เทคโนโลยีการให้ความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรด (Electric Infrared Heating)

โดยนายวิรัตน์ ทรงงาม วิศวกรไฟฟ้าชำนาญการพิเศษ
สำนักกำกับและอนุรักษ์พลังงาน กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน

       ในกระบวนการผลิตของโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องใช้พลังงานความร้อนในกระบวนการผลิตเพื่อการแปรรูปสินค้า มีการใช้พลังงานความร้อนที่หลากหลายรูปแบบ ทั้งการหลอม การอบ การต้ม การนึ่ง และรูปแบบอื่นๆ โดยมีแหล่งกำเนิดความร้อนมาจากเชื้อเพลิงหรือไฟฟ้าทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะงานของแต่ละอุตสาหกรรม สำหรับในกรณีการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าโดยทั่วไปมักจะใช้ตัวกำเนิดความร้อนที่เป็นขดลวดไฟฟ้า (Electric Heater) ซึ่งเป็นการส่งผ่านความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังวัตถุหรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องอาศัยตัวกลางในการนำความร้อน (Conduction) หรือพาความร้อน (Convection) ปัจจุบันได้มีการพัฒนาตัวกำเนิดความร้อนที่เป็นตัวปล่อยรังสีอินฟราเรด (Infrared Emitter) ซึ่งเป็นการให้ความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน (Radiation) ที่ส่งผ่านความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังวัตถุหรือผลิตภัณฑ์โดยตรงโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ทำให้โมเลกุลของวัตถุที่ได้รับรังสีอินฟราเรดเกิดการสั่นสะเทือนและเกิดความร้อนขึ้นจากภายในเนื้อวัตถุ ซึ่งต่างจากการให้ความร้อนโดยการนำความร้อนหรือการพาความร้อนที่เป็นการให้ความร้อนจากพื้นผิวภายนอกของวัตถุและความร้อนจะค่อย ๆ ซึมเข้าไปภายในเนื้อวัตถุ การให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรดจะมีประสิทธิภาพในการให้ความร้อนสูงกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า ใช้ระยะเวลาสั้นกว่าและมีการสูญเสียความร้อนน้อยกว่า
       รังสีอินฟราเรด (Infrared : IR) หรือรังสีความร้อน เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.76-1000 um ซึ่งอยู่ในช่วงของแสงที่สายตามองไม่เห็นแต่สามารถรับรู้ถึงความร้อนที่เกิดขึ้นได้ โดยรังสีอินฟราเรดมีคุณสมบัติทางกายภาพเช่นเดียวกับคลื่นแสงที่ตามองเห็นได้ทุกประการ เช่น การหักเห การสะท้อน การดูดซับ หรือการส่องผ่านตัวกลาง 

รังสีอินฟราเรดกับการให้ความร้อนในงานอุตสาหกรรม
การประยุกต์ใช้งานรังสีอินฟราเรดในการให้ความร้อนไนงานอุตสาหกรรม สามารถแบ่งช่วงรังสีอินฟราเรดตามความยาวคลื่นออกได้เป็น 3 ช่วง ดังนี้
       1. รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นสั้น (Short-wavelength infrared : SWIR) มีความยาวคลื่นประมาณ 1.2-2 mm สามารถให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 4,000-2175 ºF (2,204-1,190 ºC) ให้ความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ได้สูง ความร้อนผ่านทะลุทะลวงเข้าในเนื้อวัสดุได้ลึกและรวดเร็ว
       2. รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นปานกลาง (Mid-wavelength infrared : MWIR) มีความยาวคลื่นประมาณ 2-4 mm สามารถให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 2,175-857 ºF (1,190-458 ºC) ให้ความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ได้ต่ำกว่าแบบช่วงคลื่นสั้น
       3. รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นยาว (Long-wavelength infrared : LWIR) มีความยาวคลื่นประมาณ 4-6 mm สามารถให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 875-400 ºF (458-204 ºC) ให้ความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ได้ต่ำกว่าแบบช่วงคลื่นสั้นและแบบช่วงคลื่นปานกลาง
       การดูดซับรังสีอินฟราเรดจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความยาวของคลื่นรังสีอินฟราเรด ส่วนประกอบของวัตถุ ลักษณะของผิววัตถุ มุมตกกระทบ และสีของวัตถุ วัตถุที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะดูดซับรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 2 mm ได้ดี ยกเว้นโลหะที่ขัดขึ้นเงาจะสะท้อนรังสีอินฟราเรดออก การใช้งานรังสีอินฟราเรดจะต้องมีตัวปล่อยคลื่น (IR Emitter) ในลักษณะของหลอดอินฟราเรด ซึ่งแบ่งออกเป็น ตัวปล่อยคลื่นสั้น (Short Wave Infrared Emitters) ตัวปล่อยคลื่นปานกลาง (Medium Wave Infrared Emitters) และตัวปล่อยคลื่นยาว (Long Wave Infrared Emitters) เป็นแหล่งกำเนิดความร้อน
       การให้ความร้อนจากหลอดอินฟราเรด โดยส่วนใหญ่ได้จากการแผ่รังสีความร้อน (Radiation) ซึ่งถือได้ว่ามีค่าสูงกว่าการส่งถ่ายความร้อนโดยนำความร้อน (Conduction) และการพาความร้อน (Convection) เป็นอย่างมาก นอกจากนั้นการให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรดนี้ยังไม่ก่อให้เกิดปฏิกริยาทางเคมีทางแสง (Photochemical) เหมือนกับการใช้รังสีอัลตร้าไวโอเลต (UV) จึงไม่ทำให้เกิดการเผาไหม้โดยตรงกับผิวหนังร่างกายคน  

