นวัตกรรมเตา ซุปเปอร์ ดร.บอลล์ [เตาเผาถ่านประสิทธิภาพสูง]

โครงสร้างนวัตกรรมคณะผู้วิจัยได้ออกแบบโดยใช้หลักวิศวกรรมศาสตร์ ได้แก่ 1. วิศวกรรมเครื่องกล (Mechanical Engineering) ใช้หลักการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) โดยท่อซีเมนต์และดินเป็นฉนวนกันความร้อนเพื่อป้องกันความร้อนสูญเสียและเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ในเตาในตำแหน่งที่ 2 การควบคุมการไหลของแก๊สและอากาศ ท่อความแน่นออกแบบให้ควบคุมการไหลของแก๊สชีวภาพ (Pyrolysis gas) ไปยังถังเก็บน้ำส้มควันไม้ และกลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics) ออกแบบทางเดินจองแก๊สและควันให้ไหลผ่านไปยังชุดควบแน่นโดยไม่ย้อนกลับหรือรั่วออกภายนอก 2. วิศวกรรมโครงสร้าง (Structural Engineering) ตำแหน่งของฐานเตาเผาที่ใช้โครงสร้างอิฐรองรับเตาเพื่อให้สามารถรับน้ำหนักของถัง 200 ลิตรได้อย่างมั่นคง และความมั่นคงของระบบ (Structural Stability) เตาต้องทนความร้อนสูงและแรงดันภายในโดยไม่เสียรูปหรือพังลง 3. วิศวกรรมวัสดุ (Materials Engineering) เป็นการเลือกใช้วัสดุที่ทนความร้อน เช่น ถังโลหะ 200 ลิตรที่ทนต่อการเผาไหม้ และฉนวนที่ป้องกันความร้อนสูงป้องกันการกัดกร่อน (Corrosion Resistance) เนื่องจากมีไอน้ำ น้ำส้มควันไม้และแก๊สเผาไหม้หลายชนิด ที่อาจกัดกร่อนวัสดุ 4. วิศวกรรมความปลอดภัย (Safety Engineering) ผนังป้องกันป้องกันผู้ใช้งานจากความร้อนหรือแรงดันภายใน ระบบถังน้ำมัน 200 ลิตรและช่องเติมเชื้อเพลิง ออกแบบให้ห่างจากจุดปล่อยความร้อนหลัก ป้องกันไฟย้อนกลับซึ่งเป็นจุดสำคัญของการเติมอากาศให้กับเตาและ 5. วิศวกรรมพลังงาน (Energy Engineering) เป็นการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจากการเผาถ่าน โดยใช้ความร้อนหมุนเวียนภายในเตา และการนำควันไปควบแน่นเป็นน้ำส้มควันไม้ และการนำผลพลอยได้กลับมาใช้ (By-product Recovery) เช่น น้ำมันชีวภาพที่ได้จากชุดควบแน่นสามารถนำกลับมาใช้เป็นเชื้อเพลิง โดยนวัตกรรมดังกล่าวเป็นตัวอย่างของการบูรณาการหลายสาขาวิศวกรรม ได้แก่ การถ่ายเทความร้อน กลศาสตร์ของไหล ความปลอดภัยเชิงโครงสร้าง การเลือกใช้วัสดุ และการออกแบบพลังงานหมุนเวียนและลดมลพิษ จากโครงการสร้างของนวัตกรรมเตาดังกล่าว คณะผู้วิจัยได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของเตา พบว่า ระยะแรกของการเผาด้วยเชื้อเพลิงเศษไม้เศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรนั้น อุณหภูมิของเตาอยู่ระหว่าง 550 – 650 oC ความร้อนจะถูกให้ไปกับเนื้อไม้ที่อยู่ภายในเตาทำให้สารกลุ่มลิกนินภายในเนื้อไม้สลายตัวออกมาในรูปของแก๊สและถูกส่งผ่านมายังห้องเผาภายในฐานเตาทำให้เกิดการเผาในระยะที่สอง อุณหภูมิของเตาจะเผาสูงขึ้นอยู่ระหว่าง 700 – 800 oC อุณหภูมิภายในเตาเฉลี่ยอยู่ที่ 657 oC ภายใต้กระบวนการไพโรไลซิส (Pyrolysis) ที่โครงสร้างแบบเตาออกแบบให้มีระบบการเติมอากาศจากธรรมชาติด้วยอัตราการไหลจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ผสมกับการเติมเชื้อเพลิงด้วยตัวเองส่งผลให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ทำให้ประสิทธิภาพของเตาเผาระยะเวลาการทำงานของเตาเผาประสิทธิภาพสูงมีการทำงาน 24 ชั่วโมงต่อรอบการผลิต นั้นหมายถึงเป็นการเพิ่มสูงมากกว่าเตาเผาแบบเดิมที่มีระยะเวลาการเผาอยู่ที่ 3 – 4 วันต่อรอบการผลิต ผลจากการทำสอบดังกล่าวสามารถคำนวณการกระจายความร้อนในเตา (Heat Distribution) ดังนี้
1. พลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผา 1 รอบมีค่าเท่ากับ
Q = ค่าพลังงานความร้อน x ปริมาเชื้อเพลิง เท่ากับ 15 MJ/kg x 60 kg/h เท่ากับ 900 MJ/h หรือ 250.2 kW
2. การสูญเสียความร้อนจากการเผา 1 รอบมีค่าเท่ากับ
หากคิดประสิทธิภาพเตาอยู่ที่ 50% พบว่า พลังงานที่ถูกใช้จริง เท่ากับ 0.5 x 250.2 kW เท่ากับ 125.1 kW ที่เหลือ สูญเสียผ่านผนังเตาซึ่งมีพื้นที่ผิวเท่ากับ 0.5 m2 ดังนั้น การสูญเสียโดยการพาความร้อนและแผ่รังสีมีค่าเท่ากับ
q = h x A x (Thot − Tambient)
q = 20 W/m2.K x 0.5 x (1073K – 303K)
= 20 x 0.5 x 770
= 7,700 W หรือ 7.7 kW
นั้นแสดงว่าเตาเผาสูญเสียพลังงานประมาณ 7.7 kW
3. การไหลของแก๊สชีวภาพ (Pyrolysis Gas Flow)
โดยปริมาณแก๊สชีวภาพที่เกิดจากถ่าน ≈ 2.5 m³/h ต่อการเผาไม้ 10 kg/h ซึ่งเตาเผาสามารถเผาได้ปริมาณ 60 kg/h จึงทำให้เกิดแก๊ส 2.5 m³/h x 60 kg/h / 10 kg/h เท่ากับ 15 kg/h ซึ่งท่อส่งแก๊สขนาด Ø = 2 นิ้ว (0.05 m) ดังนั้นความเร็วการไหลในท่อเท่ากับ V = Q/A = 15 / 3.14 x (0.0125)2 x 3600 ≈ 8.49 m/s ถือว่าเป็นความเร็วของ “การไหลแบบลามินาร์” เหมาะสำหรับการควบแน่น

นวัตกรรมเตาเผาประสิทธิภาพสูง เป็นแนวคิดเบื้องต้น มีหลักฐานพื้นฐาน แนวคิดในการพัฒนา ประยุกต์ หรือต่อยอด การดำเนินการทดลองวิจัยทดสอบแนวคิดเบื้องต้น ทดสอบการทำงานภายในระดับห้องปฏิบัติการ และทดสอบการทำงานนอกห้องปฏิบัติการในภาพจำกัดปัจจัยแวดล้อม มีการสร้างต้นแบบ ทำการทดสอบ ในสภาพแวดล้อมภายนอกทั่วไป และทดสอบการใช้งานจริงในพื้นที่ 11 จังหวัด มีผลิตภัณฑ์เตามากกว่า 200 เตา (ผลิตภัณฑ์ต้นแบบ) มีครัวเรือนตัวอย่างของนายวีรศักดิ์ หาสูง ก่อนการใช้นวัตกรรมมีรายได้จากอาชีพรับจ้างทั่วไป (เผาถ่านไว้ใช้) รายได้เฉลี่ย 6,000 – 7,000 บาท/เดือน หลังจากที่มีการใช้นวัตกรรมเตาเผาประสิทธิภาพสูงได้มีการยึดอาชีพเผาถ่านเป็นอาชีพหลักสร้างรายได้รายได้เฉลี่ย 7,000 – 8,000 บาท/เดือน และอาชีพรับจ้างทั่วไปเป็นอาชีพเสริม มีเครือข่ายศูนย์การเรียนรู้และผลิตนวัตกรรมเตาเผาถ่านประสิทธิภาพสูง ไม่น้อยกว่า 8 ศูนย์การเรียนรู้ ตัวอย่างเช่น ศูนย์ผลิตและถ่ายทอดนวัตกรรมเตาเผาประสิทธิภาพสูง วิสาหกิจชุมชนโคกหนองนาบ้านนอกคอกนาฟาร์ม จังหวัดศรีสะเกษ ศูนย์การเรียนรู้เครือข่ายสร้างสรรค์ปัญญาและนวัตกรรมชุมชน วิสาหกิจชุมชนแปลงใหญ่ปลาตะเพียนละลุ ผลิตและถ่ายทอดนวัตกรรมเตาเผาประสิทธิภาพสูง จังหวัดสระแก้ว ศูนย์การเรียนรู้เครือข่ายสร้างสรรค์ปัญญาและนวัตกรรมชุมชน วิสาหกิจชุมชนท่านาพัฒนา องค์กรสาธารณประโยชน์ ผลิตและถ่ายทอดนวัตกรรมเตาเผาประสิทธิภาพสูง จังหวัดสระแก้ว เป็นต้น