  ( ค่า D:d ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมกับงานและประสบการณ์ผู้ออกแบบ )

6. เลือกขนาดลวดจากค่า (R20) และ (L)

คำนวณ ค่า R20/L เพื่อนำไปเลือกขนาดลวดในตารางสเปคของภาพที่ 7 และ 8

จากภาพที่ 8 เลือกขดลวดความร้อนขนาด 0.45mm เนื่องจาก Resistance at 20C มีค่าใกล้เคียงมากที่สุด

7. ตรวจสอบโหลดความร้อนพื้นผิว

นำค่าจากภาพที่ 8 ของขดลวดความร้อนขนาด 0.45mm มาหาค่า L และ Surface area ที่ถูกต้องจากสเปคที่ให้

ตรวจสอบ Surface load

สรุปผลการออกแบบ

          จากตัวอย่างการคำนวณ จะสรุปผลการออกแบบได้ดังนี้

• ออกแบบขดลวดความร้อน กำลัง 2000W สำหรับไฟฟ้า 220V ช่วงร้อน 500mm
• ใช้ลวดฮีตเตอร์ Kanthal D ขนาด 0.45 mm พันขดสปริงโดยใช้ให้แกนสปริง (D) มีขนาด 5 เท่าของ เส้นผ่านศูนย์กลางของขดลวดที่ใช้ คือ 2.25 mm โดยใช้ความยาว (L) 2.66 m
• สามารถปรับเปลี่ยนการคำนวณ โดยเปลี่ยน ค่า a , d หรือ เปลี่ยนแบรนด์และรุ่นของลวดฮีตเตอร์

การคำนวณนี้เป็นตัวอย่างคร่าวๆ ซึ่งใช้เป็นแนวความคิดสำหรับออกแบบขดลวดความร้อนได้ โดยความคงทนหรือความเหมาะสมขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ชนิดของลวดนิโครมหรือลวดเหล็กที่ใช้ ขนาดลวด รวมถึงคุณภาพในการประกอบ ซึ่งต้องใช้ความรู้และประสบการณ์โดยเฉพาะ รวมถึงการนำค่าที่ได้จากการออกแบบไปทดลองและเก็บข้อมูลเพื่อการออกแบบให้มีความเหมาะสมที่สุด

     โดยพื้นฐานทั่วไปคนมักเข้าใจว่าหลักกการทำงานของฮีตเตอร์นั้น ลวดฮีตเตอร์ที่ดีต้องมีความต้านทานสูง จึงจะให้ความร้อนได้ดี แต่จริงๆแล้วสิ่งที่เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนคือกระแสไฟฟ้าในขดลวด การทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดจำนวนมากมีความความสำคัญมากกว่าการทำให้ขดลวดมีความต้านทานมาก ซึ่งขัดกับสัญชาติญานแต่สามารถพิสูจน์ได้ด้วยหลักการทางคณิตศาสตร์

               ลองจินตนาการว่า ถ้าหากต้องการทำลวดฮีตเตอร์ขึ้นมาหนึ่งชิ้น สมมติว่าเราจะทำให้ความต้านทานมากที่สุดเท่าที่มากได้จนเกือบเป็นฉนวนหรือเอาฉนวนมาทำลวดฮีตเตอร์ซะเลยจะเกิดสิ่งใดขึ้น ตามกฎของโอห์ม ความต่างศักย์ มีค่าเท่ากับผลคูณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลและความต้านทาน ( V=IR ) เมื่อกลับสมการเพื่อดูกระแส คือ ( I = V/R ) แปลว่า กระแสไฟฟ้า ( I ) มีค่าเข้าใกล้ศูนย์เมื่อความต่างต้านทานมีค่ามากๆ หรือแปลภาษาบ้านๆว่า เมื่อเราทำให้ความต้านทานมาก กระแสจะไม่ไหล ! ไม่มีความร้อนเกิดขึ้น !

               กลับกัน ถ้าเราทำให้ความต้านทานต่ำมากๆล่ะ สมมติเอาสายไฟเส้นใหญ่ๆมาทำลวดฮีตเตอร์ โดยมีความต้านทานเข้าใกล้ศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะไหลดีมาก ไหลเหมือนรถไฟที่วิ่งเร็วจนหยุดไม่ได้ แต่ไม่มีความร้อนเกิดขึ้น

               สิ่งที่เราต้องการคือ ความสมดุลระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต้านทาน นั่นคือ มีความต้านทานเพียงพอ แต่ไม่ลดกระแสไหลผ่าน ลวดนิเกิลจึงเป็นตัวเลือกที่ดี ซึ่งลวดนิเกิลมีความต้านทานมากกว่าลวดทองแดงประมาณ 80-100 เท่าที่ขนาดเดียวกัน จึงเหมาะสมที่จะใช้ทำลวดฮีตเตอร์ ทั้งที่เป็นตัวต้านทานระดับกลางๆที่ไม่เป็นฉนวนไฟฟ้ามากเกินไป

               ถ้าดูสมการทางคณิตศาตร์

เราจะเห็นจากสมการว่า กำลังไฟฟ้า แปรผันตรงกัน ความต้านทาน และ แปรผันตรงกับ กระแสไฟฟ้ายกกำลังสอง

               การเพิ่มกระแสไฟฟ้าจะให้ผลต่อกำลังไฟฟ้าเป็นทวีคูณ จึงเป็นเหตุผลว่า ทำไม กระแสไฟฟ้ามีความสำคัญกว่าความต้านทาน

สรุป

หลักกการทำงานของฮีตเตอร์ คือ การจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่วัสดุที่มีความต้านทาน ทำให้เกิดความร้อนขึ้น โดย กระแสไฟฟ้ามีผลมากกว่าความต้านทานไฟฟ้า