       สำหรับปรากฏการณ์ในขณะที่รังสีอินฟราเรดตกกระทบวัตถุมี 3 แบบ คือ ส่งผ่าน (Transmission), ดูดซับ (Absorption) และสะท้อน (Recflection) โดยถ้าเป็นวัตถุหนาความร้อนที่เกิดขึ้นในตัววัตถุจะเป็นปรากฏการณ์การดูดซับ (Apsorption) แต่เพียงอย่างเดียวเท่านั้น   

       ตามตารางที่ 1 เป็นการแสดงคุณสมบัติ (Characteristic) ของการให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรด (IR Heating) ที่ช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ซึ่งจะเห็นได้ว่าความยาวคลื่นสั้น (Short Wave) จะสามารถทะลุทะลวงได้ดีที่สุด และให้ความร้อนได้รวดเร็ว แต่สำหรับการให้ความร้อนที่ผิวจะด้อยกว่าความยาวคลื่นปานกลาง (Medium Wave) หรือความยาวคลื่นยาว (Long Wave)

                                           ตารางที่ 1 คุณสมบัติของการให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรดที่ช่วงความยาวคลื่นต่าง ๆ  

ข้อดีของการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด
การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดมีข้อดีดังต่อไปนี้

• การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดมีข้อดีดังต่อไปนี้ทำความร้อนและลดความร้อนได้อย่างรวดเร็ว โดยส่วนใหญ่เตาอบไฟฟ้าที่ใช้รังสีอินฟราเรดสามารถทำความร้อนให้ผลิตภัณฑ์ได้ในเวลาไม่กี่วินาที

• เตามีขนาดเล็ก เนื่องจากการให้ความร้อนที่รวดเร็ว ทำให้ต้องการพื้นที่ว่างในเตาน้อยลง
• เป็นเตาที่สะอาด ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
• มีการควบคุมอุณหภูมิในการให้ความร้อนที่แม่นยำ
• มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
• ค่าบำรุงรักษาต่ำ

การประยุกต์ใช้งานการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด
       การประยุกต์ใช้งานการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด จะต้องพิจารณาถึงลักษณะของงานเป็นกรณีๆ ไป โดยมีปัจจัยหลักที่ต้องพิจารณาคือ ประเภทของวัสดุผลิตภัณฑ์ ขนาดของผลิตภัณฑ์ และช่วงความยาวคลื่นที่ใช้งาน โดยมีตัวอย่างลักษณะการใช้งานที่หลากหลาย ได้แก่ การอบสี การอบผลิตภัณฑ์แป้ง การเคลือบภาชนะในการทำอาหาร การเคลือบสาร PVC บนผนัง  การอบแห้งผลิตภัณฑ์กระจกนิรภัย การอบหนัง การอบแห้งกระดาษ การอบสีและแลคเกอร์ การบัดกรี การทำให้หดตัวของโลหะ การเผากระเบื้อง เป็นต้น

• ประเภทของวัสดุผลิตภัณฑ์
  ชนิดของวัสดุ และลักษณะของพื้นผิวจะมีการดูดซับรังสีอินฟราเรดที่ต่างกัน ซึ่งจะต้องพิจารณาเป็นกรณีๆ ไป

• ขนาดของผลิตภัณฑ์
  ขนาด (ความหนาแน่น) ของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน ระยะเวลาการทำความความร้อนก็จะต่างกันด้วย

• ช่วงความยาวคลื่น
  คุณสมบัติของรังสีอินฟราเรดจะแตกต่างกันตามช่วงความยาวคลื่น โดยคลื่นอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นสั้น จะมีประสิทธิภาพในการทะลุทะลวงผ่านพื้นผิวหรือเนื้อของผลิตภัณฑ์ได้ลึกและใช้ระยะเวลาในการให้ความร้อนสั้นกว่า ในขณะที่คลื่นอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นยาวจะทะลุผ่านเข้าเนื้อผลิตภัณฑ์ได้น้อยกว่าและใช้ระยะเวลาในการให้ความร้อนนานกว่า ดังนั้นการให้ความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรดคลื่นยาวจะเหมาะกับการให้ความร้อนจำเฉพาะบริเวณพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ ได้แก่ การอบสี เป็นต้น  
         การให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรด จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าการให้ความร้อนแบบเดิม (Conventional) ค่อนข้างมาก เนื่องจากเป็นการให้ความร้อนโดยตรง โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เช่น อากาศในการพาความร้อน และใช้เวลาในการทำความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ใช้เวลาน้อยกว่าแบบปกติประมาณ 6-8 เท่า ดังนั้น ความสูญเสียในรูปของอากาศปล่อยทิ้ง (Exhaust) หรือการรั่วไหล (Leakage) จึงมีค่าต่ำกว่ามาก     
  ศักยภาพในการประหยัดพลังงาน
         จากกรณีตัวอย่างโรงงานที่นำระบบการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดมาประยุกต์ใช้งานในเครื่องฉีดพลาสติก (Injection Molding Machine) และเครื่องเป่าถุงพลาสติก (Blow Molding Machine) เพื่อทดแทนระบบการให้ความร้อนเดิมที่เป็นฮีตเตอร์ไฟฟ้า ภายใต้โครงการส่งเสริมเทคโนโลยีเชิงลึกเพื่อการอนุรักษ์พลังงานของกรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน (พพ.) ได้แก่ โรงงานบริษัท สุนีย์อุตสาหกรรมพลาสติก จำกัด และโรงงานบริษัท ทีพีไอ จำกัด (มหาชน) สามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ประมาณ 30-43%    
  ราคาและระยะเวลาการคืนทุน
         ราคาของหลอดรังสีอินฟราเรด (Electric Infrared Heating) โดยทั่วไปมีราคาเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 4,800-6,300 บาท/กิโลวัตต์ ทั้งนี้ผลการศึกษาจากโครงการสาธิตเทคโนโลยีเชิงลึกเพื่อการอนุรักษ์พลังงานในโรงงานบริษัท สุนีย์อุตสาหกรรมพลาสติก จำกัด และโรงงานบริษัท ทีพีไอ จำกัด (มหาชน) มีระยะเวลาการคืนทุนประมาณ 2-3 ปี
  
  
  
  เอกสารอ้างอิง
  1.  “Industrial Application of Electric Infrared Heating” Alan N. Jackson, P.E. and Daniel E.Welch, P.E., Advanced Energy
  2. “Infrared and Its Application For Drying Coating on Webs” Bob Narang, Radiant Energy Systems, Inc. (AIMCAL FALL Technical Conference 2005)
  3. “Infrared Heat for the Automotive Industry” Heraeus Noblelight
  4. กรณีศึกษาการประหยัดพลังงาน บริษัท เอส พาวเวอร์ทีม จำกัด
  5. โครงการส่งเสริมเทคโนโลยีเชิงลึกเพื่อการอนุรักษ์พลังงาน ระยะที่ 3 พ.ศ. 2559 กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน