Proceeding 52

โครงการทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552

ภาควชาวศวกรรมเครองกล จฬาลงกรณมหาวทยาลย

โครงการทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 สงวนลขสทธ ภาควชาวศวกรรมเครองกล จฬาลงกรณมหาวทยาลย การประชมวชาการโครงการทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 ในวนพฤหสบดท 4 มนาคม พ.ศ. 2553 ณ คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย เปนสวนหนงของกจกรรมรายวชา 2103499 โครงการทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 ในหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต สาขาวศวกรรมเครองกล วศวกรรมยานยนต และวศวกรรมเรอ คณะกรรมการรายวชา 2103499 ปการศกษา 2552: ผศ.ดร.องคร ศรภคากร (ผประสานงาน) รศ.ดร.กณฑน มณรตน และ อ.ดร.วระยทธ ศรธระวานช ออกแบบปก: นายชยเศรษฐ สงขมณนาคร ดาวนโหลด: http://www.meweb.eng.chula.ac.th/course/499/file/proceeding52.pdf Mechanical Engineering Project, Academic Year 2009 Copyright © Department of Mechanical Engineering, Chulalongkorn University The Seminar on Mechanical Engineering Project, Academic Year 2009 on Thursday 4 March 2010 at the Faculty of Engineering, Chulalongkorn University, is a part of the course 2103499 Mechanical Engineering Project, Academic Year 2009 in the Bachelor of Engineering Programs in Mechanical Engineering, Automotive Engineering and Naval Architecture and Marine Engineering. 2103499 Course Committee for 2009: Asst. Prof. Angkee Sripakagorn (Coordinator), Assc. Prof. Kuntinee Maneeratana and Dr. Werayut Srituravanich Cover Design: Mr. Chaiyasase Sangkhamaneenakorn File Download: http://www.meweb.eng.chula.ac.th/course/499/file/proceeding52.pdf

สารบญ Applied Mechanics หนา AM01 การศกษาสาเหตและหาวธปรบปรงแกไขการเสยรปรางของเครน 2 AM02 การออกแบบและสรางเทาเทยมสาหรบผพการเพอเดนทางในชวตประจาวน 4 AM03 การศกษา ออกแบบและสรางแบบจาลองอากาศยานขนาดเลกทสามารถควบคมการเคลอนทใน 3 แกน 6 เพอตดตงอปกรณการภาพ AM04 การออกแบบและผลตนวหวแมมอเทยม 8 AM05 การออกแบบและผลตหวสะโพกเทยม 10 AM06 โครงงานการออกแบบและสรางเครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยม 12 AM07 การสรางแบบจาลองรถแทรกเตอรเสมอนจรงเพอใชทดสอบความปลอดภย 14 AM08 การพฒนาและออกแบบกระบวนการผลตเบาขาเทยมดวยกรรมวธการขนรปแบบสญญากาศ 16 AM10 การออกแบบชดสาธตปญหาทแกไมไดดวยวธทางสถตยศาสตร: ชนสวนรบแรงแนวแกน 18 AM11 การศกษาและออกแบบจกรยานพกพาเพอการโดยสารรวมขนสงมวลชนคนกรงเทพฯ 20 Automotives AU01 การศกษาผลของระบบรกษาชองทางการขบขตอพฤตกรรมมนษยโดยใชระบบจาลองการขบขยานพาหนะ 22 AU02 การออกแบบและพฒนาเครองวดความแขงของแหนบ 24 AU03 การทาวศวกรรมยอนรอยและการสอบทวนการออกแบบชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยล 26 AU04 โครงการพฒนาและปรบปรงระบบชวงลางเพอเพมความสามารถในการควบคมรถ Student Formula 28 AU05 การพฒนา Intake Manifold สาหรบเครองรถจกรยานยนตเบนซน 4 จงหวะ (4สบ) เพอใหแรงบดสงสด 30 อยในชวงความเรวรอบปานกลาง (เพอใชในการแขงขน TSAE Auto Challenge) Thermo-Fluids TF01 การประดษฐโปรแกรมไฟไนตเอลเมนตเพอวเคราะหการไหลแบบศกยในสองมต 32 TF02 ประสทธผลของการควบคมการเหนยวนาการผสมของเจตดวยเจตควบคมตามแนวเสนรอบวง 34 TF03 การศกษาคณลกษณะของเจตสงเคราะหทขบดวยไดอะแฟรม 36 TF04 ผลของอตราสวนความเรวประสทธผลตอโครงสรางการผสมของเจตในกระแสลมขวางบรเวณใกลปากเจต 38 TF05 การหาประสทธภาพทางความรอนของ Solar Thermal Panel ชนด PV/T โดยการทดลอง 40 TF06 การปรบปรงการนาความเยนกลบมาใชใหมของระบบปรบอากาศโดยใชแนวคดของรเจนเนอเรเตอร 42 TF07 การเลอกระบบปรบอากาศภายในอาคารสาหรบโครงการ ASHRAE 2010 Student Design Project Competition 44 กลมท 1 TF08 การออกแบบและปรบปรงกระบวนการอบกระดาษจากอากาศรอน โดยใชพลงงานจากคอนเดนเซทมาชวยใน 46 การแลกเปลยนความรอนกบอากาศ TF09 การออกแบบระบบปรบอากาศภายในอาคารโรงพยาบาล เพอการแขงขนในโครงการ ASHRAE 2010 Student 48 Design Project Competition TF10 การหาขนาดถงเกบนารอนทเหมาะสมในระบบทานารอนพลงงานแสงอาทตยทใชในภาคครวเรอน 50 TF11 การออกแบบระบบปรบอากาศภายในอาคารสาหรบโครงการ ASHRAE 2010 Student Design Project Competition 52 TF12 2010 ASHRAE Student Design Competition; HVAC System Selection 54 TF13 การออกแบบยานใตนาขนาดหนงทนงพรอมระบบทงหมด และจดสรางตนแบบยานใตขนาดหนงทนง 56 ทมระบบขน-ลงทระดบทดสอบดานาลกสองเมตร TF14 การออกแบบและสรางชดสาธตเครองยนตสเตอรลงขนาดเลก 58 TF15 การออกแบบและสรางเรอไฮโดรฟอยลเพอการนนทนาการ 60 TF16 การออกแบบ สรางและทดสอบกงหนลมชนดแกนตงเพอผลตกระแสไฟฟา 62 ดรรชน 64

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 AM01 ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

การศกษาสาเหตและหาวธปรบปรงแกไขการเสยรปรางของเครน Failure Analysis and Performance Improvement of Utility Crane

ณฐพล จารวจนะ 4930134321, ณฐพล ปยะกลเกยรต 4930135021 และ นายศทธวต สนทรารตนพงษ 4930523821 ผศ.ดร.กอเกยรต บญชกศล (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานนเปนการศกษาหาสาเหตทเปนไปไดของการเสยรปรางอยางถาวร และความสามารถทางกลในปจจบนของเครน รวมถงออกแบบวธปรบปรงเครนในกรณทประสทธภาพของเครนลดลง การหาสาเหตการเสยรปของเครน ผลจากการจาลองเหตการณในไฟไนตอลเมนต ผลสรปไดวาสาเหตการเสยรปเกดจากแรงดลซงเกดขนในขณะยกโหลดจากเรอ และการสนสะเทอนเนองจากแรงลม การประเมนความสามารถทางกลของเครนในปจจบน ประเมนจากภาระโหลดทใชอยในปจจบน โดยไดผลวาความสามารถทางกลในปจจบนมขนาดลดลงครงหนงจากพกดเดม การออกแบบวธปรบปรงเครนท เหมาะสมทสดคอ การตดเหลกรปตว c บรเวณดานบนและดานลางของเครนโดยการเชอม ทาใหเครนทถกปรบปรงแลวสามารถรบภาระเนองจากแรงดลไดดวย คาหลก การเสยรปราง เครน แรงดล Abstract This project is to determine the potential damage causes of the crane which was deformed permanently, to assess the existing crane performance and to design an equipment to bring the performance of the crane back to its original. In potential causes determination, the finite element method is used. From simulation, the shock load from lift load from a ship and vibration from wind are possible causes. For crane performance assessment, the crane is assessed from the load chart which is used in the present. From the result, the present performance reduces around half from its original. For crane performance recovery, the suitable method is to attach channel stiffener at top and bottom of the crane by welding. From the result, crane can deal with the shock load effectively. Keywords: Permanent Deformation Crane Shock Load 1. บทนา

เนองจากทางบรษท เชฟรอนประเทศไทยสารวจและผลต จากด มปญหาเกยวกบความเสยหายของเครนทใชงานอยในอาวไทย โดยในป ค.ศ.2004 ทางบรษทสงเกตเหนวาผนงของเครนมสภาพยบเปนลอนตลอดความยาว แสดงดงรปท 1 ทางบรษทไมไดตาเนนการซอมแซม แตใชงานเครนในระดบทตากวาพกดเพอความปลอดภย ในป 2009 ทางบรษทมอบหมายใหผจดทาโครงงานตรวจสอบสาเหตความเสยหายและออกแบบวธปรบปรงใหเครนมความสามารถดงเดม

รปท 1 ผนงดานขางของเครนยบเปนลอน

2. วตถประสงคของโครงการ

1. เพอศกษาสาเหตทเปนไปไดของการเสยรปราง และความสามารถทางกลในสภาพปจจบนของเครน 2. เพอหาวธการแกไขปรบปรงทเปนไปไดในการซอมบารง ใหมความสามารถทางกลใกลเคยงพกดความสามารถเดมมากทสด

3. การหาสาเหตทเปนไปไดของการเสยรปถาวรของเครน

จากการศกษาการทางานของเครน และสอบถามขอมลการใชงานจรงของเครนจากผขบเครน พบวา สาเหตทเปนไปไดของการเสยรปรางของเครน มไดหลายกรณ จากการใชงานปกต และผลกระทบจากสงแวดลอม เมอนาสาเหตดงกลาวมาจาลองภาระโหลดทกระทาตอโมเดลเครน 3 มต โดยใชโปรแกรมไฟไนตเอลเมนต ซงการคานวณผลตอบสนองของเครนนน จะใหคาความเคนประสทธผล (von Misès stress) จากทฤษฎพลงงานแปรรป (Distortion energy theory) ทใหผลเดยวกบทฤษฏความเคนเฉอนออคตะฮดรล (Octahedral shear stress theory) [1] แสดงในสมการท 1

2 2 2 2 2 2 VM X Y X Z Y Z XY XZ YZ

12

(1)

โดยท VM คอความเคนประสทธผล, X, Y และ Z คอความเคนใน

แนวแกน x, y และ z ตามลาดบ, XY, XZ และ YZ คอความเคนเฉอนในระนาบ xy, xz และ yz จากการคานวณผลตอบสนองของเครน สาเหตทเปนไปไดของการเสยรปราง คอ โหลดทเพมขนอยางกะทนหนเนองจากตบรรทกสนคากระเพอมขนลงตามคลนทะเล และการสนสะเทอนเนองจากลม สาเหตทเปนไปได คอ โหลดทเพมขนอยางกะทนหน เนองจากความเคนประสทธผลสงสดทไดจากการจาลอง (632 MPa) มคาใกลเคยงกบความเคนจดครากของวสด ASTM A517 ทใชผลตเครน (690 MPa) แสดงในรปท 2 อกสาเหตทเปนไปได คอการสนสะเทอนเนองจากลม พจารณาจากความถธรรมชาตของเครนทไดจากการ


คานวณโดยโปรแกรมไฟ-ไนตเอลเมนต มคาใกลเคยงกบความถของกระแสไหลวน (Vortex shedding frequency) เนองจากลม ซงคานวณจากทฤษฎกลศาสตรของไหล [2] ดงแสดงในสมการท 2

5fD 19.7St = = 0.198 1- ; 250 < Re < 2 10

V Re

(2)

โดยท St คอ Strouhal number, f คอความถของกระแสไหลวน, D คอ และ Re คอ Reynold number จากการเปรยบเทยบความถธรรมชาตของเครน กบความถของกระแสไหลวน พบวา มคาใกลเคยงกนทความเรวลม 9 และ 12 เมตรตอวนาท ซงในกรณนคณะผจดทาไมไดคานวณผลของความเคนทเกดจากปรากฏการณสนพอง (Resonance) นได เนองจากขาดตวแปรทสาคญ คอคาความหนวง (Damping coefficient) ของเครน ซงมกระบวนการทดลองหาทซบซอน

รปท 2 ความเคนประสทธผลกรณโหลดทเพมขนอยางกะทนหน

4. การประเมนความสามารถทางกลในสภาพปจจบนของเครน

จากวดขนาดมตของเครนในปจจบน และผลของการจาลองภาระโหลด เหนไดวาเครนเกดการเสยรปถาวร จากการรบภาระโหลดจนกระทงความเคนบนผนงเครนสงกวาความเคนจดคราก ซงนาไปสการเกดความเคนตกคางในบรเวณพนทถกจากดการยดหดของวสด เพราะฉะนนการวดความเคนตกคางในเนอวสดของผนงเครนจงเปนการประเมนความสามารถทางกลทดทสด แตการวดความเคนตกคางมคาใชจายสง เจาของเครนไมสามารถรบภาระคาใชจายสวนนได ทางคณะผจดทาจงเลอกใชวธการประเมนความสามารถทางกล โดยอางองจากตารางภาระโหลดทถกใชงานอยในปจจบน ทผใชเครนปรบลดความสามารถสงสดของการรบภาระโหลดลง ดวยเหตผลทางความปลอดภย โดยตงสมมตฐานวาวาความเคนสงสดทเกดขน จากการจาลองใสภาระโหลดตามตารางภาระโหลดทปรบลด เปนความเคนสงสดทเครนตวน สามารถรบภาระไดโดยไมเสยหาย ทาใหประเมนถงความสามารถทางกลปจจบนของเครนได ผลการจาลองภาระโหลดดวยโปรแกรมไฟไนตเอลเมนต พบวาคาความเคนประสทธผลสงสดทเกดขนคอ 366 MPa ดงนนทางคณะผจดทาไดนาความเคนดงกลาวมาใชเปนเกณฑในการออกแบบชดซอมบารงเครน 5. การซอมบารงเครนใหความสามารถทางกลใกลพกดเดม

การปรบปรงใหเครนมสมรรถนะดงเดมนนสามารถทาไดหลายวธ ไดแก กาจดความเคนตกคางในวสดโดยใชการสนสะเทอนหรอการเจาะรบนผนงเครน หรอเสรมวสดเพอทาใหเครนแขงแรงขน จากการคนควาพบวาวธการเสรมวสดเปนวธทเหมาะสมทสด เพราะสามารถทาใหเครนรบภาระเนองจากแรงดลซงอาจเกดขนในอนาคตไดดวย

ดงนนการออกแบบวสดทใชเสรมเครนจะพจารณาจากความสามารถเชงกลของเครนในปจจบน และขนาดแรงดลเปนหลก จากการออกแบบพบวาเหลกรปตว c เปนวสดทเหมาะสมทสดทจะใชในการเสรมเครน เนองจากตดตงงาย และไมเพมพนทปะทะแรงลมมากนก โดยเหลกรปตว c จะถกตดทงดานบนและดานลางของเครนดวยวธการเชอม ดงแสดงในรปท 3 ซงขนาดเหลกจะแตกตางกนไปตามความยาวเครน เนองจากเครนมลกษณะเรยวและความเคนทเกดขนในแตละหนาตดจะมขนาดไมเทากน นอกจากนในชวงทเหลกเปลยนขนาดจะตองใสเหลกบางกนระหวางเหลกรปตว c ดวยเพอลดความเขมขนของความเคนทเกดขนในบรเวณนน การเสรมเหลกนจะทาใหเครนทถกปรบปรงแลวสามารถรบภาระโหลดเนองจากแรงดลไดดวย

รปท 3 เครนทตดเหลกตว c ดานบนและดานลาง

6. ขอเสนอแนะของโครงการ

จากผลการจาลองภาระโหลดดวยโปรแกรมไฟไนตเอลเมนต บงชวา สาเหตความเสยหายทเปนไปไดของการเสยรปรางของผนงเครนคอสถานการณทโหลดเพมขนอยางกะทนหน และความสามารถทางกลในสภาพปจจบนทลดลงครงหนงของพกดเดม ดงนนทางผจดทาจงแนะนาใหเสรมเหลกรปตว c เพอใหความสามารถทางกลกลบมาใกลเคยงกบพกดเดมมากทสด และปองกนการขยายตวของรอยบบเปนลอนของการเสยรปบนผนงเครน อยางไรกตามหลงจากการเสรมความแขงแรง การตดตามประสทธภาพของการซอมบารงยงมความจาเปน โดยการวดความเคนทเกดขนบนตวเครน ตดตามสภาพของรอยบบเปนลอนของการเสยรปบนผนงเครน อกทงควรเพมความระมดระวงการยกสงของจากบนเรอ ในสภาวะทมคลนสง เพอปองกนแรงดลทเกดจากตกอยางอสระของโหลดทยก ทอาจจะเกนคาแรงดลทประเมนไวในการออกแบบชดเสรมความแขงได กตตกรรมประกาศ โครงงานนไดรบการสนบสนนทดจาก อาจารยทปรกษาโครงการ ผศ.ดร.กอเกยรต บญชกศล, บรษท เชฟรอนประเทศไทยสารวจและผลตจากด คณสนต มตรธรโรจน และครปฏบตการ หองปฏบตการเครองกล ทชวยเหลอและแนะนาจนกระทงโครงงานสาเรจไดดวยด เอกสารอางอง [1] วรทธ องภากรณ และชาญ ถนดงาน. การออกแบบ

เครองจกรกล. เลมท 1. บรษท ซเอดยเคชน จากด, 2536. [2] Wikipedia. Kármán vortex street. Wikimedia Foundation,

Inc., 2010.


การออกแบบเทาเทยมสาหรบผพการเพอเดนทางในชวตประจาวน Design Prosthetic Feet for Patients and Daily Walking

นายชยเศรษฐ สงขมณนาคร 4930098421

อ.ดร.ชญญาพนธ วรฬหศร (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ เนองจากผพการกรณขาขาด(Amputee)จาเปนตองใชขา

เทยมทดแทนขาทขาดไป เทาเทยมเปนสวนหนงของขาเทยม ไมวาผพการจะเปนกรณขาขาดเหนอเขาหรอใตเขา การสรางขาเทยมตองมเทาเทยมประกอบดวยเสมอ โดยออกแบบใหเทาเทยมมเสถยรภาพในการยนและเดนสง ใหแนวแรงของแรงปฏกรยาจากพน(Ground reaction force)กระทากบเทาเทยมตลอดวงจรการเดน(Gait cycle)มแนวโนมทสอดคลองกบขอมลทางทฤษฎเพอสงผลใหผพการใชเทาเทยมแลวมทาทางการเดนทเปนธรรมชาต โดยไดทาการออกแบบ จาลองเทาเทยมขนดวยโปรแกรม catia และนามาทดสอบกบโปร แกรมวเคราะหแรง ansys เพอบนทกคาแรงดนทเกดขนกบพน ท จงหวะตางๆ ของการเดนและทาการหาเสนทางการเดนของจดศนย กลางแรงดน(COP Trajectory) ของเทาเทยม ผลทไดออกแบบจาลองเทาเทยมเมอมการปรบปรงแลวสอดคลอง COP Trajectory ในทางทฤษฎ

Abstract Because amputee need to be replace artificial leg. Artificial foot is a part of artificial legs, not that people with disabilities leg missing above the knee or below the knee. Creating artificial legs must always contain artificial foot. The design of the artificial foot has high stable in standing and walking. Ground reaction force through artificial foot along gait cycle is likely consistent with theoretical data for amputee use artificial foot and walking with a natural gesture. The model was designed with the catia software and used to test analysis with the ansys software to record pressure at the surface at different rhythm of walking and to find the center of pressure trajectory(COP Trajectory) of the artificial foot. The result from the simulate the artificial foot when was modified match the theoretical COP Trajectory. Theoretical Background 1. Gait cycle การเดนเปนการทาหนาทสลบกนไปมาของขาทงขางในลกษณทเกดซาไปซามา การกาหนดหนง Gait cycle จงสามารถเลอกกาหนดจากเหตการณใดเหตการหนงทเกดขนในวงจรการเดนจนกระทง

เหตการณนนเกดขนอกครงหนง เพอนบเปนหนงรอบของการเดน ดงรปท 1 โดยสนใจทเทาขวาหรอขาขางสดาเปนหลกในการสมผสกบพน ตงแตจงหวะ heel strike(hs) จนถง toe off(to)

รปท 1 วงจรการเดนครบหนงรอบ

2. Ground reaction force

แรงซงประกอบไปดวยขนาดและทศทางทพนกระทากบคน ในการพจารณาวงจรการเดน Ground reaction force มผลมากตอการออกแบบขาเทยม เราสามารถศกษาลกษณะของ Ground reaction force ไดดงรป 2

รปท 2 แสดงลกษณะ Ground reaction force ขณะเดน 3. COP trajectory เมอแบงวงจรการเดนเปนชวงตางๆ ของการเดน และไดขอมล ณ ชวงนนจดศนยกลางของแรงดนทเกดขนจากแรงระหวางพนและเทานนกระทาทตาแหนงใดของเทาตลอดการเดนกจะได COP trajectory ดงรปท 3 โดยสนใจทเทาขวาหรอขาขางสดาเปนหลกในการสมผสกบพน


รปท 3 Gait line or COP trajectory

ขนตอนการออกแบบจาลอง 1. ทาการออกแบบจาลองโดยใชโปรแกรม catia ดงรปท 4 2. นาแบบจาลองมาทดสอบดวยโปรแกรม ansys โดยนามายด

กบโครงสรางดงรปท 5 เปนตวอยางจงหวะ hs และทาการ กดเขากบพนเพอบนทกคาแรงดนทเกดขนทพ น โดยจะทาโครงสรางยดและทดสอบกดทงหมด 7 จงหวะดวยกนเรมทจงหวะ hs จนถง to จะไดแรงดนทเกดขนกบพนดงรปท 6 และนาผลทไดมาหาแนวโนม COP trajectory ดวยโปรแกรม excel ดงรปท 7

3. สอบทวนแบบจาลอง ปรบแกแบบทาตามขนตอนท 1 ถง 2 ผลการคานวณและการอภปรายผล

1. ออกแบบจาลองเทาเทยมแบบท 1 นามาทดสอบกดกบพนโดยแบงออกเปน 7 จงหวะตลอดวงจรการเดนจะไดแนว โนม COP trajectory COP1 ดงรปท 7

2. วเคราะหปรบแกแบบไดแบบจาลองเทาเทยมแบบท 2 โดยทาการแกสวนโครงสรางดานหนาของแบบท 1 และนามาทดสอบเชนเดยวกนกบแบบท 1 ไดแนวโนม COP trajectory COP2 ดงรปท 7

รปท 4 แบบจาลองเทาเทยมจากโปรแกรม catia แบบจาลองทางดานซายเปนแบบจาลองแบบท 1 สวนทางขวาเปนแบบท 2

รปท 5 แบบจาลองเทาเทยมทดสอบบนโปรแกรม ansys จงหวะ hs

รปท 6 แรงดนทเกดขนกบพนในจงหวะ hs

รปท 7 กราฟแสดงแนวโนม COP trajectory ระหวางแบบจาลองเทาเทยมแบบท 1 ,แบบท 2 และทางทฤษฎ

สรปผลการทดลอง

1. แบบจาลองเทาเทยมแบบท 1 ไมสอดคลองกบแนวโนม COP trajectory ทางทฤษฎ จงปรบแกเปนแบบท 2 ซงสอดคลองกบแนวโนม COP trajectory ทางทฤษฎ

2. รปทรงรวมถงโครงสรางภายในของแบบจาลองเทาเทยมสงผลตอแนวโนม COP trajectory

เอกสารอางอง

[1] Agur, A.M., and Dalley, A.F. Grant’s atlas of anatomy. 11th

ed. Baltimore:Lippicott Williams & Wilkins. 2005. [2] Moore, K.L., and Dalley, A.F. Clinically oriented anatomy.

5th ed. Baltimore:Lippicott Williams & Wilkins. 2006. [3] Whittle, M.W. Gait analysis: an introduction. 4th ed.

Philadelphia:Elsevier Butterworth Heinemann. 2007.

[4] อญชล ฝงชมเชย. 2551. เอกสารคาสอนรายวชา 3742213

วทยาศาสตรการเคลอนไหว (Kinesiology). กรงเทพฯ

5


การศกษา ออกแบบและสรางแบบจ าลองอากาศยานขนาดเลกทสามารถเคลอนทใน 3 แกนเพอตดตงอปกรณการภาพ

A study, design, and construction of a small controllable aircraft model with 3-axis movability for visionary device installation

ภกด ศกดาอภนนท 4930354021, สทธโชค ลลาววฒน 4930556521, องอาจ มลศาสตร 4930583421 และ อานนท สตาพนธ 4930618821 รศ.ดร. วบลย แสงวระพนธศร (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงการนเปนการศกษา ออกแบบ และสรางอากาศยานขนาด เลกทสามารถเคลอนทได 3 แกน เพอน ามาตดตงอปกรณการภาพ ขนตอนการท างาน เรมจากการศกษาอากาศยานขนาดเลกทมอยใน ปจจบนจากขอมล จงไดตดสนใจเลอกเฮลคอปเตอรบงคบมาใชใน การออกแบบและสราง จากนนไดทดลองเพอเลอกชดใบพดทมขาย ตามทองตลาด จากผลทดลองไดเลอกใบพดแบบกงแ อรฟอยลแผน บางขนาด 27 cm เนองจากมประสทธภาพในการยกน าหนกมาก ทสด และสวนการออกแบบอากาศยาน ไดเลอกเฮลคอปเตอรบงคบ แบบสแกนมาออกแบบ จากการออกแบบและสรางวงจรควบคมทใช ไดโอดมาชวยควบคมแรงดนไฟฟาสามารถท าใหเคลอนทได 3 แกน Abstract This project is a study, design, and construction of a small controllable aircraft model with 3-axis movability for visionary device installation. The project firstly researched into the current data of small aircrafts and the decision was made to design and construct a controllable helicopter. We undertook the experiment of the propellers widely available in the market. As a result, the wind blade size 27 was chosen due to its capacity of the most weight-lifting. As for the model of the aircraft, the quad-rotor helicopter was selected. The movability of three axes was the consequence of the controlling circuit with electric voltage controlled by diodes. 1. บทน า ปจจบนนการตรวจสอบพนทโดยใชอปกรณการภาพในแนวสงไดมการศกษากนอยางกวางขวางเนองจากสามารถน าไปประยกตใชไดหลายรปแบบ เชน การตรวจสอบบรเวณทสงทไมสะดวกในการเขาถงดวยวธปกต (ตองตงนงราน หรอการโรยตวจากทสง เปนตน ) การประยกตใชในงานทเสยงอนตราย เปนตน ดงนนการศกษาและพฒนาอากาศยานขนาดเลกเพอใชงานในประเภทดงกลาว จงมประโยชนในเชงปฏบตคอนขางมาก ถงแมวาจะมการศกษาและพฒนาอยางกวางขวางแลวกตาม แตสวนใหญจะเปนเทคโนโลยปกปด ซงรายละเอยดในการพฒนานนถอเปนลขสทธทางปญญา ดงนนการศกษาในโครงการนกเพอจะศกษาถงรายละเอยดทจ าเปน

ส าหรบการพฒนาอากาศยานทเหมาะสมส าหรบการตดตงอปกรณการภาพเพอใชเปนตนแบบส าหรบการพฒนาอากาศยานขนสงตอไป 2. การรวบรวมขอมลอากาศยานขนาดเลกทมอยในปจจบน จากการรวบรวมอากาศยานทมอยในปจจบน จากหองสมด อนเตอรเนต และรานขายเครองเลนวทยบงคบ สามารถ สรปความ สามารถดานตางๆของอากาศยานชนดตางๆไดดงตารางท 1 ตารางท 1 แสดงความสามารถของอากาศยานชนดตางๆ

ความสามารถ บอลลน เครองบน เฮลคอปเตอร

การลอยตวอยกบท ท าได ท าไมได ท าได การเคลอนทใน 3 แกน ท าได ท าไมได ท าได ความเรวการเคลอนท ชา เรว ปานกลาง น าหนกอากาศยาน เบา ปานกลาง หนก พนททใชในการขนลง นอย มาก นอย การควบคม ณ สภาพ

ทมลมแรง ท าไมได

ท าได ท าได

จากตารางท 1 จะพบวาเฮลคอปเตอรมความเหมาะสมทสดในการน ามาสรางและออกแบบ เนองจากสามารถเคลอนทได 3 แกน สามารถลอยตวอยกบท และควบคม ณ สภาพอากาศทมลมแรงได ซงเหมาะแกการน าไปตดตงอปกรณการภาพเพอใชในการส ารวจ 3. การด าเนนการ 3.1 การทดสอบแรงยกของใบพด จากการส ารวจใบพดของเฮลคอปเตอรทมขายตามทองตลาดพบวามใบพด 2 ชนดคอ แบบแอรฟอยล และแบบก งแอรฟอยลแผนบาง แตดวยเนองจากแบบแอรฟอยลตองใชกบ มอเตอรชนดไรแปรงถาน ซงใหก าลงทมากและมราคาแพงกวางบประมาณทมอย จงเลอก ใชใบพดแบบกงแอรฟอยลแผนบางมาทดลอง ซงมขายอยสองขนาดคอ ขนาด 24 cm และขนาด 27 cm การทดลองเรมโดยน าใบพดประกอบเขากบโครงเฮลคอปเตอรทตดอยกบเครองชงน าหนกเพอวดแรงยกทได แลวจายไฟฟาทแรงดน ตางๆตงแต 1 ถง 10 V พรอมทงวดความเรวใบพด และกระแสไฟฟา เพอน ามาค านวณหาก าลงไฟฟาทจายไป จากรปท 1 จะเหนวา ณ


ก าลงไฟฟาทจายใหเทากน ใบพ ดแบบกงแอรฟอยลแผนบางขนาด 27 cm สามารถยกน าหนกไดมากกวา จงน าไปใชออกแบบตอไป

รปท 1 แสดงประสทธภาพของใบพดกงแอรฟอยลขนาดตางๆ

3.2 Body Concept จากการศกษาขอมลไดรปแบบแนวคดทใชออกแบบอากาศยานขนาดเลก 5 แบบ คอ 1. เฮลคอปเตอรแบบใบพดหลกสองค-แกนรวม 2. เฮลคอปเตอรแบบใบพดสองค-แกนรวม สองชด 3. เฮลคอปเตอรแบบใบพดสองค-แกนรวม สามชด 4. เฮลคอปเตอรแบบใบพดเดยว แยกแกน สชด 5. เฮลคอปเตอรแบบใบพดหลกคเดยว จากการวเคราะห เปรยบเทยบความสามารถของเ ฮลคอปเตอร แบบตางๆ ไดขอสรปเลอกเฮลคอปเตอร แบบใบพดเดยว แยกแกน สชด เนองจากมจดเดนทสามารถรองรบน าหนกไดดเพราะมจ านวน ใบพดมากและสามารถควบคมไดสะดวก 3.3 Control Concept จากรปท 2 ในเวลาปกตใบพดของเฮลคอปเตอรจะหมนดวย ความเรวเทากนทกใบโดยทหมายเลข 1 กบ 3 จะหมนตามเขม นาฬกา ซงจะสวนทางกบใบพดหมายเลข 2 กบ 4 ทหมนทวนเขม นาฬกาท าใหแรงบดถกหกลางไป เฮลคอปเตอรจงบนขนตรงได สวน การควบคมทศทางของเฮลคอปเตอรมหลกการดงนคอ 1. การเดนหนา-ถอยหลง ท าไดโดยการเรง ใหใบพดหมายเลข 1 กบ 2 จะเปนการเดนหนา และ 3 กบ 4 จะเปนการถอยหลง 2. การไปทางขวา-ซาย ท าไดโดยการเรงใหใบพดหมายเลข 1 กบ 4 จะเปนการไปทางขวา และ 2 กบ 3 จะเปนทางซาย 3. การหมนซาย-ขวา ท าไดโดยการเรงใหใบพดหมายเลข 1 กบ 3 จะเปนการหมนไปทางซาย สวน 2 กบ 4 เปนการหมนไปทางขวา วงจรควบคมเฮลปคอปเตอรทไดออกแบบไวมอย 2 วธ คอ การใชตวตานทานปรบคา และใชไดโอดมาชวยในการปรบแรงดนไฟฟา เพอควบคมความเรวของมอเตอร จากการวเคราะหและเปรยบเทยบความสามารถของวงจรควบคมทงสองจงไดขอสรปเลอกวงจรควบคมทใชไดโอด เนองจากอปกรณทใชในวงจรหาไดงาย และไมสญเสยพลงงานไปจากตวตานทาน

รปท 2 แสดงการเคลอนทในแนวตางๆของเฮลคอปเตอร 3.4 การสรางเฮลคอปเตอรขนาดเลก หลงจากไดลกษณะอากาศยาน และระบบควบคมแลว ไดด าเน น การสรางโดยใชสวนประกอบของเฮลคอปเตอรบงคบรน 8827 มา ประยกตใชในการสรางแบบเฮลคอปเตอรแบบใบพดเดยว แยกแกน สชด ทไดออกแบบไว สวนวงจรควบคมใชไดโอดจ านวน 24 ตวเพอ ปรบแรงดนไฟฟาของแตละมอเตอร 3.4 การดดแปลงกลอง จากการส ารวจกลองวงจรปดตามทองตลาด ไดเลอกกลองระบบ CMOS 420 TV Line พรอมเครองสงสญญาณไรสาย เนองจากภาพ ทไดมความชดพอส าหรบใชเฮลคอปเตอรส ารวจ และราคาไมแพง จากนนไดท าการดดแปลงกลองโดยถอดสวนทไมจ าเปนออก เพอลดน าหนก ใชแบตเตอรขนาด 12 V เปนแหลงจายไฟ แล ะใชเซอรโวมอเตอรในการควบคมหมนกลองในแนวมมกม/เงย 4. สรป จากโครงการนสามารถสรางอากาศยานขนาดเลก ในรปแบบของ เฮลคอปเตอรแบบใบพดเดยว แยกแกน สชด โดยมวงจรควบคมทใช ไดโอดชวยในการปรบแรงดนไฟฟาของแตละมอเตอร ท าใหสามารถ เคลอนทใน 3 แกนได พรอมทงสามารถยกกลองวรจรปดทตดตงไว เพอเกบภาพได แตการเคลอนทของเฮลคอปเตอรนนยงไมสามารถลอยตวนงได เนองจาก การขาดความรเกยวกบสาขาวชาวศวกรรม ไฟฟาและคอมพวเตอร รวมทงงบประมาณมจ านวนจ ากด จงไม สามารถใชอปกรณหรอเทคโนโลยอนๆทมประสทธภาพมากกวานได ท าใหการใชงานจรงของอากาศยานขนาดเลกทสรางขนนยงไมไดผลเทาทควร กตตกรรมประกาศ

ขอขอบพระคณ รศ .ดร. วบลย แสงวระพนธศร ทใหโอกาส และความชวยเหลอ พรอมค าแนะน าทถกตอง และขอขอบคณนสต ปรญญาโท-เอก ในหองปฏบตการของอาจารย วบลย ทใหค าแนะน า เกยวกบการออกแบบ และการตดตงกลไกทเกยวของกบโครงงาน จงท าใหโครงงานน ด าเนนการไปไดอยางราบรนจนส าเรจไดดวยด เอกสารอางอง [1] สมศกด ไชยะภนนท .กลศาสตรของไหล. พมพครงท 1,

ส านกพมพแหงจฬลงกรณมหาวทยาลย, 2547


การออกแบบและผลตนวหวแมมอเทยม Design and manufacturing of artificial thumb

กตตพฒน เวชวทยาขลง 4930032021 ผณนทร เสนยโกศล 4930297021

พรพงษ วณชยธนารกษ 4930339721 และ ภฤศ ตงเศรษฐพานช 4930353421 อ.ดร.ชญญาพนธ วรฬหศร (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงการนมจดประสงคเพอศกษาการท างาน ออกแบบและผลตนวหวแมมอเทยมขนเพอ ทดแทนนวหวแมมอทขาด 2 ขอจากปลายนวลงมา ใหใชงานในชวตประจ าวนไดใกลเคยงบคคลปกต โดยการออกแบบจะใช 4-bar linkage ซงรบแรงจากโคนนวหวแมมอเ ปนตวขบเคลอน และใชเชอกเปนตวควบคม ใหกลไกสามารถเคลอน ทไดเสมอนนวหวแมมอของมนษยใน 1 ระนาบ ทศทางของการก ามอ จากนนน าแบบทไดไปผลตชนงานสวน 4-bar linkage ดวยตนเอง และผลตชนงานสวนอนๆซงมความซบซอนดวยวธ Rapid Prototype แลวจงน านวหวแมมอเทยมทประกอบแลว ไปท าการทดสอบ ซงผลการทดสอบคอ สามารถหยบจบสงของ ท างานในชวตประจ าวนได และมการเคลอนทใกลเคยงกบนวหวแมมอจรง โดยมความคลาดเคลอนเชงมมสงสด 3% Abstract This project aims to study, design and manufacture an artificial thumb for 2 joints lost thumb replacement from the tip down to use in everyday life nearly like a normal person. The design uses 4-bar linkage which drives from the thumb base and a rope to control the mechanism movement similar to human thumb in 1 plane of hand grip direction. Afterwards we manufacture the design in 4-bar linkage part by ourselves and the other complex parts by Rapid Prototype method then we assemble the prototype for testing. The results are the prototype can pick things up, work in everyday life nearly like a normal person, and the movement is close to human thumb with 3% angular error.

1. บทน า เมอพจารณาความส าคญของนวมอทงหมดจะพบวา นวหวแมมอมความส าคญสงสดถง 40% ซงการขาดนวหวแมมอจะท าใหการจบสงของตางๆท าไดยาก ไมวาจะเปนการ จบปากกา เปดประต และไมสามารถท างานไดเตมท ในหลายวชาชพ ทจ าเปนตองใชนวหวแมม อ เชน การ ใชเขม เยบผา การ จบคอน เปนตน นอกจากน การขาดนว หวแมมอท าใหเปนจดดอยและขาดความมนใจเมออยในสงคมรวมกบผอน ดงนนการศกษาการท างานและผลตนวหวแมมอเทยมส าหรบผทนวหวแมมอขาดจงเปนประเดนทส าคญและนาศกษาเปนอยางยง

2. การเกบขอมลเพอการออกแบบ ในการออกแบบชนสวนตางๆนนจ าเปนตองเกบขอมล 2 อยางคอ แรง และ ขนาดของนว จากกลมตวอยางเพศชายจ านวน 15 คน และเพศหญงจ านวน 13 คน ชวงอาย 17-23 ป โดย ใชอปกรณ คอ สเตรนเกจ สายวด และเวอรเนยคาลเปอร ไดผลเฉลยดงตารางท 1

ตารางท 1 คาเฉลยความยาวของนว และแรง เพศ ขอปลาย (cm) ขอกลาง (cm) โคนนว (cm) แรง (kg) ชาย 3.4 4.1 5.1 10 หญง 3.1 3.8 4.6 6.4

3 การออกแบบนวหวแมมอเทยม 3.1 ขอก าหนดในการออกแบบ 1. เคลอนทไดเหมอนนวหวแมมอจรงใน 1 ระนาบ เปรยบเทยบ 3 กรณ คอ นวเหยยดตรง ก าทรงกระบอก และก าทรงกลมดงรปท 1

รปท 1 ต าแหนงของนวหวแมมอในการเปรยบเทยบ 3 กรณ

2. มขนาดเหมาะสมกบนวจรงดง ตารางท 1 3. รบน าหนกไดสงสดดงคาเฉลยใน ตารางท 1 3.2 การออกแบบและวเคราะหนวหวแมมอเทยม ในการออกแบบจะค านงถงความแขงแรง มขนตอนการประกอบทไมซบซอน ใหความสะดวกสบายในขณะทใชงาน มสวน Cover ทมรปลกษณคลายกบนวหวแมมอ และสามารถผลตไดจรง โดย กลไกแบงออกเปน 2 สวนคอ สวน 4-bar linkage ซงรบแรงขบเคลอนจากโคนนวส าหรบควบคมนวขอกลาง และสวนเชอก (เสนประในรปท 2) ส าหรบควบคมนวขอปลาย และมลกษณะของกลไกดงรปท 2

รปท 2 ลกษณะของกลไกควบคมการเคลอนทโดยรวม

A B

D C


ซงในสวนของเชอกนนมหลกการในการท างาน คอ เมอขอกลางเคลอนทจะท าใหระยะ AB ยาวขน (จด A เปนจดยดท 4-bar และจด B เปนรทรอยผานขอกลางลงไป ) และจากเชอกทใชมความยาวคงท จงไปลดระยะ CD (จด C เปนต าแหนงทพนออกมาจากขอกลาง และจด D เปนจดยดอยทปลายของขอปลาย) ขอปลายจงเคลอนทลงได หลงจากไดแนวคดของกลไกแลวจงท าการออกแบบแตละชนสวนใหสามารถท างานไดตามแนวคดทวางไว และมรปลกษณคลายกบนวหวแมมอ โดยการออกแบบนนจะใ ชโปรแกรม CATIA V5R19 ชวยและไดชนงานสดทายดงรปท 3

รปท 3 ชนงาน CAD ของนวหวแมมอเทยมจากโปรแกรม CATIA ในการวเคราะหชนงานนนจะใชโปรแกรม ANSYS12 ชวยในการหาความเคน และการเสยรปของชนงาน เพอพจารณาเลอกวสดทใชในการผลต โดยชนสวนทรบแรงทง 3 ชนคอสวน 4-bar ขอกลาง และขอปลายนนไดวสดและเกดความเคนดงตารางท 2

ตารางท 2 ผลการทดสอบชนสวนทรบแรงและวสดทใช ชนสวน วสด Stress (MPa) Safety Factor 4-bar SS304 4.6 o 2.6 % ขอกลาง ABS 0.9 o 0.5 % ขอปลาย ABS 2.8 o 1.9 %

5. การผลตชนงาน การผลตชนงาน ชนสวนทวไปเชน Bolt, Bearing และลวดนนจะเลอกซอจากขนาดมาตรฐาน สวนขอปลาย ขอกลาง และ Cover ทมความซบซอนจะใชวธการ Rapid Prototype โดยใชวสดคอ ABS Plastic และชนสวน 4-bar linkage ทไมซบซอนจะผลตเองโดยใชวสดคอ Stainless Steel 304 ซงชนงานทผลตขนมลกษณะดงรปท 4

รปท 4 ชนงานนวหวแมมอเทยมตวตนแบบ

6. การทดสอบนวหวแมมอเทยม น านวหวแมมอเทยม ตนแบบไป ทดสอบการเคลอนท เทยบกบนวหวแมมอจรงใน 3 กรณดงรปท 1 ไดผล เปนความคลาดเคลอนเชงมมบรเวณขอกลางและขอปลายของชนงานดงตารางท 3 ตารางท 3 ผลการเปรยบเทยบระหวางนวหวแมมอเทยมกบนวจรง รปแบบ มมขอกลาง Error มมขอปลาย Error

เหยยดตรง 4.1 o 2.3 % 4.6 o 2.6 % ทรงกระบอก 2.5 o 1.4 % 0.9 o 0.5 % ทรงกลม 4.9 o 3.0 % 2.8 o 1.9 %

ผลทไดมความคลาดเคลอนสงสด 3% แตไมสงผลกระทบ ในการ

ทดสอบใชงานจรง โดยน านวหวแมมอเทยม ไปถอขวดคอน ถอขวดน า เปดประต และเขยนหนงสอ ซงผลคอนวหวแมมอเทยม สามารถใชงานทวไปในชวตประจ าวน ไดดงรปท 5 ดงนนผลการทดสอบดานนจงใหผลลพธทยอมรบได

รปท 5 ชนงานตนแบบกบการใชงานทวไปในชวตประจ าวน 7. สรป จากชนงานนวหวแมมอเทยมตนแบบทน ามาทดสอบพบวา ชนงานมความคลาดเคลอนเชงมมสงสด 3% ซงสามารถยอมรบไดและในการน าไปทดสอบใชงาน ผลคอ นวหวแมมอเทยม สามารถใชงานทวไปในชวตประจ าวนไดจรง กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ อ.ดร .ชญญาพนธ วรฬหศร อ.ดร .ไพรช ตงพรประเสรฐ รนพปรญญาโท และเพอนๆในหองแลป BDML ทกทาน โครงงานนไดรบการสนบสนนจาก นพ.ภพ เหลองจามกร บรษท Digigate Technology รานคลองถมสปรง และบรษท ETC service เอกสารอางอง

[1] Robert L. Mott, Machine Elements in Mechanical Design, Pearson Education South Asia Pte Ltd. Singapore.

ฐาน

4-bar linkage นวขอกลาง นวขอปลาย

Cover ขอปลาย Cover ขอกลาง

ฐาน

4-bar linkage นวขอกลาง นวขอปลาย

Cover ขอปลาย Cover ขอกลาง


การออกแบบและผลตหวสะโพกเทยม Design and Manufacturing of Hip Femoral Head

จนดารตน ฉายสนทรสร 4930062821, ปาณศา ควรสนธ 4930288321 และ มนเกต อศวบณฑต 4930391221

อ.ดร.ชญญาพนธ วรฬหศร (อาจารยทปรกษา) บทคดยอ

โครงการนมจดมงหมายเพอแบงกลมและก าหนดขนาดหวสะโพกเทยมใหเหมาะสมกบการใชงานของคนไทย และหาเงอนไขสภาวะทเหมาะสมส าหรบการออกแบบหวสะโพกเทยมชนดไบโพลารใหเกดการสกหรอนอยทสด โดยแบงแนวคดออกเปน 3 สวน คอ 1.การก าหนดขนาด ใชขอมลของกลมคนไทยตวอยางจ านวน 46 คน ไดหวสะโพกเทยมทมขนาดเสนผานศนยกลาง 36 – 52 มลลเมตร 2.การเลอกวสด พจารณาถงราคา คว ามแขงแรง ความทนทานตอการสกหรอและความปลอดภยตอรางกายมนษย เลอกใช UHMWPE คกบ สแตนเลส สตล ในหวสะโพกแบบพลาสตก- บน-โลหะ และ 3.การลดการสกหรอของหวสะโพกเทยม โดยสรางเครองทดสอบการสกหรออยางงาย เพอหาวสดเคลอบผวทเหมาะสม และคาความเรยบผวทดทสดส าหรบควสดทเลอกใช ก าหนดคาความเรยบผวของUHMWPE เปน 1400 นาโนเมตร ความเรยบผวของสแตนเลส สตล เปน 50, 100, 150, 200, 300 และ 400 นาโนเมตร และวสดทใชในการเคลอบผว คอ ไทเทเนยมไนไตรด และ อะลมเนยมไทเทเนยมไนไตรด วดเปอรเซนตการสกหรอโดยมวลของควสดทงสอง แตเนองจากเกดปญหาในการออกแบบเครองทดสอบ ทางกลมจงยงไมไดท าการทดลอง แตหวงวา เครองทดสอบการสกหรออยางงายนจะสามารถใชทดสอบควสดไดในเบองตน ซงผลทไดจะสามารถใชเปนแนวทางในการออกแบบหวสะโพกเทยมชนดไบโพลารตอไป Abstract The purposes of this project are to segment and specify the hip femoral head diameter in order to suit the use of Thai people, and to find the conditions appropriated for the design of the bipolar hip femoral head so as to minimize wear. The concepts are divided into 3 parts. 1.Sizing – by using the sample data of 46 Thai people. The diameters of those are from 36 to 52 mm. 2.Choosing materials – by considering the price, strength, wear resistance, and biocompatibility. We select UHMWPE and stainless steel in a polymer-on-metal bearing couples. 3.Reducing the wear of the hip femoral head – by creating a simple wear test machine to determine some suitable coating materials and to find the optimum surface roughness for the chosen bearing couples. Set the roughness of UHMWPE to 1400 nm and that of stainless steel to 50, 100, 150, 200, 300, and 400 nm. Materials used for coating are Titanium Nitride and Aluminium Titanium Nitride. Wear is measured in the percentage of the weight loss. However, due

to the problems in the design of the wear test machine, the researchers have not conducted the test. Nevertheless, we hope that this wear test machine will be able to use in the basic testing for bearing couples and the results of that can be used as guidelines in the designing of bipolar hip femoral head afterward. 1. บทน า

คนไทยจ านวนมากมความจ าเปนตองผาตดเปลยนสะโพกเทยม แตดวยตนทนการน าเขาหวสะโพกเทยมและคาผาตดทสง ท าใหมผปวยจ านวนนอยทมโอกาสไดรบการผาตด รวมทงสะโพกเทยมทน ามาผาตดใสใหกบคนไทยนน มขนาดตามมาตรฐานของชาว ตะวนตกซงใหญกวาสะโพกของคนไทยมาก สงผลใหเมอผาตดแลวผปวยบางรายเกดอาการปวดหรออาการแทรกซอนอนๆตามมา ท าใหตองผาตดซ าอกครง โดย 71% ของผปวยทเขารบการผาตดซ า เกดจากการหลดหลวมของสะโพกเทยม (Aseptic Loosening)[1] ทมสาเหตหลกมาจากอนภาคทหลดออกจากหวสะโพกเทยม 2. การออกแบบ

ในการออกแบบหวสะโพกเทยมแบบไบโพลาร ได แบงประเดนการออกแบบเปน 3 ประเดน ไดแก 2.1 ขนาดของหวสะโพกเทยมทเหมาะสมกบคนไทย 2.1.1 แนวคดหลกของการออกแบบ

ออกแบบจากขนาดหวสะโพกของคนไทยกลมตวอยาง จ านวน 46 คน และก าหนดขนาดเสนผานศนยกลางใหหางกน 2 มลลเมตร 2.1.2 ผลลพทการออกแบบ

จากขอมลตวอยางของผปวยจ านวน46คน สามารถแบงขนาดหวสะโพกไดดงน คอ ขนาดเสนผานศนยกลาง 36 ถง 52 มลลเมตร และขนาดทมความถมากทสดคอ 42 มลลเมตร ดงในรปท 1 2.2 การเลอกวสดส าหรบหวสะโพกเทยมแบบไบโพลาร 2.2.1 แนวคดหลกของการออกแบบ

ใชการใหคะแนนแบบถวงน าหนก โดยมเกณฑการพจารณาคอ ราคา ความแขงแรง ความสามารถในการทนทานตอการสกหรอ แล ะความปลอด ภยตอรางกายมนษย แบงการพจารณาออกเปน 2 สวน

0

2

4

6

8

10

12

14

36 38 40 42 44 46 48 50 52

ขนาดของหวสะโพกเทยม (mm)

ความ

ถ (

คน

)

รปท1 คนไทยกลมตวอยาง 46 คน ทมขนาดหวสะโพกเทยมตางๆกน


คอ 1. เลอกคของวสด (Bearing couples) 2. เลอกวสด (Materials) 2.2.2 ผลลพทการออกแบบ 1. คของวสด : ใชพลาสตกเปนหวสะโพกไบโพลารดานนอก และ ใชโลหะเปนหวสะโพกดานใน (Polymer-on-Metal) 2. วสด - สวนทเปนพลาสตก : UHMWPEมความเหมาะสมมากทสด

- สวนทเปนโลหะ : ไททาเนยมมความเหมาะสมในการใชงานมากกวาวสดอน แตทางกลมไดเลอกใชสแตนเลส สตล เนองจาก สแตนเลส สตลมราคาถกกวามาก โดยจะปรบปรงคณภาพ ผวเพม เตมเพอเพมประสทธภาพของคณสมบตดานการสกหรอ 2.3 การลดการสกหรอทเกดขนในหวสะโพกเทยม 2.3.1 แนวคดหลกของการออกแบบ

การสกหรอหลกทเกดขนในหวสะโพกเทยม[2] ไดแก การสกหรอเนองจากการตดเฉอน (Abrasive wear) การยดตด (Adhesive wear) และความลา (Fatigue wear) โดยการปองกนการสกหรอทง 3 ชนดน สามารถท าไดโดยการเคลอบผว (Surface coating) และการหาความเรยบผวทดทสด (Optimum surface roughness) โดยผลกระทบของความเรยบผวชนงานทมตอการสกหรอ เมอความเรวในการเคลอนทมคาตางกน ถกแสดงในรปท 2

รปท2 ผลกระทบของความเรยบผวของพนผวสมผสทมตอการสกหรอของ UHMWPE [3]

จากขอมลดงกลาว ทางกลมจงท าการทดสอบเพอหาวสดเคลอบผวทเหมาะสม และคาความเรยบผวทดทสดส าหรบสภาวะการเดนของมนษย (นอยกวา 0.358 เมตร/วนาท)[4] โดยไดสรางเครองทดสอบการสกหรออยางงายขนมา เพอใชในการทดสอบขอสมมตฐาน ดงกลาว 2.3.2 การสรางเครองทดสอบการสกหรออยางงาย

หลกการท างานของเครองทดสอบการสกหรอ จะใชแผนสแตนเลส สตล ทเคลอนทมาเสยดสกบชนงาน UHMWPE ทอยนง โดยพารามเตอรของเครองทดสอบการสกหรอ (ความดน 3.18x108 ปาสคาล , ความเรว 3.10 เซนตเมตร/วนาท) และสภาพเงอนไขในการทดสอบ มแนวทางมาจากมาตรฐาน ISO 14242-1 2.3.3 ผลลพทการออกแบบ

ใชกลไกลกเบยวและตวตามแบบยอรค ซงลกเบยวมรศมคงท(Cam and yoke follower mechanism – constant radius) และตวตาม (กรอบรปสเหลยม) กบตวยดจบสแตนเลส สตล เชอมตอกนโดยตรง และ มแกนขบของมอเตอรวางตวในแนวราบ ดงรปท 3 2.3.4 ปญหาของเครองทดสอบการสกหรอ และ วธการแกไข

ปญหา 1 : ขาตงของเครองทดสอบเกดการโยกตวในขณะท าการทดลอง ซงเกดจากแรงคควบรอบขาตงทงสอง แกไขโดยเสรมจดยดของขาตงออกมาทงสองขาง

ปญหา 2 : แผนฐานเกดการบดท าใหขาของฐานยกลอยและบด

ไป-มา เกดจากแผนฐานมขนาดบางเกนไป แกไขโดยเพมความหนาของแผนฐานและเหลกฉาก และเสรมโครงฐานโดยเชอมเหลกฉากใหกลายเปนกรอบเดยวกน

ปญหา 3 : เพลาขาออกขอเกยรทดงอ หลงจากท าการทดลองไปไดระยะหนง ดงรปท 4 สาเหตเกดจากเพลามขนาดเลก และการตอฮบ(Hub)ท าใหระยะทรบแรงมากขน เพลาตานโมเมนตมากขน แกไขโดยเปลยนเกยรทดใหใหญขนและเพมตลบลกปนทเพลาขาออก รปท3 เครองทดสอบการสกหรอ 2.3.5 การทดสอบการสกหรอ

เพอศกษาความสมพนธระหวางความเรยบผวและเปอรเซนตการสกหรอโดยชงมวลของสแตนเลส สตล และ UHMWPE ทงกอนและหลงท าการทดลอง รวมทงวเคราะหประสทธภาพการเคลอบผวของไทเทเนยมไนไตรด และ อะลมเนยมไทเทเนยมไนไตรด โดยก าหนดคาความเรยบผวของสแตนเลส สตล และ UHMWPE (หนวย นาโนเมตร) ดงน

- สแตนเลส สตล ไมไดเคลอบผว : 50, 100, 150, 200, 300, 400 - สแตนเลส สตล เคลอบผว : 200, 300, 400 - UHMWPE : 1400 การทดลองจะถกแบงออกเปน 12 กรณ จ านวนรอบในการ

สเสยด คอ 100,000 ถง 500,000 รอบ (เทยบเทากบคนเดน 1 ป) ผลการทดลองทไดจะบงบอกถงคาความเรยบผวทดทสด และ ความความจ าเปนในการใชวสดเคลอบผว ส าหรบหวสะโพกเทยมแบบไบโพลาร ทท าจากสแตนเลส สตล และ UHMWPE 4. สรป ขนาดเสนผานศนยกลางของหวสะโพกเทยมทเหมาะสมกบกายวภาคของคนไทย คอ ขนาด 36 – 52 มลลเมตร โดยแตละขนาดจะมระยะเสนผานศนยกลางหางกน 2 มลลเมตร ควสดทเหมาะสมคอแบบพลาสตก-บน-โลหะ ไดแก UHMWPE และ สแตนเลส สตล ในประเดนของการลดการสกหรอทเกดขนบนหวสะโพกเทยมนน ผลทไดจากการทดลองจะสามารถน าไปวเคราะหเพอเปนแนวทางในการออกแบบหวสะโพกเทยมชนดไบโพลารไดตอไป 5. เอกสารอางอง [1] http://www.informaworld.com/ [2] Taylor & Francis Group, LLC, “Handbook of Lubrication

and Tribology”, 2006. [3] Gwidon W. Stachowiak and Andrew W. Batchelor,

“Engineering Tribology” , third edition, 2005. [4] มาตรฐานการทดสอบหวสะโพกเทยม ISO 14242-1

รปท4 เพลาของเกยรทด ทเกดการงอ

โครงงานการออกแบบและสรางเครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยม

The design and manufacture hip simulator

ชยอนนต นนทเศรษฐพงศ 4930100021, เพมพงษ เหมวราพรชย 4930347721 , ธนวฒน แสนประเสรฐ 4930190421 ,

พงศสวล ชาตเสนย 4930307621และ ธนศกด โสธนนนทน 4930192721

อ.ดร.ไพรช ตงพรประเสรฐ( อาจารยทปรกษา )

บทคดยอ โครงการนเปนการออกแบบและสรางเครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยมตามมาตรฐาน ISO14242 เพอเพมความมนใจคณภาพชนงานกอนไปทดสอบทตางประเทศ โดยออกแบบและสรางเครองทดสอบหวสะโพกเทยมในดานการเคลอนทและแรงกระทาตามมาตรฐาน ISO 14242 ซงแบงเปน 2 สวนคอ สวนกลไกและสวนควบคม ในสวนของกลไกจะทาการออกแบบและวเคราะหความแขงแรงของชนงาน จากนนทาการผลตและนาชนงานมาประกอบเปนเครองทดสอบหวสะโพกเทยม และทาการออกแบบระบบควบคมแรงกระทาใหไดตามมาตรฐานโดยใชโปรแกรม LabVIEW โดยพบวาขนาดของแรงกระทามความคลาดเคลอนจากมาตรฐานไมเกน 1.67% ซงอยในชวงของมาตรฐานทยอมรบไดคอมคาความคลาดเคลอนไมเกน 3% Abstract

This project is a designed and manufactured machine for artificial hip joint wear’s test according to the ISO14242 to increase confidence in hip joint that will test in foreign country. To design and test artificial hip joint in motion and action force by the ISO 14242 that is divided into 2 parts. There are a mechanism and dynamics control. In part of mechanism, Mechanic is designed and analyzed about strength of it then is produced and assembled. In part of dynamics control, To design control systems to generate action force by LabVIEW. Test result of action force has error from ISO 14242 not exceed 1.67 % that standard has maximum error not exceed 3 %. 1.บทนา

ในปจจบนประเทศไทยมผปวยจานวนมากทจาเปนตองใชขอสะโพกเทยมเปลยนแทนขอสะโพกตามธรรมชาตของรางกาย แตกอนทจะนาขอสะโพกเทยมมาใชนนจะตองมการทดสอบ คณสมบตตางๆ สาหรบการทดสอบนนจะตองสงหวสะโพกไปทดสอบทตางประเทศหรออาจตองนาเขาเครองทดสอบจากตางประเทศ ทาใหตองใชตนทนสงอกทงยงใชเวลามาก โครงงานนจงจดทาขนเพอออกแบบและสรางเครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยมแลวนามาใชทดสอบเพอเพมความมนใจในคณภาพชนงานกอนสงไปทดสอบทตางประเทศ

2.การออกแบบเครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยม 2.1 ขอกาหนดในการออกแบบ เครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยมสามารถทางานตามมาตรฐาน ISO 14242 ซงมแรงกระทาและการกระจดเชงมมทใชในทดสอบใน 1 รอบการทดสอบมรปแบบดงแสดงในรปท 1

รปท 1 แสดงการกระจดเชงมมและแรงกระทาทใชในการ

ทดสอบตามมาตรฐาน ISO 14242

2.2 การออกแบบโดยละเอยด

ตามมาตรฐาน ISO 14242 เครองทดสอบการสกหรอ

สาหรบหวสะโพกเทยมจะตองออกแบบใหมการเคลอนทเพอทาใหเกด

การกระจดเชงมมใน 3 แกน ประกอบไปดวย1. Abduction/adduction

2. Flexion/extension 3. Inward/outward rotation โดยมการ

เปลยนแปลงใน 1 รอบการทดสอบ ดงแสดงในรปท 1

การออกแบบชนงานฐานหมนระนาบเอยง(Main rotator) ให

ระนาบบนเอยง 21.5๐ เมอเกดการหมนในหนงรอบ จะทาใหกานสวม

หวสะโพกเทยมซงอยบนชนงาน จานหมน(Relative rotator) เกดการ

กระจดเชงมมในแกน Abduction/adduction และ Flexion/extension

ได ดงแสดงในรปท 2

รปท 2 การกระจดเชงมมในแกน Abduction/adduction และ Flexion/extension สวนการกระจดเชงมมในแกน Inward/outward rotation จะเกดจากการหมนในแนวแกนของชนงาน จานหมน(Relative rotator) ซงขนาดการกระจดเชงมมในแกน Inward/outward rotation จะขนอยกบการออกแบบตาแหนงและคาความสงของคานปองกนการหมนตาม (Rotation-prevention lever) ดงแสดงในรปท 3

รปท 3 การกระจดเชงมมในแกน Inward/outward rotation

ในการออกแบบเพอใหกลไกรบแรงกระทา จะใชแบรง

ทงหมด 3 ชน โดยในการออกแบบจะคานงถงอายการใชงานและแรงท

กระทากบแบรง โดยเลอกใชเทเปอรแบรง 2 ชนเพอรบแรงทกระทา

และบอลแบรง 1 ชนเพอปองกนการโกงงอของชนงาน

สาหรบการควบคมแรงกระทารปแบบเฉพาะทใชในการ

ทดสอบจะใชโปรแกรม LabVIEW ในการประมวลผลคาสญญาณและ

แสดงระบบทถกควบคม โดยในทนใชการควบคมPID แบบวงจรปด

และการใชสญญาณนบรอบสงเรมการทางานของแรงกระทารปแบบ

เฉพาะ

3.การผลตชนงาน

การผลตชนงานทซบซอนและตองการความแมนยาสง

เนองจากจะตองประกอบเขากบแบรง เชน เสอแบรง ฐานหมนระนาบ

เอยง และจานหมน เปนตน ชนสวนเหลานจะกลงโดยใชเครอง CNC

ซงเครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยมทประกอบเสรจ

สมบรณมลกษณะดงรปท 4

รปท 4 เครองทดสอบการสกหรอสาหรบหวสะโพกเทยม

4.ผลการทางานของเครอง การควบคมขนาดของแรงทใชในการทดสอบโดยโปรแกรม LabVIEW ซงพบวามความคลาดเคลอนจากมาตรฐาน ISO 14242 1.67 % ดงรปท 5 โดยกราฟสแดงแสดงคาสญญาณคาสง กราฟสฟาแสดงแรงกระทาทวดได

รปท 5 จอแสดงผลคาคาสญญาณคาสงกบคาศญญาณทวดจาก

ระบบทควบคมได

5.สรป

การควบคมขนาดของแรงกระทามความคลาดเคลอนจาก

มาตรฐานไมเกน 1.67 % ซงอยในชวงของมาตรฐานทยอมรบไดคอม

คาความคลาดเคลอนไมเกน 3 %

เอกสารอางอง [1] วบลย แสงวระพนธศร. การควบคมระบบพลศาสตร,สานกพมพจฬาลงกรณมหาวทยาลย กรงเทพ, พ.ศ. 2548 [2] Robert L. Mott. Machine Elements in Mechanical Design. Pearson Education Singapore. 2006 [3] ISO office. ISO 14242. ISO office Switzerland. 2000

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 AM07

ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

การสรางแบบจาลองรถแทรกเตอรเสมอนจรงเพอใชทดสอบความปลอดถย A Tractor Model for Safety Test

กตพงศ กงวานสกล 493036521 และ คณพล วชยกจ 4930047421 ศ.ดร. สรนทร พงศศภสมทธ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

ความปลอดภยในการใชรถแทรกเตอรเปนเรองสาคญท

ควรคานงถง แตวาผผลตรถแทรกเตอรในประเทศไทยยงไมมการ

ทดสอบความปลอดภยรถแทรกเตอรอยางจรงจง เนองจากการ

ทดสอบรถแทรกเตอรทมขนาดของจรงนนมคาใชจายสง การใชรถ

แทรกเตอรจาลองจงเปนทางเลอกหนงในการทดสอบความ

ปลอดภย การศกษานมวตถประสงค เพอออกแบบและสรางรถ

แทรกเตอรจาลองทมความเสมอนจรงมากทสดเพอศกษา

เสถยรภาพของรถแทรกเตอร

รถแทรกเตอรทเลอกเปนตนแบบในการสราแบบจาลอง

คอ รถแทรกเตอรคโบตารน L3608 การศกษาเรมจากการวดคา

องคประกอบตางๆ ทเกยวของกบเสถยรภาพของรถแทรกเตอรคอ

ระยะหางชวงลอ ขนาดลอ จดศนยถวง(CG)ของรถแทรกเตอร

ระยะฐานลอและความสงของจดลาก จากนนนาคาทไดมาวเคราะห

ผลและทาการเลอกขนาดของแบบจาลองพจารณาจากวสดทมใน

ทองตลาด เมอทาการคานวณกไดมาตราสวนเปน 1:7.5 จากนนจง

ทาการออกแบบรถแทรกเตอรโดยเขยนแบบบนกระดาษกอนแลว

จงทาการสรางตามแบบ และตองทาการวดคาหาองคประกอบท

เกยวกบเสถยรภาพของรถแทรกเตอรจาลองเชนเดยวกนกบรถ

แทรกเตอรจรง ผลการทดลอง พบวา มมพลกของรถในแนวขวางม

คาตางกนอย 4.037% และขนาดแรงทสามารถดงใหลอหนายกขน

ไดมคาตางกนอย 5.751% โดยคาทตางกนนจะใชเปนคาปรบแก

ความถกตองเวลาทดสอบแบบจาลอง และเมอทาการทดลองหาคา

มมทจะพลกของรถแทรกเตอรจาลองมคาตางกบการวเคราะหดวย

การคานวณทางทฤษฎอย 4.9 องศา

Abstract

The study of tractor stability is very important. This

due to it relates to the safety of tractor for operating.

However, tractor manufacturers in Thailand have not been

seriously tested tractor stability because it is costly to

conduct the test with an actual tractor. Then, to design and

construct a tractor model is one alternative method for

studying tractor stability,

A Kubota tractor model L3608 is selected to be

studied for making a tractor model because it widely used

among Thai farmers. Many important factors related to

tractor stability are measured and determined for example a

distance between the front and rear wheels, wheel base and

the height of drawbar. The size of tractor model is technically

determined according to the available materials in the

market, especially the diameter of rubber wheel. The

appropriate scale is calculated to be 1:7.5 of tractor model.

This study is concentrated to determine the center

of gravity location along three axes of tractor. The testing

results shown that the different of side turning angle and

weight ratio that is used to lift the front wheel from the

ground of the tested model and theoretical calculation of the

model tractor are 4.047% and 5.751% respectively and the

different between turning angle from testing and theoretical

determined is 4.9 degrees. These figures will be applied for

correcting factors to adjust the testing data of tractor model

under various testing conditions in the further study.

1. บทนา

ปจจบนนเกษตรกรใชรถแทรกเตอรกนอยางแพรหลาย

ในงานเกษตรกรรม แตวายงไมมการทดสอบความปลอดภยทดพอ

เนองจากการทดสอบความปลอดภยดวยรถแทรกเตอรจรงนน จะม

คาใชจายสง การสรางแบบจาลองรถแทรกเตอรขนมาเพอทดสอบ

ความปลอดภยจงเปนอกทางเลอกหนงทนาจะเหมาะสม โดยม

จดประสงคเพอออกแบบและสรางแบบจาลองรถแทรกเตอรยอ

ขนาดทมความใกลเคยงกบของจรง หลงจากนน จงทาการทดสอบ

เพอหาคาองคประกอบทเกยวกบเสถยรภาพของรถแทรกเตอร

จาลองแลวนามาวเคราะหหาเสถยรถาพของรถแทรกเตอร

เปรยบเทยบกบรถแทรกเตอรจรง

2. รถแทรกเตอรและเสถยรภาพของตวรถ

รถแทรกเตอรนบวา เ ปนเครองจกรกลการเกษตรทม

ความสาคญตอการทาการเกษตรแผนใหมมาก โดยมบทบาท

สาคญอย 2 อยางในงานเกษตรกรรม ดงน



1) เพอเพมผลผลตทางการเกษตรตอแรงงงาน

2) เพอเปลยนลกษณะการทางานเกษตรจากงานทนาเบอ

เปนงานทนาสนใจ

เสถยรภาพของรถแทรกเตอรหมายถง ลกษณะทรถ

แทรกเตอรจะรกษาการทรงตวไมใหเกดอบตเหตไวได ดงนน จง

นบเปนสงสาคญอยางยงตอความปลอดภยในการใชรถแทรกเตอร

เสถยรภาพของรถแทรกเตอรสามารถแบงออกไดเปน 2 ลกษณะ

คอ เสถยรถาพตามขวางซงหมายถง ลกษณะของรถแทรกเตอรท

จะทรงตวอยไดโดยไมพลกทางดานขางและเสถยรภาพตามยาว

หมายถง ลกษณะของรถแทรกเตอรทจะทรงตวอยไดโดยลอหนา

ไมยกขนจากพน

3 องคประกอบของรถแทรกเตอรทมผลตอเสถยรภาพ

องคประกอบหลกทมผลต อ เสถยรภาพของรถ

แทรกเตอรมอย 5 ประการคอ ชวงหางของลอ ระยะฐานลอ

ตาแหนงของจดลาก ตาแหนงจดศนยถวงของตวรถ และตาแหนง

ของลอ

โดยการวดคาองคประกอบตางๆของรถแทรกเตอรจะ

เรมจากการวดคาทเปนมตภายนอกกอน โดยการวดจะดงลกดง

จากสวนกวางสดของแตละลอ เพอสรางเปนตาแหนงลอขนมาแลว

จงวดมตตางๆ ออกมา จากนนจงนารถแทรกเตอรขนชงนาหนก

แตละลอ ขณะชงรถแทรกเตอรตองอยในแนวระดบ เมอทาการหา

โมเมนตรอบลอในแนวแกนขวางและแกนยาวแลวจะไดตาแหนง

จดศนยถวงทางดานขวางและยาว หลงจากนนจงทาการยกลอหนา

ขนและชงนาหนกแบบเดม ความแตกตางของระยะฐานลอของการ

ชงแบบยกและไมยกรถแทรกเตอร จะสามารถใชคานวณคาความ

สงของจดศนยถวงรถแทรกเตอรได

4. การออกแบบและสรางรถแทรกเตอรจาลอง

รถแทรกเตอรทเลอกมาจาลองคอ รถแทรกเตอรคโบตา

รน L3608 จากนนกทาการสารวจตลาดเพอหาซอวสดมาทา

แบบจาลองรถแทรกเตอรไดตามมาตราสวนท 1:7.5 ซงลอหนาม

ขนาดเสนผานศนยกลาง 10 ซม ลอหลงมขนาดเสนผานศนยกลาง

15 ซม มอเตอรทเลอกตองทาใหรถวงดวยความเรวทออกแบบไว

คอประมาณ 1 เมตรตอวนาท เลอกไดมอเตอรทมขนาด 150 rpm

ซงจะทาใหรถมความเรวอยท 1.25 เมตรตอวนาท ใชเฟอง

ดอกจอกในการสงกาลงและใชวสดอะครลคเปนโครงรถ

5 การตรวจสอบและทดสอบรถแทรกเตอรจาลอง

การตรวจสอบแบบจาลองรถแทรก เตอรจ ะท า

เชนเดยวกนกบการวดคาและชงรถแทรกเตอรขนาดจรงแตจะทา

ในมาตราสวนทยอสวนลงมา โดยมตจะวดดวยการใชกระดาษมา

เปนแบบและทาการชง น าหนกในลกษณะเดยวกนกบรถ

แทรกเตอรขนาดจรง เมอวดคาออกมาแลวจงทาการเปรยบเทยบ

คาระหวางรถแทรกเตอรจาลองทสรางขนมากบเปาประสงคทต งไว

คอมาตราสวน 1:7.5 กบขนาดจรงไดคาตามตารางขางลาง ดงน

6. สรป

การศกษารถแทรกเตอรจาลองทสรางขนมขนาดมาตรา

สวน 1:7.5 กบรถแทรกเตอรขนาดจรง โดยลอหนานนสามารถ

หมนไดรอบแกนยาวของรถแทรกเตอรทาใหไมตองใชระบบแขวน

ลอ การทดสอบรถแทรกเตอรจาลองทไดสรางขนแลวพบวา ผล

การทดลองแบบจาลองมเสถยรภาพตามขวางตางกน 4.037%

และเสถยรภาพตามยาวตางกน 5.751% และการคานวณทาง

ทฤษฎพบวา เปรยบเทยบมมพลกตามแนวขวางของการทดสอบ

และการคานวณดวยสมการตางกนอย 4.9 องศา

กตกรรมประกาศ

ขอขอบคณ ศ.ดร.สรนทร พงศศภสมทธ ทใหโอกาส

จดทารายงานเลมน ขอขอบคณบรษท ก.แสงยนต จากด จงหวด

นครปฐม ทใหยมรถแทรกเตอรคโบตารน L3608 มาใชใน

การศกษา ขอขอบคณศนยเครองจกรกลเกษตรแหงชาตทใหบม

อปกรณการทดสอบ และ ผศ.ดร.องคร ศรภคากร ผประสานงาน

รายวชาในปการศกษา 2552

อางอง

[1] สรนทร พงศศภสมทธ. ระบบรถแทรกเตอรและการออกแบบเพอการเกษตร . กรงเทพมหานคร : 2531

คาจากการคานวณแบบจาลอง คาจากการคานวณตามเปาประสงค 1.CG ทคานวณได 1.CG ตามเปาประสงค - ระยะหางจากกงกลางลอหลง(ตามกวาง), ซม 7.429

- ระยะหางจากกงกลางลอหลง(ตามกวาง), ซม 7.551

- ระยะหางจากกงกลางลอหลง(ตามยาว), ซม 9.668

- ระยะหางจากกงกลางลอหลง(ตามยาว), ซม 10.224

- ระยะสงจากพน, ซม 8.484 - ระยะสงจากพน, ซม 9.125 2. มมทรถจะพลกของตวรถตามแนวความกวาง, องศา 41.207

2. มมทรถจะพลกของตวรถตามแนวความกวาง, องศา 39.608

3. สดสวนระหวางแรงดงกบนาหนกทจะทาใหลอหนายกตามแนวยาว 0.6599

3. สดสวนระหวางแรงดงกบนาหนกทจะทาใหลอหนายกตามแนวยาว 0.6240



การพฒนาและออกแบบกระบวนการผลตเบาขาเทยมดวยกรรมวธการขนรปแบบสญญากาศ

Develop and Design Thermal vacuum forming for prosthetic sockets.

ธรภทร ตนไชย 4930208121, วรวชญ เบญจบณยสทธ 4930223521, นพรตน รตนพบลยมณ 4930217821

และ สชาญวฒ พรหมโณมย 4930569721

อ.ดร.ไพรช ตงพรประเสรฐ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

บทความน กลาวถงการพฒนาและออกแบบกระบวนการผลตเบาขาเทยมดวยการขนรปแบบสญญากาศ เพอลดเวลาการผลต และใหไดคณภาพมากขน โดยศกษาตวแปร ทสงผลตอ ความหนาชนงาน พบวาอตราการปอนชนงาน ทตา การเกดทองชางเปนเวลานาน และความหนดทมากของแผนพลาสตกทใชขนรป จะใหเบามความหนามาก การควบคมการกระจายตวของอณหภมทาใหควบคมความหนาเฉพาะสวนได และพบวาการขนรปแบบปอนตวแบบในทศลง จะ ใหความหนาของเบามากกวาแบบทศขน โปรแกรม ANSYS ถกนาชวยประมาณคาความหนาตาสดทสามารถใชงานได โดยอางองการทดสอบความลาของชนงานตามมาตรฐาน ISO10328 ของเขาเทยม

พบวาความหนาของเบาตอง ไมนอยกวา 4 มม. ดงนนการควบคมการผลตดงกลาวจะทาใหไดเบาทมคณภาพ และลดเวลาสญเปลาได คาหลก เบาขาเทยม, ขาเทยม, การขนรปสญญากาศ

Abstract

This study paper proposes a develop and design Thermal

Vacuum Forming process for prosthesis socket. To decrease

loss time and achieve more quality for sockets by studying

significant factors. The experiments have shown that low feed

rate, long-sagging time and high viscosity cause more

thickness. A downward-mold motion gives a better thickness

when compares to the opposite direction. The ANSYS

simulation results are used for estimating an appropriate

minimum thickness. By referring a fatigue test to an ISO10328;

artificial knee joint test standard. In addition to all mentioned

factors regulation will give a better quality and lead to eliminate

loss time.

Keywords: Prosthetic socket, Artificial leg, Thermal vacuum

forming

1. บทนา จากสถตจานวนผพการขาขาดทเพมขนสงผลตอความตองการ

ขาเทยมเพมขนดวย สวนสาคญ หนงของขาเทยมคอ เบาขาเทยม เดมการผลตเบาขาเทยม นนใชเรซน แตปจจบน ไดเรม พฒนา โดยเปลยนวสดเปนแผนโพลโพรพลนและใชวธขนรปดวยสญญากาศ เพอลดเวลาการผลต แตยงพบวาชนงานบางชนคณภาพยงบกพรอง

อย ทาใหเสยเวลากบการซอมแซมโดยการหลอเรซนเพม ดงนนการพฒนาการผลตใหไดเบาทมคณภาพจงเปนสงจาเปน การศกษา ตวแปรทสงผลตอการขนรป จะทาใหสามารถควบคมคณภาพของเบาได และสงผลใหเวลาทสญเปลาในระหวางการผลตลดลงได

2. การออกแบบการทดลอง

การทดลองใชแผนโพลโพรพลน 41x41x1.4 ซม.อบทอณหภม 200 องศาเซลเซยส เปนเวลา 1.5 ชวโมง จากนนขนรปดวยสญญากาศโดยใชหนยนตเพอควบคมอตราการปอน โดย จดลกษณะการขนรปเปน 2 แบบ คอ แบบปอน ตวแบบขนดงรปท 1 ดานซายและแบบปอน ตวแบบ ลง ดงรปท 2 ดานขวา จากนนศกษาความสมพนธระหวางความหนาของเบากบตวแปร 4 ประการคอ อตราการปอนชนงาน การเกดทองชาง ความหนดและลกษณะการกระจายตวของอณหภมบนแผนพลาสตก เกบคาความหนาของเบาทกระยะหาง 1 ซม.ทงหมด 67 จด โดยการผาครงตามยาวดงรปท 2

รปท 1 ดานซายเปนการปอนตวแบบขนสวนดานขวาเปนการปอนตวแบบลง

ปลายเบา

กลางเบา

โคนเบา

รปท 2 ซายแสดงตาแหนงขอมลการวดความหนา, ขวาแสดงชวงของเบาขาเทยม

3. ผลการทดลองและอภปรายผล

3.1 อตราการปอนชนงาน

จากรปท 3 ความหนาทตาแหนงปลายเบาและการกระจายตวของความหนาจะแปรผกผนกบอตราการปอนชนงาน เนองจากอตราการปอนสงทาใหพลาสตกดานขางถกดงใหยดอยางรวดเรวและทาให



พลาสตกถกยดเพยงเฉพาะจด สวนโคนเบาไมสามารถสรปผลได

รปท 3 แสดงความหนาของเบาขาเทยมทอตราการปอนชนงานตางๆ

3.2 การเกดทองชาง จากรปท 4 ความหนาบรเวณปลายเบามคานอย แตพสยของ

ความหนาสวนปลายและสวนทมความหนาตาทสดคอนขางนอย

ความหนาตาทสดถงโคนเบานนมการเพมขนในลกษณะเชงเสน

การปลอยใหเกดทองชางทเวลาตางกนใหความหนาทใกลเคยง กนซงอาจเปนลกษณะเฉพาะของโพลโพรพลน

รปท 4 แสดงความหนาของเบาทความหนดตางๆ

3.3 ความหนด จากรปท 5 ความหนาทเกดขนทชวงปลายจะแปรผนตรงกบ

ความหนด และแปรผกผนกบคาอณหภมปลาย ทชวงความหนานอยจะเลอนออกไปยงตาแหนงใกลโคนมากยงขนเมอความหนดเพมขน เนองจากโคนเบาไดรบเนอพลาสตกจากสวนทอยตดกบเฟรมเหลกซงมอณหภมสงกวาพลาสตก ทาใหพลาสตกสวนนนมความหนดนอย จงเกดการยดบรเวณสวนใกลเฟรมในกรณทพลาสตกหนดมาก

รปท 5 แสดงความหนาของเบาขาเทยมทอตราการเกดทองชางตางๆ

3.4 การกระจายตวของอณหภมบนแผนพลาสตก จากรปท 6 บรเวณทเปนฉนวนปด วงกลม(R-R) วงแหวน(R-r)

นนใหความหนาของเบาสงกวาแบบไมมฉนวน ฉนวนแบบวงกลมนน

ใหความหนาของสวนปลายมากทสด เนองจากอณหภมบรเวณปลายปดตากวาสงผลใหความหนดมากการยดตวจงนอย รองลงมาคอแปงและไฟเบอรตามลาดบ โดยชวง R-r นนพบวามความหนาใกลเคยง กน เนองจากแปงและไฟเบอรทใชประพฤตตวเปนฉนวนทมสมบตคลายกน

รปท 6 แสดงความหนาของเบาขาเทยมทพนทฉนวนตางๆ

3.5 การปอนตวแบบขน จากรปท 7 การปอนตวแบบขนใหความหนาของปลายเบา

มากกวาการปอนตวแบบลง แตความหนาบรเวณโคนนอย กวาทอตราการปอนเดยวกน โดยพบวาเกดรอยพบทอตราการปอนตงแต15วนาทลงไป ทาใหยงไมสามารถนาไปใชงานได

รปท 7 แสดงการเปรยบเทยบความหนาระหวางการปอนตวแบบลงและขน

เมอเทยบความหนาของเบาทไมมการควบคมตวแปรใดๆ

(หนา 1-3 มม.) กบเบาทดทสดจากการทดลอง(หนา 3.4 มม.) แลว

พบวาสามารถพฒนาคณภาพได แตเมอประยกต ISO10328

(มาตรฐานการทดสอบเขาเทยม) มาทดสอบตวเบา พบวาเบาหนา 4 มม.ไมผานการทดสอบความลาท 3 ลานครง แตทาไดเพยง 645,000 ครง ซงเพยงพอสาหรบการใชงานสาหรบผพการ

4. สรปผลการทดลอง

ในการผลตเบาดวยวธขนรป ความรอนดวย สญญากาศทมการควบคมในเรองของตวแปรตางๆ และทศทางการปอนตวแบบเพอใหไดตวเบาทมความหนาไมนอยกวา 4 มม. นน จะเปนการลดโอกาสทชนงาน เกดความบกพรอง ซงนาไปสการลดเวลาสญเสยทเกดจากการซอมแซมได

กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณโรงพยาบาลทหารผานศกและมลนธขาเทยมฯ ทเออเฟอความรและอนเคราะหแผนพลาสตกสาหรบการทาโครงการ เอกสารอางอง

[1] Van C.Mow,PhD, Ris Huiskes,PhD. Basic Othopaedic

Biomechanics & Mechano-Biology. Lippincott Williams&

Wilkins, 2005.

Fin

รปท 8 รปประกอบการใชงาน ANSYS ในการวเคราะหตวเบา


การออกแบบชดสาธตปญหาทแกไมไดดวยวธทางสถตศาสตร : ชนสวนรบแรงแนวแกน

Statically Indeterminate Equipment: Axial Loaded Member

ฐากร ชลพทกษพงษ 4930111921, นฐพร เลศลกษณพนธ 4930230921, ภมพฒณ มลชย 4930382621และวรฒ พทกษพงศสนท 4930459321 ผศ.ดร. จรพงศ กสวทยอ านวย (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานนมวตถประสงคเพอปรบปรงผลสมฤทธของการเรยนวชากลศาสตรวสด โดยออกแบบและสรางชดสาธตปญหาทแกไมไดดวยวธทางสถตศาสตรของชนสวนรบแรงแนวแกน ชดสาธตสามารถวดระยะเคลอนตวของชนงาน หาขนาดแรงกดชนงาน และแรงกดสทธ ส าหรบทวนสอบความส มพนธระหวางความเคน- ความเครยด สมการสมดลของแรง การค านวณระยะเสยรปแนวแกนจากขอมลความเครยด รวมถงประเมนผลสมฤทธของการเรยน จากการทวนสอบชดสาธตพบวา ทแรงกดสงสด ทออกแบบ ระยะเคลอนตวของแผนกดกบคาทวดจาก สเตรนเกจมคาคลาดเคลอนไมเกนรอยละ 15 และสมการสมดลมคาคลาดเคลอนจากแรงสทธไมเกนรอยละ 7 เมอน าชดสาธตประกอบการสอนพบวา ผเรยนมความเขาใจและสนใจเนอหามากขน

Abstract The objective of this project is to improve the effectiveness of mechanics of material course. The improving method is designing and building a statically indeterminate equipment: Axial loaded member. The specification of this equipment is measuring the displacement, the magnitude of internal force and total force exerted on specimens to verify stress-strain relation, equilibrium equation and the calculation of axial deformation from strain data, in addition, to evaluate the effectiveness of teaching method using this equipment. From the calibration of this equipment, the error of deformation (at design rated load), compared between the displacement and the strain calculation from strain gage, is less than 15% and when verifying equilibrium equation, the error is less than 7% and finally, using teaching method with using this equipment can improve student’s understanding and make the course more interesting. 1. บทน า วชากลศาสตรวสด (Mechanics of Material) มบทบาทส าคญใ นการออกแบบชนสวนเครองจกรกล และโครงสรางทางวศวกรรม ใหท างานไดอยางปลอดภย ในขณะทผจดท าโครงงานศกษาอยพบวา ขาดความเขาใจเนอหาหลกของว ชา เชน ไมสามารถเขยนแผนภาพวตถอสระของชนสวนรบแรงแนวแกนในปญหาทแกไมไดดวยวธทาง

สถตศาสตร ไมสามารถเขยนสมการ Kinematic รวมไปถงการแทนคาขนาดและทศทางของแรงในสมการ อกทงไมเขาใจความหมายของความเครยดทงเครองหมายและการน าสตรไปใช มนกวจยหลายทานพยายามแกไขความไมเขาใจดงกลาวซงวธทไดรบความส าเรจทางหนงคอ สรางชดสาธตประกอบการสอน ดงนนทางผจดท า จงสรางชดสาธตประกอบการสอน โดยเลอก ปญหาเรองชนสวนรบแรงแนวแกนในลกษณะทแกไมไดดวยวธสถตศาสตร ดงรปท 1 โดยชดสาธตสามารถทวนสอบความสมพนธความเคน- ความเครยด สมการสมดลของแรง การค านวณระยะเสยรปแนวแกนจากขอมลความเครยด รวมถงประเมนผลสมฤทธของการเรยนการสอน

รปท 1 ภาพจ าลองปญหาการรบแรงแนวแกน

(1) ทอ (2) กาน 2. ขนตอนการออกแบบ

จากรปท 1 ชดสาธตประกอบดวย 2 สวนหลกคอ ชนงาน (ทอและกาน) และแรงตนก าเนด (P) ขนตอนออกแบบขนแรกคอ ก าหนดความสามารถของชดสาธต ขนตอมาคอเลอกอปกรณทใชในชดสาธตรวมถงการจดวางต าแหนงของอปกรณและขนตอนสดทายคอค านวณขนาดของแตละชนสวน [1-4] ชดสาธตตองสามารถวดระยะเคลอนตวของแผนกด และหาขนาดแรงกด ชนงาน ความเครยดของชนงาน และแรงกดสทธ เพอใชทวนสอบความสมพนธระหวางความเคน-ความเครยด สมการสมดลของแรง การค านวณระยะเสยรปแนวแกนจากขอมลความเครยด

ทงนไดก าหนดขอมลจ าเพาะของ ชดสาธต ดงน มนษยสามารถออกแรงขบกลไกได [5] ทแรงกดสงสดชนงาน ตองไมเสยรป คราก(ε < 1500 𝜇𝜀) และการโกงงอ (bulking) ชดสาธต ไมควรมน าหนกเกน 50 กโลกรม ตองปรบแรงได ละเอยด 1000 นวตน หรอดกวาและชนงานควรมระยะเสยรปเพยงพอทจะเกบขอมลระยะเคลอนตวและศกษาพฤตกรรมการเสยรป (ในทนก าหนดไวท 0.2 มลลเมตร


เปนอยางนอย ) ชดสาธตท สรางเสรจแลว แสดงในรปท 2 ซงประกอบดวย ฐาน แผนกลาง แผนบน สกรสงก าลง แผนกด เสา Gearbox แผนประกบ ดานจบ และชนงานคอทอทองแดง และกานอลมเนยม ใชไดอลเกจวดระยะการเสยรปของชนงาน และตด สเตรนเกจแบบวงจร Full bridge 2 active gage ทกาน ทอ และสกร สงก าลง เพอวดคาความเครยดและขนาดของแรง

รปท 2 ชดสาธตทสรางขน 3. การตรวจสอบชดสาธต

จากการตรวจสอบชดสาธตพบวา มน าหนก 33 กโลกรม โดยสามารถปรบแรงได 600 นวตนตอการหมนดาม จบ 90 องศา และจากรปท 3 ขณะกดชนงานดวนแรงสงสดความสมพนธของแรงและความเครยดเปนเสนตรง แสดงใหเหนวาชนงานไมเกดการครากและการโกงง อ จากการทด ลองกดตาม และวดความเครยดในกาน ทอ และ สกรสงก าล ง สามารถใชตรวจสอบสมการสมดลได มความผดพลาดไมเกนรอยละ 7 จากรปท 3 ทแรงกดสงสด Pสกรสงก าลง = Pทอ + P กาน และจากจดเปลยนความชน ในรป ของสกรสงก าลงสามารถแสดงจดทกดชนงานสองชนพรอมกน ชดสาธตจงสามารถสาธตสภาวะปญหาทแกไมไดดวยวธทางสถตศาสตรของชนสวนรบแรงแนวแกน โดยมความแตกตางความยาว ของทอและกานเปน 0.36 มลลเมตร ซงหาจากขอมลความเครยด และเมอเปรยบเทยบกบไดอลเกจทชดเชยความผดพลาดจากการแอนของฐานและแผนกดเอยงแลวมคาคลาดเคลอนไมเกนรอยละ 15

4. การใชงานชดสาธต หลงจากทไดตรวจสอบและปรบปรงชดสาธตจนสามารถใชงาน

ไดตามเปาประสงคแลว จงน าชดสาธตไปใชเพอประเมนผลสมฤทธ ของการสอน โดยการรปแบบการสอนจะมเอกสารประกอบการสอนใหนสตตอบค าถามไปพรอมกบการสาธตใหด มนสตเขารวม 3 คน ผลการประเมนการสอนพบวา นสตทงสามคน ใหความเหนวาตนเองเขาใจเนอหาเรองชนสวนรบแรงแนวแกน เชน หลกการวดการเสยรปจากสเตรนเกจ เขาใจสมการสมดล และสมการการเสยรป ฯลฯ เพมขน เฉลยท 4.67 (จากคะแนน เตม 5 คะแนน ) นสตเกดความสนใจเนอหาวชากลศาสตรวสดเพมขน เฉลยท 4.33 และตองการใหมชดสาธตแบบนในเรองอนอก 5. สรป โครงงานนสามารถออกแบบใหชดสาธตสามารถท าไดตามขอก าหนดเรมตนของการออกแบบ และ การใชชดสาธตประกอบการเรยนการสอนท าใหผเรยนมความสนใจการเรยนการสอนมากขนและสามารถเขาใจเนอหาไดรวดเรวกวาการเรยนการสอนแบบบรรยาย กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ ผศ .ดร.จรพงศ กสวทยอ านวย และ เจาหนาทหอง ปฏบตการเครองกล ส าหรบค าแนะน าและความชวยเหลอ รศ .ดร.ไพโรจน สงหถนดกจ ทเออเฟอสเตรนมเตอรในการท าโครงงานวศวกรรม เอกสารอางอง [1] Robert L. Mott. 1999. Machine elements in mechanical design. Edition 3rd . Saddle River, N.J. : Prentice Hall [2] R.C. Hibbeler.1999.Mechanics of materials. New York : Macmillan [3] Cecil Jensen, Jay D. Helsel and Dennis R. Short. 2008.Engineering drawing & design. Boston : McGraw-Hill [4] วรทธ องภากรณ , ชาญ ถนดงาน .2536.การออกแบบเครองจกรกล. กรงเทพฯ : ซเอดยเคชน [5] Francesco Violante, Asa Kilbom, and Thomas Armstrong. 2000. Occupational ergonomics : work related musculoskeletal disorders of the upper limb and back . London : Taylor & Francis

Gearbox

ดามจบ

ไดอลเกจ

ฐาน

แผนกลาง

แผนบน

ชนงาน

สกรสงก าลง แผนกด

แผงวงจร

รปท 3 ความสมพนธระหวางสทธกบความเครยดของทอและกาน


การศกษาและออกแบบจกรยานพกพาเพอการโดยสารรวมขนสงมวลชนคนกรงเทพฯ The Study and Design of a Portable Bicycle to Travel with Bangkok Transportation

Systems

ชชวสส วฒศรศาสตร 4930094921 และ สเมธ สรนวภทร 4930574821 ผศ.ดร. วทยา วณณสโภประสทธ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานชนนเปนการศกษา และออกแบบรถจกรยานพกพาเพอใชในการเดนทางรวมกบขนสงมวลชน มวตถประสงคเพอศกษา ออกแบบ และจดสรางจกรยานพกพาตนแบบทสามารถพบแลวมปรมาตรเมอพบใหมขนาดเลกสดไมเกน 150,000 ลกบาศกเซนตเมตร และมน าหนกโดยรวมของรถจกรยานไมเกน 12 กโลกรม ซงการออกแบบจะใชการวเคราะหขอด ขอเสย ลกษณะรปแบบของจกรยาน และมาตรฐานตามทองตลาดในปจจบน แลวจงสรางรปแบบจกรยานขนมาเพอผานกระบวนการเลอกรปแบบทเหมาะสมโดยการประเมนผานระบบถวงน าหนกคะแนน เมอไดรปแบบทตองการจงท าการพฒนารปลกษณะและปรบขนาดใหเหมาะสมตามหลกการยศาสตร แลวจงพสจนความเปนไปไดของกลไกผานแบบจ าลองขนาดเลก ค านวณความเปนไปไดตามหลกการทางวศวกรรม และจดสรางตนแบบรถจกรยานพกพา จากการสรางตนแบบท าใหเราไดตนแบบจก รยานท าใหเราไดจกรยานทมปรมาตรเมอพบใหมขนาดเลกสดเปน 182,911.932 ลกบาศกเซนตเมตรและมน าหนกโดยรวม 13.7 กโลกรม ซงไมตรงตามเปาหมายทตงไว เนองจากขอจ ากดทางเทคนคและวสด ค าหลก ปรมาตรเมอพบใหมขนาดเลกสด น าหนกโดยรวม ตนแบบ Abstract This project is about the study and designing of the portable bicycle in order to combinable use with the Bangkok transportation system. The objective is study, design and innovate the portable bicycle which its smallest folded volume is not reach 150,000 cm3 and its overall weight is lighter than 12 kg. In the designing process started with analyzing pro & cons of the recent product and bicycle standards. Then generate concepts of the portable bicycle to choose the most suitable concept by evaluating through the weighting factor evaluation method. After that is a step of styling and dimensioning properly with the human ergonomics and proof the mechanism through the model. Finally, we check its ability by engineering calculation and fabricate the prototype. From our prototype, its smallest folded volume is 182,911.932 cm3 and its overall weight is 13.7 kg. Not achieving the objective, it is the technical and material limitation.

Keywords: smallest folded volume, overall weight, prototype

1. บทน า

จกรยานนนถอไดวาเปนเครองจกรกลชนดหนงทเปนยานพาหนะ มลกษณะทเรยบงายและมความซบซอนของกลไกทไมสงมากนก จงเปนเครองจกรกลทสามารถออกแบบชนสวนตางๆ ไดดวยความรในการออกแบบเครองจกรกลเบองตนได ซงความรทจ าเปนส าหรบการออกแบบจกรยานทมขดความสามารถในการพกพาเพอโดยสารรวมกบขนสงมวลชนไดอยางสะดวกสบายนน มคลอบคลมในเนอหาของรายวชาพนฐานการเขยนแบบวศวกรรม สถตยศาสตร พลศาสตร กลศาสตรวสด กลศาสตรเครองจกรกล การออกแบบระบบกล 1 และการออกแบบระบบกล 2 ทางคณะผจดท าโครงการซงไดผานการเรยนและการวดผลสมฤทธในรายวชาดงกลาวเปนทเรยบรอยแลวจงมความประสงคในการออกแบบและสรางจกรยานตนแบบทสามารถใชไดจรง โดยจกรยานตนแบบนนจะคลอบคลมความสามารถในการพกพาเพอโดยสารรวมกบโดยสารมวลชนไดอยางสะดวกสบายและไมรบกวนผรวมเดนทางไปกบโดยสารมวลชนตางๆ เหลานนดวย โดยใชความรจากรายวชาทไดผานการเรยนและการวดผลสมฤทธมาแลวผนวกเขากบการศกษาและคนควาในสวนขอมลจ าเพาะในงานทางดานการออกแบบแสรางจกรยานเพอท าการสรางจกรยานตนแบบนตอไป 2. วตถประสงค เพอการศกษาและวเคราะหลกษณะของจกรยานพกพาทมอยในปจจบน และน าขอมลเหลานนมาท าการออกแบบรถจกรยานพกพาใหสอดรบกบการใชรวมกบระบบขนสงมวลชนกรงเทพฯ แลวจงจดสรางตนแบบจกรยานพกพาโดยใชกระบวนการทางวศวกรรม 3. ความตองการจ าเพาะของโครงการ

จากการศกษารปแบบจกรยานตางๆของผลตภณฑในรปท 1 พนทครอบขายของผลตภณฑทสนใจ เราจงตงความตองการจ าเพาะของจกรยานพกพา คอ จกรยานตองมน าหนกโดยรวมต ากวา 12 กโลกรม มปรมาตรเมอพบใหมขนาดเลกสดไมเกน 150,000 ลกบาศกเซนตเมตร มระบบปองกนการสนสะเทอนภายในจกรยาน มความสามารถเสรมคอสามารถเขนไดเมอพบใหมขนาดเหมาะแก


การพกพา และมระบบสงก าลงทไมสรางความเลอะเทอะใหแกผพกพาและบคคลรอบของ

รปท 1แสดงพนทในชวง 0 - 12 กโลกรม และ 0 – 150,000 cm3

และจ านวนผลตภณฑในชวงตางๆ

4. หวขอประเมนและน าหนกคะแนน โครงงานนมหวขอประเมนรปแบบรถจกรยานและน าหนกคะแนนประเมนในแตละหวขอเปนดงตารางท 1

ตารางท 1 แสดงหวขอประเมนและน าหนกคะแนน หวขอประเมน น าหนกคะแนน

1. ความยากงายในการผลต 2. ปรมาตรเมอพบแลว 3. น าหนกโดยรวม 4. ความแขงแรงของโครงสราง 5. ความสวยงาม 6. ความสะดวกในการใช 7. ความปลอดภย

0.029 0.145 0.199 0.234 0.045 0.141 0.204

5. การประเมนรปแบบ และพฒนารปแบบ จากการประเมนรปแบบตางๆทไดสรางขนมาตามระเบยบวธการประเมนถวงน าหนก จะไดรปแบบทเหมาะ และน าไปพฒนารปลกษณ ใหไดขนาดและกลไกลกษณะแสดงในรปท 2

รปท 2 ลกษณะตวแปรและขนาดของจกรยานตนแบบ

เมอผานการพฒนารปแบบแลว จงน าไปค านวณความเปนไปไดดวยหลกการทางวศวกรรม ผานขอจ ากดตางๆ ตามมาตรฐาน และทดลองคาขนาดตางๆ ดวยโปรแกรม Microsoft Office Excel 2003 ในกรณตางๆ ซงขนาดของชนสวนตางๆและแรงสงสดทกระท าในตวแปรตางๆมคาตามตารางท 2

ตารางท 2 ขนาดของตวแปรตาง ตวแปร ขนาด (cm) ตวแปร ขนาด (N)

L1 L2 L3 Lsf

Lsr h1 h2 h3 h4 hj

30.9 74.16

27 9.27 46.35 61.8 21.63 43.26 21.63 69.525

Y1 Y2 Sy1 Sy2 Sx1 Sx2 Jx Jy X1 X2

651.321 1280.154 1321.587 1403.786 625.454 1005.079 2008.378 675.467 561.438 344.936

6. สรป จากการศกษาและออกแบบไดตนแบบจกรยานพกพาทใชลอขนาด 16 นวมน าหนกโดยรวม 13.7 กโลกรม และปรมาตรเมอพบแลวมขนาด 24.36 x 46.35 x 162 = 182,911.932 cm3 ซงจากการค านวณเมอใชอะลมเนยมเปนสวนประกอบในโครงสรางสามารถลดน าหนกโดยรวมใหเหลอเพยง 11.44 กโลกรม และปรบเบาะนงใหสามารถ พบไดจะท าใหปรมาตรเมอพบใหมขนาดเลกทสดลดลงเหลอ 150,021.657 cm3 ได กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณทาน ผศ .ดร. วทยา วณณสโภประสทธ ทไดใหค าปรกษาตลอดจนก าลงใจในการท าโครงงานครงน ผศ. กลธดา เดชวรสนสกล และนายวรกฤษ เหลาวทวส อาจารยและนสตชนปท 4 ภาควชาออกแบบอตสาหกรรม คณะสถาปตยกรรมศาสตร ทไดใหความชวยเหลอในการออกแบบ และปรบปรงรปแบบใหแกโครงงานน เอกสารอางอง [1] James M. Gere, Barry J. Goodno, Mechanics of Materials,

7 Edition, Canada: CENGAGE Learning, 2009 [2] Daniel J. Inman, Engineering Vibrations, 3 Edition, USA:

Pearson Education .Inc, 2008 [3] Robert L. Mott, Machine Elements in Mechanical Design, 4

Edition, Singapore: Prentice Hall Pearson Education South Asia Pte Ltd, 2004

[4] นางสาวธนฏฐา โกสหเดช. โครงการออกแบบพฒนาจกรยานพบไฟฟารวมกบ LA Bicycle. ปรญญาการออกแบบอตสาหกรรม ภาควชาการออกแบบอตสาหกรรม คณะสถาปตยกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2551

[5] นายภรช ชยอรวรรณ . โครงการออกแบบจกรยานสาธารณะในพนทจฬาลงกรณมหาวทยาลย.ปรญญาการออกแบบอตสาหกรรม ภาควชาการออกแบบอตสาหกรรม คณะสถาปตยกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2551

hj

L3

Lsr

L2 L1

Lsf

h2 h3

h1

A B

C

D

E

Y1 Y2

X1 Sy

1

X2

Sy1

Sy2

Sx1

Sx2

Jx

Jy

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 AU01 ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

การศกษาผลของระบบรกษาชองทางการขบขตอพฤตกรรมมนษยโดยใชระบบจ าลองการขบขยานพาหนะ

Study Human Behavior Affected by Lane Keeping System Using Driving Simulator

กนกกร เปยมเชาว 4930001521, ทพวรรณ ชยน ายนต 4930170921, ภบด วณชชาธรรมกล 4930375521 และ ภวเดช ฉตรพรธนดล 4930387821

อาจารย ดร. นกสทธ นมวงษ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

โครงการนมวตถประสงคเพอศกษาพฤตกรรมมนษย ตอระบบรกษาชองทางการขบข โดยการเขยนโปรแกรม ระบบรกษาชองทาง ลงบนระบบจ าลองการขบขทไดรบการพฒนาใหเสมอนจรงโดย ออกแบบมวลความเฉอย ทท าใหระบบจ าลองการขบข มคาความเฉอย ใกลเคยงกบรถซดาน ในปจจบน จากการท าโครงการน เมอวเคราะห บนทกเสนทางการขบข รวมกบ แบบสอบถาม จากผทดสอบ เปรยบเทยบระหวางการขบขปกต การขบข เมอมระบบเตอนการออกนอกชองทาง และการขบขเมอมระบบรกษาชองทาง ภายใตสภาวะแวดลอมเดยวกน พบวาระบบรกษาชองทาง มประสทธภาพมากทสด รองลงมาคอ ระบบเตอนการออกนอกชองทาง และการขบขปกต ตามล าดบ ค าหลก ระบบรกษาชองทางการขบข, ระบบจ าลองการขบข Abstract

The objective of this project is to study human behavior affected by the Lane Keeping System (LKS) using improved Driving Simulator (DS) adding a steering system mass inertia that made the value of the steering system inertia approached the value of the currently-used sedans. After comparing results from both recorded driving paths and questionnaires among 3 situations; without LKS, with LKS Warning, and with LKS Assistance under similar conditions, we conclude that driving with LKS Assistance has the most efficiency followed by LKS Warning and without LKS respectively. Keywords: Lane Keeping System, Driving Simulator 1. บทน า

ระบบรกษาชองทา งการขบข เปนระบบทออกแรงเลยวชวย ผขบข ซงตองท างานรวมกบมนษย จงอาจสงผลตอผขบขทไมมความช านาญ การทดสอบการตอบสนอง ของผขบขตอระบบนจงเปนสงท ควรศกษา ทางกลมเลอกใชระบบจ าลองการขบขเปนอปกรณในการศกษาแทนการศกษาผานรถยนตจรง เพอลดตนทนและ มความปลอดภยมากกวา อกทงสามารถเกบขอมลพฤตกรรมของมนษยได สะดวกอกดวย ซงโครงการนมจดประสงคดงน

1. พฒนาระบบจ าลองการขบขใหเสมอนจรงมากยงขน โดยการปรบปรงกอนมวลความเฉอยของการบงคบเลยวใหมคาใกลเคยงคาเฉลยของรถซดานทใชอยปจจบน

2. สามารถสรางแบบจ าลองระบบ เตอนและชวย รกษาชองทางการขบขลงบนระบบจ าลองการขบข

3. ศกษาพฤตกรรมผขบขทมตอระบบรกษาชองทางการขบขดวยการทดลองจากระบบจ าลองการขบข

2. ปรทศนวรรณกรรม

ปรทศนวรรณกรรมทศกษา แบงออกเปนสองประเดนคอ 2.1 ระบบรกษาชองทางการขบข (Lane Keeping System, LKS)

ทมอยจรงใจปจจบน โดยแบงกรณศกษาคอ - ระบบเตอนการออกนอกชองทาง (LKW) - ระบบชวยรกษาชองทางการขบข (LKA)

2.2 ระบบจ าลองการขบข (DS) ซงใชแบบจ าลองสองลอ 3. การพฒนาระบบจ าลองการขบขยานพาหนะ

เนองจากมวลความเฉอยของการบงคบเลยวทมอยเดมไมเสมอนจรง ดงนนจงปรบปรงโดยใชผล จากการทดลอง จาก Steering Tire Hardware in the Loop System (HILs) ในการจ าลองระบบบงคบเลยวของรถซดาน และ น าผลทไดไปค านวณรวมกบสมการทางพลศาสตร จะไดคามวลความเฉอยมคา 0.00978 kgm2 และน าไปออกแบบมวล โดย ใชเหลกเปน วสด ท าใหไดมวลความเฉอยทรงกระบอกเสนผานศนยกลาง 11 cm ยาว 8.6 cm หนก 6.4 kg

การสอบทวนการหาความเฉอยแสดงดงรปท 1

รปท 1 ขนตอนการสอบทวนการหาคามวลความเฉอย


4. การประยกตระบบรกษาชองทางการขบข เขากบระบบจ าลองการขบขยานพาหนะ 4.1 ระบบเตอนการออกนอกชองทาง (LKW) ใชการเตอนดวยสญญาณไฟ โดย ระบบจ าลองการขบข ทใช

ทดสอบ มถนนกวาง 5 เมตร และรถกวาง 2.5 เมตร ระบบ LKW จะเรมท างาน โดยไฟสญญาณสแดงจะแสดงขนมาทหนาจอ เมอทศทางของรถเคลอนทออกจากขอบเขตทตงไว ซงก าหนดไวทระยะหาง 1.25 เมตรจากเสนกงกลางถนน และสญญาณไฟจะดบเมอรถเคลอนทอยในขอบเขตดงกลาว

4.2 ระบบชวยรกษาชองทางการขบข (LKA) LKA จะออกแรงชวยในกรณทรถขบออกนอกชองทางเกนขอบเขต

ทตงไว ลกษณะการท างานของ LKA ถอปนระบบ On-Off นนคอ ท างานเมอรถเรมออกนอกขอบเขต และหยดการท างานเมอรถกลบเขาสขอบเขตทตงคาไว เมอเปดการท างาน ระบบควบคมจะสงค าสง ไปยงมอเตอรไฟฟากระแสตรง ทตดอยหลงพวงมาล ยของระบบจ าลอง การขบขเพอออกแรงชวยเลยว ขนตอนการควบคมมลกษณะดงรปท 2

รปท 2 Block Diagram ของระบบ LKA จาก Block diagram ในรปท 2 สวนควบคม LKA สามารถเขยน

สมการสถานะของระบบรกษาชองทางในรปความสมพนธดงสมการท1 (1)

เมอ m คอ มวลของรถ, kp คอ คาคงทพลงงานศกย, xla คอ ระยะมองตรง, sr คอ อตราทด, e คอ ระยะตงฉากจากจด CG ของรถถงเสนกงกลางถนน, θ คอ มมพวงมาลย, Ψ คอ มมระหวางทศทางของรถกบทศทางของถนน, Ux คอ ความเรว, C คอ สมประสทธการหนวง, a คอ ระยะจากจด CG ของรถถงแกนลอหนา, b คอ ระยะจากจด CG ของรถถงแกนลอหลง และ Iz คอโมเมนตความเฉอยรอบแนวแกน z 5. การทดลองและการประเมนผล

5.1 การทดสอบพฤตกรรมมนษย แบงการขบขทดสอบออกเปน 3 สวนไดแก 1. การขบขโดยไมมระบบ Lane Keeping 2. การขบขโดยมระบบ Lane Keeping Warning 3. การขบขโดยมระบบ Lane Keeping Assistance โดยวเคราะหผลเปรยบเทยบการทดสอบทง 3 สวนจาก บนทก

เสนทางการขบขและใบประเมนการขบข 5.2 ผลทดสอบบนทกเสนทางการขบข จากบนทกเสนทางการขบข (ดงตวอยาง รปท 3) จากผขบข

ทดสอบจ านวน 20 คน สามารถแบงผขบขไดเปนสกรณ คอ กลมท 1 ประสทธภาพในการขบขดวยระบบ LKA ดทสด LKW

รองลงมาและระบบขบขปกตนอยทสด จ านวน 3 คน

กลมท 2 ประสทธภาพในการขบขดวยระบบ LKA ดทสดและระบบ LKW มประสทธภาพใกลเคยงกบระบบขบขปกต 8 คน

กลมท 3 ประสทธภาพในการขบขของทกระบบใกลเคยงกน ในทนมจ านวน 8 คน

กลมท 4 กรณพเศษ ซงไมเขากลม 1 2 และ 3 มจ านวน 1 คน 5.3 ผลการทดสอบความพอใจของผขบข จากแบบประเมนการขบข สามารถสรปการเลอกใชงานระบบ ของ

ผขบขทดสอบคดเปนรอยละไดดงรปท 4 6. ขอสรปและขอเสนอแนะ

จากการท าโครงการน สามารถออกแบบกอนมวลความเฉอยซง ใหความรสกในการขบขทเสมอนจรงมากขนในระบบจ าลองการขบข และหลงจากน าโปรแกรมระบบรกษาชองทางการขบขมา ทดสอบบนระบบจ าลองการขบข โดยแบงกรณการขบขออกเปนสามกรณ คอการขบขทวไป การขบข เมอม ระบบเตอนการออกนอกชองทาง และการขบขเมอม ระบบรกษาชองการขบข จากบนทกเสนทางการเดนรถ พบว าการขบขทมระบบรกษาชองทางการเดนรถสามารถชวยใหรถสามารถคงอยในชองทางไดมากทสด และจากแบบสอบถามความพงพอใจพบวา กลมตวอยางมความพอใจตอระบบรกษาชองทางมากทสด โดยคดเปน 45% ของทงหมด มความพอใจต อระบบเตอนการออ กนอกชองทาง 34 % และการขบขทวไป 21 % อยางไรกตาม จากขอเสนอแนะจากผขบขทดสอบ พบวา ระบบรกษาชองทางการเดนรถยงคงตองแกไขทางดานความรสกทสงกลบมายงผขบขใหมความเหมาะสมตอการใชงานจรงตอไป เอกสารอางอง 1. Joshua P.Switkes, Eric J.Rossetter, Ian A. Coe, J. Christian

Gerdes. 2006. Handwheel Force Feedback for Lanekeeping Assistance: Combined Dynamics and Stability. Design Group, Department of Mechanical Engineering, Stanford University, Standford.

2. Jirayuth, Nattawat, Traisit.2551. Development of steering system with adjustable inertia in driving simulator for steering force feedback study. Automotive Engineering Project. Faculty of Engineering Chulalongkorn University

รปท 4 แผนภมแสดงการเลอกใชงานโดยผขบข

Common Driving

21%

LKW34%

LKA45%

𝐴 =

-2kpm – (Cf+Cr)

mUx

Cf+Cr -2kpxlam (-aCf+bCr)

mUx Cf

msr 0

-2kpa

Iz (-aCf+bCr)

IzUx

aCf-bCr -2kpxlaIz

-(a2Cf+b2Cr)IzUx

aCfIzsr

0

x =Ax x= e e ψ ψ θ θ T

รปท 3 ตวอยางบนทกเสนทางการขบข

Common Driving Driving with LKW Driving with LKA


การออกแบบและพฒนาเครองวดความแขงของแหนบ Design and Improvement of Leaf Spring Test Rig

ปวรศร บญยะศรโชค 4930283121, นฐพงศ ทองทวศร 4930229321 และ เมธา วรจารพงค 4930399321

ผศ.ดร.ศภวฒ จนทรานวฒน (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงการนมวตถประสงคเพอพฒนาเครองวดความแขงของแหนบจากโครงการ Design and Construction of Leaf Spring Stiffness Test Rig ใหวดคาไดถกตองและแมนย ามากขน เนองจากเครองทดสอบเดมมปญหาการวดคาทคลาดเคลอน ซงเกดจากแรงเสยดทานระหวางชนสวน และตองพฒ นาใหสามารถทดสอบไดทงแบบมโตงเตงและไมมโตงเตงดวย นอกจากนจะน าผลการทดสอบทไดมาเปรยบเทยบกบผลของเครองทดสอบเดม และผลทางทฤษฎ เพอหาแนวทางในการพฒนาตอไป จากการทดสอบ พบวาผลของแรงเสยดทานทท าใหกราฟความสมพนธระหวางระยะยบตวกบแรงทกระท าบนแหนบมลกษณะเปนวงรอบฮสเตอรซส (hysteresis loop)ขนาดใหญนนลดลง และเครองทดสอบสามารถใชงานไดทงแบบมโตงเตงและไมมโตงเตงตามวตถประสงค ค าหลก เครองวดความแขงของแหนบ, การออกแบบ, การพฒนา Abstract The objective of this project is to improve a test rig from the project -Design and Construction of Leaf Spring Stiffness Test Rig- to have better measuring accuracy because the problem of former test rig which is friction between parts leads to error of test results. Additionally, we need to improve the test rig to be able to conduct tests in both cases of leaf spring with and without shackle installed. Lastly, we need to compare test results with those from the former test rig and theoretical results to suggest further improvement. According to test results, the effect of friction which causes large hysteresis loop in load-deflection diagram was reduced. Also, the improved test rig is able to conduct the test in both stated case. Keywords: Leaf spring stiffness test rig, Design, Improvement 1. บทน า

คาความแขงของแหนบมความส าคญตอความสะดวกสบายในการขบข โดยเฉพาะรถกระบะขนาดเลกซงนยมใชระบบรองรบรปแบบน จงมการน าเครองวด ความแขงของแหนบมาใชในการวดคาดงกลาว เพอน ามาใชในการออกแบบระบบรองรบในรถยนต ดงนนเครองวดความแขงของแหนบจงตองสามารถวดคาไดอยางแมนย า

2. ปรทศนวรรณกรรม คาทวดไดจากเครองวดความแขงของแหนบจะมลกษณะเปนความสมพนธระหวางระยะยบตวกบแรงทกระท าบนแหนบโดยทกราฟทางทฤษฎมลกษณะเปนวงรอบฮสเตอรซสดงรปท 1 ผลการทดสอบดงกลาวเกดจากการกดแหนบดวยความเรวต า โดยไ มมการเคาะแหนบ พบวาทระยะยบตวคาหนง แรงทกระท าอาจมคาเทากบคาใดคาหนงระหวางกราฟเสนลางและกราฟเสนบนในรป หากทดสอบโดยกดแหนบทความเรวสงขน กราฟความสมพนธจะมลกษณะเชนเดม กลาวคอกราฟจะมลกษณะเปนวงปด โดยทเสนกราฟขณะทกดแหนบจะอยดานบน สวนเสนกราฟ ขณะปลอยแหนบจะอยดานลาง แตรปรางและความกวางของวงปดในกราฟ อาจแตกตางไปจากเดม

รปท 1 ผลทางทฤษฎของการทดสอบความแขงของแหนบ [1]

3. ปญหาของเครองทดสอบเดม เครองทดสอบเดมมปญหาในการวดคาเนองจากผลการทดสอบมลกษณะเปนวงรอบฮสเตอรซสขนาดใหญซงไมตรงกบผลทางทฤษฎจากรปท 2 จะเหนวากราฟมลกษณะเปนวงปดขนาดใหญกวากราฟทางทฤษฎ ซงปญหาดงกลาวอาจเกดจากการสญเสยในระบบทไมไดเกดจากแรงเสยดทานระหวางแผนแหนบเทานน แตมผลจากแรงเสยดทานทเกดจากการเยองศนยของการวดแรงทกระท า กลาวคอแนวแกนการวดแรง กบแนวแกนการกดแหนบไมตรงกน เมอเดนเครองจงเกดปญหาขนจากโมเมนตทท าใหเกดแรงเสยดทานในชนสวน ท าใหการวดคาคลาดเคลอนจากความเปนจรง


0

50

100

150

200

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8ระยะยบตว (cm)

แรงท

กระท

า (kg

)

รปท 2 ความสมพนธระหวางระยะยบตวกบแรงทกระท าบนแหนบ

ทวดไดจากเครองทดสอบเดม 4. การพฒนาเครองทดสอบ

การแกไขปญหาขางตนท าโดยการปรบปรงแบบของชนสวนตางๆ โดยท าใหแนวแกนการวดแรงตรงกบแนวแกนการกดแหนบ นอกจากนยงพฒนาเครองทดสอบใหสามารถใชงานไดทงแบบมโตงเตงและแบบไมมโตงเตง รปท 3 แสดงเครองทดสอบทปรบปรงแลว หลกการท างานคอเมอเรมเดนเครองทดสอบ ไฮดรอลกจะยดตวออกดวยความเรวต าเพอกดแหนบลง เมอกดถงระยะสงสดแลวจงปลอยแหนบขน แรงทกระท าจะวดโดยโหลดเซลล สวนระยะยบตวจะวดโดยโพเทนชโอมเตอร

รปท 3 เครองทดสอบทปรบปรงแลว

5. ผลการทดสอบและการวเคราะหผล ผลการทดสอบของเครองทปรบปรงแลว มลกษณะเปนวงรอบขนาดเลกลง รปท 4 และ 5 แสดงผลการทดสอบของกรณทมโตงเตง และไมมโตงเตงตามล าดบ จากรปทงสองจะเหนวาผลของแรงเสยดทานทท าใหกราฟการทดสอบมลกษณะเปนวงกวางนนลดลง และในการทดสอบแตละครงเสนกราฟจะมความใกลเคยงกนมากขนกวาผลการทดสอบของเครองทดสอบเดม ซงแสดงวาการทดสอบมความแมนย ามากขน อยางไรกตาม ผลการทดสอบยงมสวนทไมตรงกบทางทฤษฎอย กลาวคอหากพจารณาผลการทดสอบทางทฤษฎจาก ดงรปท 1 จะเหนวากราฟจะมลกษณะเปนวงปด โดยทเสนกราฟขณะกดแหนบจะอยดานบน สวนเสนกราฟ ขณะปลอยแหนบจะอยดานลาง แตผลการทดสอบทไดมลกษณะกลบกน กลาวคอเสนกราฟ

ขณะกดแหนบจะอยดานลางแทน หลงจากทดสอบภายใตเงอนไขตางๆ พบวาการจดวางตวของแหนบมผลตอความผดพลาดทเกด ขน เนองจากในการทดสอบแบบไมมโตงเตง ปลายแหนบดานหนงจะไมยดไวกบฐานของเครอง แตจะตดตงชดลกลอเพอใหแหนบสามารถยดตวออกไปได ท าใหต าแหนงการวางตวของแหนบในการทดสอบแตละครงไมเหมอนกน และกราฟการทดสอบทไดจะมลกษณะตางกน ทงนอาจเกดจากบ รเวณจดยดปลายแหนบทงสองขางมการขดกนระหวางชนสวนท าใหบรเวณดงกลาวมการเกบพลงงานไวขณะกดแหนบ ท าใหกราฟการทดสอบไมตรงกบทางทฤษฎ

0

50

100

150

200

250

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8ระยะยบตว (cm)

แรงท

กระท

า (kg

)


ในการทดสอบแบบมโตงเตง

0

50

100

150

200

250

300

350

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8ระยะยบตว (cm)

แรงท

กระท

า (kg

)


ในการทดสอบแบบไมมโตงเตง 6.สรปผลและขอเสนอแนะ

หลงจากการปรบปรงเครองทดสอบพบวาปญหาเรองแรงเสยดทานระหวางชนสวนในเครองทดสอบเดมไดลดลง ซงจะเหนไดจากผลการทดสอบและเครองทดสอบสามารถใชงานไดทงแบบมโตงเตงและไมมโตงเตง อยางไรกตาม ความผดพลาดทเกดขนซงท าใหกราฟความสมพนธมลกษณะไมตรงกบผลทางทฤษฎอาจเกดจากการจดวางตวของแหนบ การแกไขปญหาดงกลาวอาจท าไดโดยเปลยนแปลงแบบของชนสวนทมการขดกนไดแก บรเวณทมการยดปลายแหนบทงสองดาน และจดยดระหวางชนสวนตางๆ เอกสารอางอง [1] SAE Spring Committee. Spring Design Manual. 2nd edition.

PA, U.S.A.: Society of Automotive Engineer, Inc., 1996.

โหลดเซลล

ไฮดรอลก

โพเทนชโอมเตอร


การท าวศวกรรมยอนรอยและการสอบทวนการออกแบบชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยล Reverse Engineering and Verification of Differential Gear’s Design

ธนากร ทองศรกล 4930197921, สถาปตย โชคภทรชยกจ 4930531821 และ เสกสรรค กจเสถยรกล 4930580521

ดร.ชนตต รตนสมาวงศ และ ดร.นกสทธ นมวงษ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานนมจดประสงคเพอหาแนวทางการออกแบบชดเฟองดฟ

เฟอรเรนเชยล โดยเรมจากท าวศวกรรมยอนรอยชดเฟอง ตนแบบ จากนนจงออกแบบชดเฟองภายใตเงอนไขการท างานของเครองยนตทใหแรงบดสงสด ค านวณแรงและความเคนทกระท ากบชนสวนตางๆ เปรยบเทยบความเคนทได กบคาในคมอการออกแบบ แลวหาคาตวประกอบความปลอดภย การสอบทวนการออกแบบ ท าโดยใชวธการออกแบบและ คาตวประกอบ ความปลอดภยทหาได มาออกแบบชดเฟองของรถอกขนาด พบวาขนาดทออกแบบไดใกลเคยงกบชดเฟ องจรง แสดงใหเหนวาแนวทางการออกแบบสามารถน าไปใชได Abstract The objective of this project is to obtain the method for differential gear’s design. First, reverse engineering of the sample differential gear was proceeded, then the design was done under the condition that the engine provides maximum torque, forces and stresses act on each part of the differential gear were calculated, and were compared with recommended valves. Consequently the safety factors of each part were obtained. The validation of the design method was done by using the same method and the same safety factors to design another differential gear of the differential car. It is found that the sizes of design parts are close to the size of actual differential gear. This verifies the usable of the design method. 1. บทน า

ชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลมความส าคญมากในระบบสงก าลงของรถยนตทกประเภท ท าหนาทสงผานก าลงจากเพลากลางไปสลอหลงทงสองขาง ลดรอบของเพลาลอเพอเพมแรงบด และแบงแรงบดระหวางลอทงสองขาง ใหใกลเคยงกน เพอไมใหเกดก ารไถลของลอขณะเขาโคง หากชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลไดรบการออกแบบอยางเหมาะสมกบเครองยนตและชดเกยรแลว จะท าใหรถมสมรรถนะทด สามารถสงผานก าลงไดอยางมประสทธภาพ ชดเฟองมความทนทานมขนาดทเหมาะสม และรถยนตประหยดเชอเพลง 2. วตถประสงค โครงงานนตองการสรางแนวทางการออกแบบชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยล ใหมความเหมาะสมกบเครองยนตและชดเกยร ไดขอมล

คณสมบตวสดทใชท าชดเฟอง ไดแนวทางการเลอกคา ตวประกอบความปลอดภย (Safety factor) ทเหมาะสม ชดเฟองทออกแบบไดตองมความทนทาน มอตราทดเห มาะสม และมขนาดและน าหนกไมมากเกนไป โดยโครงงานนเปนโครง งานตอเนองจากโครง งานการออกแบบชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลส าหรบรถบรรทกสลอขนาดเลกในปการศกษา 2551 ส าหรบในป นจะมการพฒนา โดยใชชดขอมลของเครองยนตและเกยรทอยในชดเดยวกน และตรงกนกบ ชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลตนแบบ, การตรวจสอบคณสมบตวสดทใชท า เฟอง และการหาคาตวประกอบความปลอดภย 3. การท าวศวกรรมยอนรอย

การศกษาสวนประกอบและหลกการท างานของชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลจรงท าโดยการถอดชนสว นชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลตนแบบซงเปนของรถกระ บะยหอ Isuzu รน TFR ชนสวนของชดเฟอง หลงจากถอดแลว แสดงในรปท 1 น าแตละชนสวนมา ศกษาลกษณะรปราง หลกการท างาน จากนนจงวดขนาดโดยท าทงหมด 4 ครงแลวน ามาหาคาเฉลย

รปท 1 ชนสวนของชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลตนแบบ

4. แนวคดในการออกแบบ ชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลทออกแบบตองใชงานไดแมในสภาวะทเกดภาระสงสด หรอเมอมแรงสงสดกระท าทชดเฟอง จากการพจารณาพบวา สภาวะนเกดขนเมอเครองยนตท างานทความเรวรอบทใหแรงบดสงสด ขณะรถวงทางตรงบนถนนแหง ซงถนนเปนทางชนหรอทา งราบกได จากนนค านวณแรงทกระท ากบชดเฟองจากคาแรงบดเครองยนตสงสดน พจารณาแรงทเกดขนบนแตละชนสวนของชดเฟองโดยการเขยน แผนผงวตถอสระ (Free body diagram) ดง


แสดงในรปท 2 และน าขอมลแรงทกระท าแตละชนสวน ไปใชในการออกแบบ

รปท 2 แผนผงวตถอสระของชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยล 5. การหาแนวทางการออกแบบ การหาแนวทางการออกแบบ ท าโดย ทดลองออกแบบ ชดเฟองของรถยนตตนแบบ Isuzu TFR ขนมาใหม ตามวธทเขยนในหนงสอคมอการออกแบบ [1-3] โดยอางองขอมล ลกษณะร ปรางจากการท าวศวกรรมยอนรอย แลวจงเลอกวสดทเหมาะสมกบแตละชนสวน และหาคา ตวประกอบความปลอดภย ตวอยาง การค านวณ ของการออกแบบของแตบางชนสวนมหลกการโดยยอดงน 5.1 เฟองเดอยหมและเฟองบายศร - หาแรงในแนวสมผสฟนเฟอง

สงสด , หาคาความเคนดด (Bending stress) และความเคนสมผส (Contact stress)

5.2 เฟองพเนยนและเฟองขาง - หาแรงในแนวสมผสฟนเฟองสงสด และหาคาความเคนดด

5.3 ขนาดเพลาเฟองเดอยหม - หาโมเมนตการดดสงสด 5.4 ขนาดเพลาขาง - หาความเคนเฉอนทเกดจากแรงบด 5.5 ขอตอสไปรน เพลาเฟองเดอย หมและเพลาขาง - หาแรงในแนว

สมผสฟนเฟองสงสด และหาคาความเคนดด 5.6 เพลาดฟเฟอรเรนเชยล – หาแรงเฉอนสงสดและความเคนดด

สงสดตลอดความยาวเพลา และคาตวประกอบความปลอดภยของการออกแบบบางชนสวน แสดงดงตารางท 1

ตารางท 1 คาตวประกอบความปลอดภยของบางชนสวน ชนสวน คา Safety factor จากการ

ออกแบบ คเฟองดอกจอกฟนโคง Bending - 1.45

Contact - 1.83 คเฟองดอกจอกฟนตรง Bending - 1.09 ขนาดเพลาเฟองเดอยหม 2.00 ขนาดเพลาขาง 3.46 ขอตอสไปรนเพลาขาง 4.85 ขอตอสไปรนเพลาเฟองเดอยหม 10.00 เพลาดฟเฟอรเรนเชยล 2.25

6. การสอบทวนการออกแบบ การสอบทวนการออกแบบท าโดยใชแนวทางการออกแบบ และคาตวประกอบความปลอดภย ทไดไปออกแบบชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลของรถยนตอกรนหนง จากนนเปรยบเทยบขนาดมตทออกแบบไดกบชดเฟองของจรง ข นตอนการสอบทวนการออกแบบแสดงดงรปท 3 ผลการสอบทวนพบวามตของทกชนสวน มความใกลเคยงกบชดเฟองของจรง ยกเวนเฟองเดอยหมและเฟองบายศร เนองจากทออกแบบเปนเฟองดอกจ อกฟนโคง แตของจรงเปนเฟองแบบ ไฮปอยด (Hypiod)

รปท 3 ขนตอนการสอบทวนการออกแบบ

7. สรป แนวทางการออกแบบทสรปไดจากโครงงาน เรมจากวเคราะหหาสภาวะทชดเฟองรบภาระสงสด จากนนพจารณาแรงทงหมดทกระท าตอชดเฟอง ค านวณความเคนตามวธในหนงสอคมอการออกแบบ และใชคาแนะน าการออกแบบ และคาตวประกอบความปลอดภยทเสนอในการค านวณขนาดมต แนวทางการออกแบบทไดนน สามารถใหผลลพธทใกลเคยงกบขนาดของจรงเปนสวนใหญ ดงนนจงสามารถน าแนวทางนไปใชในการออกแบบชดเฟองดฟเฟอรเรนเชยลใหเหมาะสมกบเครองยนตและชดเกยรได กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ ดร .ชนตต รตนสมาวงศ และ ดร . นกสทธ นมวงษ เปนอยางสงทไดชวยชแนะ ใหความร และค าปรกษาทกอยางแกผจดท า โครงงาน ท าใหโครงงานวศวกรรมน สามารถด าเนนงานจนส าเรจลลวงไดดวยด เอกสารอางอง [1] Maitra, G. M. Handbook of gear design second edition.

New Delhi: Tata McGrawHill Publishing Company Limited, 1994. [2] Mott, R. L. Machine elements in mechanical design fourth

edition in SI units. Singapore: Pearson Education South Asia Pte Ltd, 2006.

[3] Society of Automotive Engineers. Handbook of automotive technology. Issue 4 (Power Train). Japan: SAE, 2004

2103499 2553 AU04

Student Formula

Development of a suspension system for improving Student Formula car handling 4930173821, 4930344821 4930397021

. . ( )

Student formula

AHP

Finite element method

(CATIA)

Constant Radius Method 15 m

46.3 km/h

1.12 g Skid pad

9 m 25.33 s

Student formula, ,

, , Constant radius method Abstract

This project is to design and build student formula car

suspension for improving its cornering performance. Firstly,

Double wishbones type was chosen by AHP analysis. Then the

geometry of suspension components and location of suspension

roll center was designed to make the car corner as fast as

possible which closed to neutral steer behavior. Next, CATIA is

used for designing components and evaluating their strength by

finite element method. After that, the car was built and finally

tested by Constant Radius Method (R = 15 m). From test results,

the car has a little effect of understeer. Maximum speed is up to

46.3 km/h or 1.12g acceleration on cornering. The skid pad test

time (R = 9 m) is 25.33 s, which is faster than the last year car.

As a Conclusion, the suspension performance is improved.

Keyword: Student formula car, Suspension system, Suspension

geometry, Roll center, Constant radius method

1.

(Neutral Steer )

2.

Student formula TSAE Auto

Challenge 2010

3. 3.1

Suspension Analyzer

(Geometry)

(Camber),

(Caster), (Roll center),

(Scrub angle), (Ackerman),

(Camber recovery rate)

(Roll center right/left)

Student Formula

(Knuckle),

(A-Arm), Pushrod, Bell crank CATIA

Finite Element Method 1

2

1 2

3.2 Bell crank

CNC 7075

2103499 2553 AU04

Push rod ASTM A53

B 17 mm

(Rod

End) 3 Spherical ball bearing 4

3 Rod End 4 Spherical ball bearing

, , 5

Student formula 6

( ) ( )

5

6 Student Formula

4. Student formula 4.1 Understeer gradient Constant radius method

15 m

10 km/h 45 km/h (

1g)

6 (g) (deg)

6

4.2 (Skid pad)

2 2

TSAE Auto

Challenge 2010 25.33

2009 26.56

4.3 Slalom 6 15

slalom 4.78

5. Student formula

Constant Radius Method, Skid pad Slalom

6. . ,

, ,

,

[1] Thomas D. Gillespie. 2535. Fundamentals of Vehicle

Dynamics. Society of Automotive Engineers, Inc. USA.

[2] Formula SAE Car Development / Fabrication Guide. Society of

Automotive Engineers of Japan, Inc. Japan.

6

8

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Tire

ste

erin

g a

ngle

(d

egre

e)

Lateral acceleration (g)

CCW

CW


การพฒนา Intake Manifold ส าหรบเครองรถจกรยานยนตเบนซน 4 จงหวะ (4สบ) เพอใหแรงบดสงสดอยในชวงความเรวรอบปานกลาง

(เพอใชในการแขงขน TSAE Auto Challenge) Intake Manifold Design Optimizing Torque in Mid-Range Engine Speed

(TSAE Auto Challenge 2010)

นายพงศกร บญชะตา 4930302421, นายศศนทร ตนตสหสรงส 4930514121, นายศภกตต อดมเกยรตกล 4930525021 และ นายภรนท ตตตะวะศาสตร 4930385521

อ. ชนเทพ เพญชาต (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงการออกแบบ Intake Manifold ส าหรบเครองยนต

รถจกรยานยนตสสบขนาด 600 cc เพอใชในการแขงขน TSAE Auto Challenge 2010 โดยตองการใหแรงบดสงสดของเครองยนตอยในชวงความเรวรอบปานกลางเหมาะสมตอการแขงขน โดยใชทฤษฏ Helmholtz Resonator ไดความยาวทอไอด (Runners) เปน 209 mm และ Plenum ขนาด 3 ลตร สรางชนงานขนพรอมทงประกอบกบเครองยนต ท าการทดสอบโดยใชเครอง Chassis dynamometer พบวาแรงบดของเครองยนตมากทสด 5.66 Kg-m ทความเรวรอบเครองยนตประมาณ 8800 รอบตอนาท พบวามการพฒนาจากคาของปทผานมาทแรงบดสงสด 4.36 Kg-m ท 7500 รอบตอนาท Abstract This project is to design an intake manifold for a 4-cylinders 600 cc motorcycle engine for use in TSAE Auto Challenge 2010. The favorable design should make the engine yields maximum torque at mid-range engine speed suitable for racing. Using the Helmholtz’s resonator theory, the runner length is 209 mm and Plenum size of 3 litres. The Manifold was made and mounted on the engine then tested on a Chassis dynamometer; results show that maximum torque is 5.66 Kg-m or 55.52 Nm at 8800 rpm. An improvement from last year result of 4.36 Kg-m at 7500 rpm. 1.บทน า การแขงขน TSAE Auto Challenge 2010 เปนการออกแบบ และสรางรถยนตแบบฟอรมลา ซงระบบต นก าลงของรถเปนสงทส าคญเพอใหรถสามารถขบเคลอนไปไดและ ระบบทอรวมไอด (Intake Manifold) เปนสวนหนงของระบบตนก าลง ทตองไดรบการออกแบบและผลตขนมาใชจรง เพอใหเหมาะสมกบลกษณะของสนามทใชในการแขงขนทประกอบ ไปดวยทางตรงทไมยาวมากนก รวมทงมทางโคงทตองใชความเรวต าถงปานกลาง ซงอตราเรงมผลมาก กวาความเรวสงสด ทางกลมจงค านงถงคาแรงบด (Torque) สงสดท

เหมาะสมกบการท างานของรอบเครองยนตทใชในการแขงขน ซงระบบทอรวมไอดนนสงผลตอคาแรงบดของเครองยนต 2.วตถประสงค ออกแบบระบบทอรวมไอดเพอดดแปลงใชกบเครองยนตรถจกรยานยนตสสบโดยมรปรางและขนาดทสามารถใหแรงบดสงสดของเครองยนตอยในชวงความเรวรอบทกวางและเหมาะสมส าหรบใชในการแขงขน 3.การออกแบบและสรางชนงาน

ตารางท 1 ขอจ ากดในการออกแบบ เครองยนต 600 cc, 4-cylinder, Fuel injection

Flow Restrictor diameter 20 mm Maximum One Air Entry & Intake Manifold must lie within surface defined by the top of the rollbar and the outside edge of the four tires

3.1ขนตอนการออกแบบโดยละเอยด การออกแบบค านงประสทธภาพในการจอากาศ การแบงอากาศไปยงแตละกระบอกสบทใกลเคยงกน และสามารถใชประโยชนจากการ Tuning อยางเตมท อกทงค านงถงเวลาและความสามารถในการสรางชนงาน จากการท า AHP ไดรปแบบทอรวมไอดแบบ Log (End entry) การออกแบบไดแบงเปนสวนตางๆ ดงน Throttle Body ขนาดเสนผานศนยกลางค านวณกลบไดจากสมการการเกด Choked Flow ดงสมการท 1

𝑚 𝑐ℎ𝑜𝑘𝑒𝑑 = 𝐴𝑡𝑝0 𝑘

𝑅𝑇0(

2

𝑘+1)

(𝑘+1)2(𝑘−1) (1)

โดย 𝑚 𝑐ℎ𝑜𝑘𝑒𝑑 คอปรมาณอากาศทไหลไดมากทสด (Kg/s) 𝐴𝑡 คอ throat area (m2)

𝑝0 คอ Inlet pressure (Pa) 𝑇0 คอ Inlet temperature (K)

ไดขนาดเสนผานศนยกลาง 30.6 mm เนองจากผลตขนใหมไดยาก จงท าการซอและสามารถหาขนาดทใกลเคยงทสดคอ 35 mm Flow Restrictor เลอกใชเปนแบบ Venturi ทมการตานทานการไหล


ต ามมมทางเขา 21o และทางออก 7o โดยเปดจากตาราง KLOSS Plenum เลอกขนาด 3 ลตร หรอ 5 เทาของขนาดเครองยนต เพอการตอบสนองของคนเรงและก าลงของเครองยนตทด โดยเลอกจากผลการทดสอบทเคยมการท ามากอน Runner ใชหลกการเกด tuning ทรอบการท างานหนงของเครองยนต ใชสมการ Helmholtz Resonator ในการค านวณ ดงสมการท 2

𝑁𝑝 = 𝐾1 𝑥 𝐶 𝑥 𝐴1

𝐿1𝑉𝑑 (

𝐶𝑅−1

𝐶𝑅+1) (2)

โดย A1 คอ พนทหนาตดของทอ Runner (m2) C คอ ความเรวเสยง (m/s), Vd = 149.84 cc L1 = Lport+Lrunner K1 = 642 (Metric) CR = 12 ท 9166.7 rpm ไดความยาว 209 mm เสนผานศนยกลาง 35 mm Pressure Loss ใชโปรแกรม CFdesign ในการจ าลองการไหล เพอใหไดรปรางของทอรวมไอดทม Pressure Drop ทต าและมคาใกลเคยงกนทกกระบอกสบ ซงรปแบบสดทายไดแสดงดงรปท 1

รปท 1 ระบบทอรวมไอดทออกแบบ

ในการผลตใช Fiber Glass ในการสราง Plenum และอลมเนยมในการสราง Flow Restrictor และ Runner ไดชนงานส าเรจและตดตงบนเครองยนตดงรปท 2

รปท 2 ระบบทอรวมไอดทเสรจสมบรณ

4.การทดสอบ การทดสอบระบบทอรวมไอดทไดออกแบบมา เปนการทดสอบดวย Chassis dynamometer ทมชวงการวด 0 ถง 1000 Nm โดยไดตดตงระบบทอรวมไอดกบเครองยนตทอยบนรถแขง การทดสอบนจะท าการวดคาแรงมาและแรงบดทรถสามารถสงก าลงได

5.ผลการทดสอบ การทดสอบบน Chassis dynamometer ผลทไดคอกราฟ

แสดงความสมพนธระหวางแรงมาและแรงบดกบความเรวรอบของเครองยนตดงรปท 3

รปท 3 กราฟแสดงความสมพนธระหวางแรงบดและก าลงกบ

ความเรวรอบเครองยนต

คาแรงบดของเครองยนตทวดไดมากทสด 5.66 Kg.m หรอ 55.52 Nm ทความเรวรอบเครองยนตประมาณ 8800รอบตอนาท และ ไดก าลงสงสด 75.47 PS หรอ 79.23 Hp ทความเรวรอบเครองยนตประมาณ 11000 รอบตอนาท และในชวงรอบการท างานของเครองยนตท 8500 – 9500 RPM แรงบดทเกดขนมคาไมต ากวา 5.5 Kg-m และมคาคอนขางคงท 6.สรป โครงการนสามารถออกแบบระบบทอรวมไอดใหมแรงบดสงสดเกดขนทรอบเครองยนตทตองการตามเปาประสงค ซงจากการทดสอบไดคาแรงบดของเครองยนตมากสด 5.66 Kg-m หรอ 55.52 Nm ทความเรวรอบเครองยนตประมาณ 8800รอบตอนาท และยงเปนปจจยหนงทสงผลใหสามารถควารางวลชนะเลศในการแขงขนแบบวดอตราเรง (Best acceleration) และรางวลชนะเลศประเภทคะแนนรวมในการแขงขนรายการ TSAE Auto Challenge 2010 7.กตตกรรมประกาศ

ขอขอบพระคณ อาจารย ชนเทพ เพญชาต ส าหรบค าปรกษาและชวยชแนะจนกระทงโครงการนสามารถด าเนนการไดส าเรจลลวงไปไดดวยด ขอขอบคณ บรษท บญรอดบรวเวอร จ ากด ส าหรบการเออเฟอและสนบสนนดานสถานท อปกรณ และบคลากร ในการท าโครงงาน และขอขอบคณชมรม รถฟอรมลา ส าหรบการสนบสนนดานสถานท งบประมาณ และ เครองมอชาง

เอกสารอางอง [1] John B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, Singapore, 1988. [2] Robert W.Fox , Introduction to Fluid Mechanics , John Wiley&Sons Inc. , USA , 2004. [3] Chapman, M., Novak, J., and R. Stein, A Nonlinear Acoustic Model of Inlet and Exhaust Flow in MultiCylinder IC Engines, ASME Paper No. 83-WA/DSC-14.

TorqueMAX = 5.66 Kg-M @ 8800 rpm

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 TF01 ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

การประดษฐโปรแกรมไฟไนตเอลเมนตเพอวเคราะหการไหลแบบศกยใน 2 มต Finite Element Computer Programming for 2-D Potential Flow Analysis

ปฏพทธ . มานะวงศเจรญ 4930049721, ชญานน หวงดธรรม 4930079521 และ วชชา รตนมตธรรม 4930478221 ผศ.ดร. นพนธ วรรณโสภาคย (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานน9เปนการประดษฐโปรแกรมคอมพวเตอรดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต สาหรบวเคราะหปญหาการไหลแบบศกยใน 2 มต โดยใชภาษาแมทแลป (MATLAB) โปรแกรมทประดษฐข 9นไดถกนามาทดสอบดวยการวเคราะหปญหาการไหลแบบศกยผานทรงกระบอกทมขนาดรศมและจานวนเอลเมนตตางกน พบวาเมอกาหนดขนาดทรงกระบอกใหเลกเมอเทยบกบขอบเขตทพจารณา และใชเอลเมนตจานวนมาก จะทาใหไดคาสมประสทธ .ความดนทผวทรงกระบอกใกลเคยงกบผลเฉลยแมนตรงมากทสด จากน 9นไดนาไปทดสอบกบปญหาการไหลผานวตถรปปกเครองบน พบวาผลทไดจากการคานวณแตกตางจากผลการทดลอง ซงอาจเกดจากการไหลทเกดข9นจรงในการทดลองน 9นเปนการไหลแบบมความหนดน นเอง คาหลก การไหลแบบศกย ระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต Abstract The objective of this project is to develop finite element computer program for 2-D potential flow analysis by using MATLAB. The developed program is evaluated by the problem of potential flow past a cylinder with different sizes of radius and the number of elements. The results show that if the size of cylinder is small comparing with computational domain and a large number of elements is used, the value of pressure coefficient along cylinder’s surface will close to exact solution. Next, the developed program is used to analyze more complex problem which is the flow past an airfoil. The results show a large difference between experimental and computational data. These may be caused by the effect of viscous flow in the experiment. Keywords: potential flow, finite element method 1. บทนา

ปญหาการไหลมบทบาทในงานวศวกรรมเปนอยางมาก การเขาใจพฤตกรรมการไหลชวยใหวศวกรสามารถตดสนใจในการออกแบบไดอยางถกตอง สาหรบการไหลแบบศกย (potential flow) ซงเปนการไหลแบบไรความหนดชนดอดตวไมได แมจะเปนการไหลในอดมคต แตกสามารถนามาวเคราะหปญหาการไหลบางอยางในเบ9องตนไดอยางด เนองจากสามารถทาความเขาใจไดงาย เชน นามาวเคราะหหาการกระจายตวของความดนบนปกเครองบน (airfoil) เปนตน การวเคราะหปญหาการไหลโดยท วไปน 9นทาไดยาก จงจาเปนตองใชเทคนคการคานวณเชงตวเลขเขามาชวย และ

ระเบยบวธทเปนทนยมวธหนงในปจจบนกคอระเบยบวธไฟไนตเอลเมนตน นเอง ดงน 9นวตถประสงคของโครงงานน9กคอ การประดษฐโปรแกรมคอมพวเตอรเพอใชวเคราะหปญหาการไหลแบบศกยใน 2 มตดวยระเบยบวธไฟไนตเอลเมนต 2. ทฤษฎการไหลแบบศกย 2 มต สมการทอธบายการไหลแบบศกยใน 2 มต ซงเปนการไหลในสถานะคงตวและไรความหนด ไมมการอดตว และไมมการหมนวน (irrotational flow) จะประกอบดวยสมการอนรกษมวล (conservation of mass) และสมการอนรกษโมเมนตม (conservation of momentums) ดงแสดงในสมการท (1)-(2) ตามลาดบ [1] 0=⋅∇ V

v

(1) ( ) pVV ∇−=∇⋅

vv

(2)

โดย Vv

คอเวคเตอรความเรวในแกน x และ y และ p คอคาความดน แตสาหรบปญหาการไหลแบบศกย คาความเรวในแนวแกน x และ y สามารถเขยนอยในรปของศกยความเรว (ϕ, potential velocity) ไดดงแสดงในสมการท (3)

x

u∂∂

−=φ และ

yv

∂∂

−=φ (3)

เมอแทนคาดงกลาวลงในสมการท (1) แลวจดรปจะได

02

2

2

2

=∂

∂+

∂

∂

yx

φφ (4)

สมการน9ชวยใหการวเคราะหปญหาการไหลแบบศกยมความสะดวกมากยงข9น เพราะชวยลดตวแปรทตองพจารณาจาก 2 ตวเหลอเพยงตวเดยวคอคาศกยความเรว (ϕ) สวนตวแปรทไมทราบคาอกตวหนงคอคาความดน (p) น 9น สามารถคานวณหาไดจากสมการเบอรนล (สมการท (5)) ซงไดจากการปรบปรงสมการท (2) น นเอง 2

22

2

11 2

1

2

1VPVP ρρ +=+ (5)

3. สมการไฟไนตเอลเมนตสาหรบปญหาการไหลแบบศกย 2 มต การประดษฐสมการไฟไนตเอลเมนต เรมจากการประยกตระเบยบวธถวงน9าหนกเศษตกคางกบสมการท (4) ซงหลกการของระเบยบวธการน9คอ นาฟงกชนน9าหนกคณเขากบสมการเชงอนพนธ แลวกาหนดผลลพธทไดจากการอนทเกรตใหเทากบศนย [2] ดงน9

02

2

2

2

=Ω

∂

∂+

∂

∂∫Ω

dyx

Nφφ (6)

จากน 9นประยกตทฤษฎบทของเกาส (Gauss’s theorem) เพอใหไดพจนทเกยวของกบขอบเขตของเอลเมนต แลวจดสมการใหอยในรปของไฟไนตเอลเมนตเมทรกซดงแสดงในสมการท (7)


[ ] FK =φ (7)

โดยท [ ] ∫Ω

Ω

∂∂

∂∂

+

∂∂

∂∂

= dy

N

y

N

x

N

x

NK

∫Γ

Γ

∂

∂+

∂

∂= dn

yn

xNF yx

φφ

สมการท (7) น9สามารถนาไปประดษฐเปนโปรแกรมคอมพวเตอรเพอวเคราะหปญหาการไหลแบบศกยตอไปได 4. การทดสอบโปรแกรมคอมพวเตอร โปรแกรมคอมพวเตอรทประดษฐข9นไดถกนามาทดสอบกบตวอยาง 2 ปญหาดวยกน คอ ปญหาการไหลแบบศกยผานทรงกระบอกซงเปนปญหาทมผลเฉลยแมนตรง และปญหาการไหลผานวตถรปปกเครองบน (airfoil) ซงมผลการทดลองเปรยบเทยบ 4.1 ปญหาการไหลแบบศกยผานทรงกระบอก ในการวเคราะหปญหาการไหลแบบศกยผานทรงกระบอก ไดทดลองเปลยนขนาดรศมตางกน 3 ขนาดและในแตละขนาดจะแบงจานวนเอลเมนตใหแตกตางกน 4 แบบ ซงรปรางและเงอนไขขอบเขตของปญหาน9ไดแสดงไวในรปท 1 ผลการคานวณพบวา การใชขนาดทรงกระบอกใหเลกลงเหลอ 0.5 หนวย และเพมจานวนเอลเมนตเปน 19,208 เอลเมนต ประกอบกบใชเทคนคการทา bias ซงเปนการเพมความหนาแนนของเอลเมนตบรเวณผวทรงกระบอก จะทาใหไดคาสมประสทธ .ความดนบรเวณผวดานบนของทรงกระบอกใกลเคยงกบผลเฉลยแมนตรงมากทสด ดงแสดงในกราฟท 1 ซงนาจะเกดจากเมอลดขนาดของทรงกระบอกแลว ขอบเขตของปญหาจะมลกษณะใกลเคยงกบขอบเขตของผลเฉลยแมนตรงมากข9นน นเอง สวนรปท 2 แสดงเสนช 9นของคาศกยความเรว และคาเสนการไหลทคานวณไดจากโปรแกรมทประดษฐข 9น

4.2 ปญหาการไหลแบบศกยผานวตถรปปกเครองบน (airfoil) รปรางและขอบเขตของปญหาการไหลแบบศกยผานปก

เครองบน (airfoil) ไดแสดงไวในรปท 3 สวนกราฟท 2 แสดงผลการเปรยบเทยบการกระจายตวของสมประสทธ .ความดนรอบผวของปกเครองบนทไดจากการคานวณกบผลการทดลอง [3] ผลการเปรยบเทยบมความแตกตางกนระดบหนง ซงอาจเกดจากการไหลทเกดข9นในการทดลองน 9นเปนการไหลแบบมความหนด (viscous

flow) ซงจะทาใหเกดช 9นขอบเขต (boundary layer) ข9นโดยรอบปกเครองบน สงผลใหการคานวณกบผลของการทดลองน 9นมความแตกตางกน

รปท 3 แสดงขอบเขตของการไหลผานวตถรปปกเครองบน

กราฟท 2 เปรยบเทยบการกระจายตวของสมประสทธ .ความดน (Cp) ตลอดผวนอกของปกเครองบน NACA หมายเลข 4412

5. บทสรป ไฟไนตเอลเมนตคอมพวเตอรโปรแกรมเพอวเคราะหปญหาการ

ไหลแบบศกยไดถกประดษฐข 9น และเมอนาไปทดสอบกบปญหาการไหลผานทรงกระบอกพบวาใหผลลพธทถกตองใกลเคยงกบผลเฉลยแมนตรง แตตองใชเอลเมนตจานวนมากและรปรางขอบเขตทเหมาะสม สาหรบการนาไปใชวเคราะหกบปญหาการไหลจรง เชนการไหลผานปกเครองบน ตองกระทาดวยความเขาใจและระมดระวง

กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ ผศ.ดร. นพนธ วรรณโสภาคย (อาจารยทปรกษา) ทสละเวลาใหคาปรกษาตลอดโครงงาน เอกสารอางอง [1] Anderson JR., John David. Fundamental of Aerodynamics.

2nd ed. New York : McGraw-Hill,1991 [2] ปราโมทย เดชะอาไพ. ไฟไนตเอลเมนตในงานวศวกรรม. พมพ

คร 9งท 4. กรงเทพมหานคร: สานกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2550.

[3] http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/1937/naca-report-563.pdf

รปท 1 แสดงขอบเขตของปญหาการไหลผานทรงกระบอก

(ก) คาศกยความเรว (ข) คาเสนการไหล รปท 2 เสนช 9นของคาศกยความเรวและเสนการไหลของปญหาการ ไหลแบบศกยผานทรงกระบอก

1−=∂∂

n

φ1=

∂

∂

n

φ

1−=∂∂

n

φ1=

∂∂

n

φ

กราฟท 1 เปรยบการกระจายตวของสมประสทธ .ความดน (Cp) ตลอดผวนอกของทรงกระบอกทขนาดรศมตางกน บรเวณ ผวดานบนของทรงกระบอกกบผลผลเฉลยแมนตรง

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 TF02


ประสทธผลของการควบคมการเหนยวนาการผสมของเจตดวยเจตควบคม

ตามแนวเสนรอบวง

The effectiveness of the azimutal control jet in manipulating and controlling the

mixing of a jet in crossflow

พชรพงษ หวงสวางวงศ 4930323621 , อชตศกด พชรวรณวชญ 4930584021 และ อนวรรต ถรลาภ 4930591421

รองศาสตราจารย ดร.อศ บญจตราดลย (อาจารยทปรกษา) และ อ.ดร.อลงกรณ พมพพณ (อาจารยทปรกษารวม)

บทคดยอ

โครงงานนมวตถประสงคเพอศกษาผลของเจตควบคมตอการผสมและโครงสรางการผสมบรเวณ Near Field ทอตราสวนความเรวประสทธผลตางๆ ดวยการถายภาพและเทคนค Product Formation

Mie Scattering และ Laser-sheet Visualization ทดลองทอตราสวนความเรวประสทธผล 4 และ 9 โดยเจตควบคมท ±15° สงผลมากทสดเปรยบเทยบกบมมควบคมอนๆ สงผลใหโครงสรางการผสมพฒนาตวดาน Spanwise มากขน เสนทางเดนของเจตตาลง และการผสมของเจตและกระแสลมขวางดขน

คาหลก เจตในกระแสลมขวาง การปรบแตงและควบคม เจตควบคม เสนทางเดนของเจต การผสม

Abstract

The project objective is to investigate the effectiveness of

the control jet in manipulating and controlling the mixing of a

jet in crossflow. The experiments are performed by using

Product Formation, Mie Scattering and Laser-sheet

Visualization. The effective velocity ratio is approximately 4 and

9. Control-jets deployed at ±15° are the most effective

compared to others. When control jets are deployed, the

mixing structure develops more on spanwise direction, the

trajectory is lower and the mixing of jet in crossflow is

promoted.

Keywords: jet in crossflow, manipulation and control, control

jets, trajectory and entraiment

1. บทนา

เจตในกระแสลมขวาง (Jet in Crossflow, JICF) พบไดในงานวศวกรรมตางๆ เชน การผสมของเชอเพลงกบอากาศในหองเผาไหม การระบายไอเสยจากปลองควน เปนตน การควบคมการผสมของ JICF ไดจะทาใหประสทธภาพการผสมของเชอเพลงกบอากาศดขน

เพมศกยภาพในการเผาไหม หรอการควบคมเสนทางเดนของเจตไดจะทาใหการกระจายตวเจตดขน เพอควมคมการกระจายตวของมลพษ โครงงานนมวตถประสงคเพอศกษาผลของเจตควบคมตอการ

ผสมและโครงสรางการผสมบรเวณ Near Field ทอตราสวนความเรวประสทธผลตางๆ

2. หลกการและแนวคดในการใชเจตควบคม (Control jet)

จากงานศกษาทผานมา [1] พบวาการกอตวของโครงสราง CVP

บรเวณ Near Field ทาใหเกดการผสมทดกวา Free jet จาก [2]

พบวาการกอตวของโครงสราง CVP เกดจาก Skewed Mixing

Layer ดงนนเราจงมแนวคดทจะควบคม JICF โดยการกระตนและปรบเปลยนการเกด Skewed Mixing Layer

3. หลกการและการทดลอง

การทดลองใช Smoke Fluid ผสมกบเจตรอนจนระเหยกลายเปนไอหมดกอนออกจากปากเจตผสมกบกระแสลมขวางทอณหภมตากวาจนถง Stoichiometric Ratio จะเกดการกลนตวเปนอนภาคขนาดเลก (Product Formation) ซงทาใหเหนบรเวณการผสมไดชดเจน และใช Laser Sheet ฉาย ทาใหอนภาคเกดการกระเจงแสง

(Mie Scattering) เขาสกลองวดโอเพอศกษาโครงสรางในระนาบดงรปท 1

การทดลองทาทอตราสวนความเรวประสทธผล (r) 4 และ 9

(𝒓𝒓 = 𝝆𝝆𝒋𝒋𝒖𝒖𝒋𝒋𝟐𝟐 𝝆𝝆𝒄𝒄𝒄𝒄𝒖𝒖𝒄𝒄𝒄𝒄𝟐𝟐 ) โดยประมาณ Reynolds Number ของเจต 16000 คงท และ Reynolds Number ของกระแสลมขวาง 8000 และ 3600 ตามลาดบ เจตควบคมตดตงบรเวณรอบปากเจต โดยทดลองทมม 0° 180° ±15° ±30° ±45° ±90° ±135° และ 0° กบ 180° ดงรปท 1 มอตราสวนเชงมวลของเจตควบคมตอเจต 2 %

รปท 1 Flow Visualization และเจตควบคม

3. ผลการทดลอง

การใชเจตควบคมท ±15° (CJ15) ทาใหเกดการเปลยนแปลงของโครงสรางมากทสด เมอเทยบกบการใชเจตควบคมทมมอนๆ รป

𝑚𝑐𝑐𝑐𝑐 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑐𝑐𝑓𝑓𝐶𝐶𝑓𝑓

𝑚𝑗𝑗 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑚𝑐𝑐𝑗𝑗

Control jets

𝜃𝜃

𝜃𝜃

CCD Camera



0

30

60

90

120

0 1 2 3 4

E

x/rd

r4,NCJ

r4, CJ15

r9, NCJ

r9, CJ15

y = 1.1466x0.382

y = 0.9046x0.3274

y = 1.3692x0.1987

y = 1.1292x0.182

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4

y/rd

x/rd

r4-NCJ

r4-CJ15

r9-NCJ

r9-CJ15

ท 2 แสดงภาพ Mean ดาน Top view พบกวากรณ CJ15 โครงสรางขยายตวดาน Spanwise มากกวากรณทไมมการควบคม (NCJ) รปท 3 แสดงภาพ Mean ดาน End view กรณ CJ15 โครงสรางจะม

Penetration ตาและกระจายตวทางดานขางมากกวากรณ NCJ

สอดคลองกบ [3] ทควบคม JICF ดวยเจตควบคมซงมการกระจายตวของเรวในลกษณะเดยวกน รปท 4 แสดงภาพ Mean ดาน Side

view พบวากรณ CJ15 เสนทางเดนของเจตตากวากรณ NCJ

(A) NCJ (B) CJ15

รปท 2 ภาพ Mean ดาน Top view ทระนาบ y = 0.35rd

(A) NCJ (B) CJ15

รปท 3 ภาพ Mean ดาน End view ทระนาบ x = 1rd

(A) NCJ (B) CJ15

รปท 4 ภาพ Mean ดาน Side view ทระนาบ z = 0rd

เสนทางเดนของเจตนยามใหเปนเสนทางเดนของ Center of

Mass ของโครงสรางในระนาบ End view โดยสามารถแสดงไดดวยสมการ

𝑦𝑦𝐶𝐶𝑟𝑟 = 𝐴𝐴 𝑥𝑥

𝐶𝐶𝑟𝑟𝑚𝑚

(1) ท r=4 และ 9 เสนทางเดนของเจตในกรณ CJ15 ตากวากรณ NCJ

แสดงในรปท 5

รปท 5 เสนทางเดนของเจตท r=4 และ r=9

จากผล Simulation ของ [4] ทาใหเราสามารถวเคราะหสรปไดวา การเหนยวนาการผสม (E) ของ JICFท r เดยวกน ขนกบเสนทางเดนของเจตตามสมการ

𝑬𝑬 = 𝑸𝑸𝒋𝒋𝒋𝒋𝒋𝒋𝑸𝑸𝟎𝟎

= 𝟏𝟏 + 𝒓𝒓𝑨𝑨𝑨𝑨

𝒙𝒙𝒓𝒓𝒓𝒓𝟏𝟏−𝑨𝑨

(2)

กรณ CJ 15 ทาใหการผสมเพมขนเมอเทยบกบกรณ NCJ ดงรปท 6

รปท 6 การผสมของ JICF ท r=4 และ r=9

4.อภปรายผลการทดลอง

จาก [3] ในกรณ NCJ โครงสรางการผสมเกดจาก Windward

Shear Layer และ CVP ซง CVP เปนโครงสรางการผสมหลกทางดาน Downstream แตเนองจาก Vortex Pair มระยะ Spanwise

Separation นอยจงขดขวางการผสม ทาใหไมมประสทธภาพการผสม เมอเปรยบเทยบกบกรณ CJ15 ซงเจตควบคมจะลด Windward

Shear Layer และสนบสนน Skewed Mixing Layer ทาให CVP เกดการพฒนาตวมระยะ Spanwise Separation มาก การผสมจงเปนไปไดด ดงรปท 7 รายละเอยดสามารถศกษาไดจาก [3]

(A) NCJ (B) CJ15

รปท 7 โครงสรางการผสมและ Spanwise Separation

5.สรป

การใชเจตควบคมสงผลตอโครงสรางการผสมและการผสมของเจตในกระแสลมขวาง เจตควบคมท ±15° สงผลมากทสดเมอเปรยบเทยบกบมมอนๆ โดยสงผลทอตราสวนความเรวประสทธผล 4 และ 9 ในลกษณะเดยวกน โดยทาใหโครงสรางการผสมพฒนาตวดาน Spanwise มากขน เสนทางเดนของเจตตาลง และเพมการผสมของเจตและกระแสลมขวาง เอกสารอางอง

[1] S.H. Smith and M.G. Mungal, “Mixing, structure and

scaling of the jet in crossflow”, J. Fluid Mech., Vol. 357, pp.

83-122

[2] Lester L.Yuan,Robert L.Street and Joel H.Ferziger,”Large-

eddy simulation of a round jet in crossflow”, J. Fluid Mech.,

Vol. 379, pp. 71-103 [3] Pornchai Kornsri et al., “A Scheme for The Manipulation

and Control of A Jet in Crossflow: The Use of Azimuthal

Control Jets”.

[4] Lester L.Yuan and Robert L.Street, “Trajectory and

entrainment of a round jet in crossflow”, Phys. Fluids, Vol.

10, No. 9, pp 2323-2335

Windward Shear Layer

Spanwise Separation

Windward Shear Layer

Spanwise Separation

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 TF 03 ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

การศกษาคณลกษณะของเจตสงเคราะหทขบดวยไดอะแฟรม

A Study of Synthetic Jets driven by diaphragm

ฝนทพย เอกชยวรสน 4930299221 รองศาสตราจารย ดร. อศ บญจตราดลย (อาจารยทปรกษา) และ อ.ดร.อลงกรณ พมพพณ (อาจารยทปรกษารวม)

บทคดยอ โครงงานนมวตถประสงคเพอศกษาความสมพนธระหวางโมเมนตม ฟลกซรวมทไดจากเจตสงเคราะห(Synthetic jets) กบพารามเตอรทใชขบไดอะแฟรม แบงตวแปรทสนใจเปน 2 สวนคอ ขนกบไดอะแฟรมและขนกบความเรวเจต ขอบเขตตวแปรไรมตเมอขนกบไดอะแฟรมทบงบอกคณลกษณะของเจตสงเคราะห คอ

อยในชวง [0.76-38] และเรยโนลดนมเบอร, ในชวง [180–70,000] พบวาเจตสงเคราะหสามารถใหกาเนดเจตได 4ลกษณะ รปรางการกระจายตวของความเรว (Velocity Profile) ของเจต พบวามความเรวคงทในชวงประมาณ [-0.5r,0.5r] โมเมนตม ฟลกซไมแปรผนตามStroke ratioแตแปรผนตามเรยโนลดนมเบอรโดยไมขนตอลกษณะของเจต คาหลก เจตสงเคราะห, ไดอะแฟรม, โมเมนตม ฟลกซ Abstract The objective is to study relation between the output momentum flux and the excitation of a driving diaphragm for synthetic jet application. The important parameter be divided 2 groups are base on diaphragm and base on jet velocity. Range of dimensionless parameter base on diaphragm determine the characteristics of synthetic jet are Reynolds number,Re [180–70,000] and Stroke ratio,L/d [0.76-38].It is show that synthetic jet operate 4 types of jets. Jet’s velocity profile steady in range [-0.5r,0.5r]. Momentum flux not direct variation stroke ratio but direct variation Reynolds number and independent of the type of jets. Keywords: Synthetic jets, Diaphragm, Momentum Flux 1. บทนา

เจตสงเคราะห (Synthetic jets) คออปกรณควบคมการไหลทม ฟลกซมวลสทธออกจากปากเจตเปนศนย แตเกดโมเมนตม ฟลกซสทธออกจากปากเจต ซงโมเมนตม ฟลกซทเกดขนทาใหเจตสงเคราะหมศกยภาพในการควบคมการไหลของของไหลใหมพฤตกรรมใหเปนไปตามความตองการ ดงนนวตถประสงคของโครงงานนคอการศกษาความสมพนธระหวางโมเมนตม ฟลกซรวมทไดจาก เจตสงเคราะหกบพารามเตอรทใชขบไดอะแฟรม เนองการศกษาความสมพนธระหวางโมเมนตม ฟลกซสทธและลกษณะ

ของเจตสงเคราะหทเกดจากตวแปรควบคมทาใหสามารถสรางเจตสงเคราะหทเหมาะสมสาหรบการควบคมการไหลของของไหลในงานตางๆได 2. หลกการและการทดลอง

เจตสงเคราะหเกดจากการสนของไดอะแฟรม ทาใหเกดการดด/คายอากาศเขา/ออกหองอดผานรออรฟส (ปากเจต) ตวแปรทเกยวของกบการขบไดอะแฟรม (input driving parameter) คอความถและความตางศกย ตวแปรไรมตทบงบอกคณลกษณะของเจตสงเคราะห (output jet parameter) คอ Stroke ratio(L/d) และเรยโนลดนมเบอร (Reynolds number,Re) การไหลของเจตสงเคราะหทาใหเกดโมเมนตม ฟลกซ โครงการนจะแบงตวแปรทสนใจเปน 2 สวนคอ เมอขนกบไดอะแฟรม

√2

√2

เมอขนกบความเรวเจต

r 2 d

√

โดย คอ รศมของออรฟส

คอ เสนผานศนยกลางออรฟส คอ ความยาวเทยบ ของทรงกระบอกทม เทา

รปปรมาตรเปน 2

4 (stroke length)

คอ ความถของลาโพงทใชไดอะแฟรม

คอ ความถทขนกบความเรวเจต คอ ความ จตทปากออรฟสนยามโดย เรวเฉลยของเ

√2

คอ ความเรวเจททตาแหนงใดๆบนรศมออรฟส

เฉลยโดยเวลากาลงสองนยามโดย

; =

∑ ; actual calculation

เมอ คอ คาบเวลาของความเรวเจต

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)


ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย คอ จานวนตวอยาง

x/r

t คอ เวลาทใชเกบขอมลในแตละจด ใชลาโพงเปนอปกรณขบไดอะแฟรม ขบไดอะแฟรมในชวงความถ 5-220 Hz และความตางศกย 0.6-5.4 V เสนผานศนยกลางออรฟสเปน 0.1เทาของเสนผานศนยกลางหองอด (d=0.1D) วดความเรวเจตโดย Hot-Wire Anemometer และทา flow visualization เพอดลกษณะทางกายภาพของเจตสงเคราะห 3. ผลการทดลองและอภปรายผลการทดลอง 3.1 ผลของ Stroke ratio กบเรยโนลดนมเบอรตอลกษณะของเจต จากการทดลองพบวาเจตสงเคราะหสามารถใหกาเนดเจตได 4 ลกษณะ ดงรปท 1.

รปท1. ลกษณะของเจตสงเคราะหแบบตางๆ

เจตลกษณะท 1. - Vortex ring เจตลกษณะท 2. - ฟงกระจาย สามารถเหนควนทออกมาชดเจน เจตลกษณะท 3. - ฟงกระจาย ไมสามารถเหนควนทออกมาชดเจน เจตลกษณะท 4. - กลมควนลอยตา ไมฟงกระจาย

ผลของ Stroke ratio กบเรยโนลดนมเบอรทขนกบไดอะแฟรม ตอลกษณะของเจตสงเคราะหดงรปท2. รปท2. ความสมพนธระหวาง stroke ratioและเรยโนลดนมเบอรท

ขนกบ ลกษณะของเจตสงเคราะห ไดอะแฟรม กบ เมอขอบเขต อยในชวง [0.76-38] และเรยโนลดนมเบอร, ในชวง [180 – 70,000] พบวา

- เมอเรยโนลดนมเบอร, เพมขนลกษณะของเจตจะเปลยนแปลงไปจาก1เปน 2, ละ 4 ตามลาดบ 3

รปท3. Velocity Profileของเจตลกษณะตางๆ

3.2 ผลของ Stroke ratio กบเรยโนลดนมเบอรตอโมเมนตม ฟลกซ

พจารณาเมอขนกบไดอะแฟรมพบวา โมเมนตม ฟลกซไมแปรผนตามstroke ratio แตแปรผนตามเรยโนลดนมเบอรโดยไมขนตอลกษณะของเจตดงรปท4.

รปท4. ความสมพนธระหวางโมเมนตม ฟลกซกบเรยโนลดนมเบอร

แ- ทเรยโนลดนมเบอร, ประมาณ 4,000 ขนไป เมอ

เพมขนลกษณะของเจตจะเปลยนแปลงไปจาก 4 เปน 3 และ 2 ตามลาดบ

รปรางการกระจายตวของความเรว (Velocity Profile) ของเจตลกษณะตางๆ ดงรปท 3. รปรางการกระจายตวของความเรวของเจตแตละลกษณะมลกษณะสมมาตรกนทงซายขวา

จากรปจะเหนวากบเรยโนลดนมเบอรมตอโมเมนตม ฟลกซ ตามความสมพนธ

2 5 ขอบเขตโมเมนตม ฟลกซทไดคอ [8 10 7.2

พจารณาเมอขนกบความเรวเจตพบวา โมเมนตม ฟลกซไมไดแปรผนตามstroke ratioเชนกนแตแปรผนตามเรยโนลดนมเบอรดงน

- เรยโนลดนมเบอรในชวง[0-1,100]หรอเจตลกษณะท1 พบวาเมอเรยโนลดนมเบอรเพมขน โมเมนตม ฟลกซจะเพมขนอยางชาๆ

- เมอเรยโนลดนมเบอรมคา1,100 ขนไป หรอเจตลกษณะท1 พบวาเมอเรยโนลดนมเบอรเพมขน โมเมนตม ฟลกซจะเพมขนอยางรวดเรว 4. สรปผลการทดลอง

เจตสงเคราะหสามารถใหกาเนดเจตได 4 ลกษณะ ขนกบstroke ratio (L/d) และเรยโนลดนมเบอร(Reynolds number,Re) ซงเปนตวแปรไรมตทบงบอกคณลกษณะของเจต รปรางการกระจายตวของความเรว (Velocity Profile) ของเจตลกษณะท1, 2 และ 3 ตางมความเรวคงทในชวงประมาณ [x=0.5r,x=-0.5r] และโมเมนตม ฟลกซทไดจากเจตสงเคราะหไมไดแปรผนตามstroke ratioแตแปรผนตามเรยโนลดนมเบอรโดยไมขนตอลกษณะของเจต ดงนนเจตสงเคราะหทง 4 ลกษณะจงเหมาะนาไปใชควบคมการไหลของของไหลในรปแบบตางกนออกไป เอกสารอางอง [1] Gopi Krishnan, Kamran Mohseni†. Axisymmetric

Synthetic Jets: An Experimental and Theoretical Examination. AIAA JOURNAL Vol. 4

(10)



ผลของอตราสวนความเรวประสทธผลตอโครงสรางการผสมของ

เจตในกระแสลมขวางบรเวณใกลปากเจต

Effect of Effective Velocity Ratio on the Near-Field Mixing Structure of a Jet in Crossflow

พรต วตะกลสน 4930337421, วรบตร กมใจเยน 4930441021, วศน แสงนมพงษ 4930465021 และ อนสรร แสงนมนวล 4930595021

รองศาสตราจารย ดร.อศ บญจตราดลย (อาจารยทปรกษา) และ อ.ดร.อลงกรณ พมพพณ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

การทดลองนมจดประสงคเพอศกษาผลของคาอตราสวนความเรวประสทธผล ตอโครงสรางการผสมบรเวณใกลปากเจตของเจตในกระแสลมขวาง ดวย วธการถายและวเคราะหภาพดวยเทคนค Product Formation , MIE Scattering และ Laser-sheet

Visualization ทอตราสวนความเรวประสทธผล 2, 4 และ 7

ภาพถายตดขวางของเจตทง 3 ระนาบถกนามาวเคราะหโครงสรางการผสม, ความสามารถในการผสม และทางเดนเจต ในหนวย rd

ผลการศกษาพบวายงอตราสวนความเรวประสทธผลตาลง การพฒนาตวของโครงการผสมจะเรวขน สาหรบบรเวณการผสมทด หรอบรเวณทม Local Peak สง ทอตราสวนความเรว 4 และ 7 เกดดาน upstream สวนทอตราสวนความเรว 2 เกดขนทดาน

downstream สาหรบความสามารถในการผสมพบวาทอตราสวนความเรวสงขนความสามารถในการผสมจะยงดขน

Abstract

The objective is to study the effect of effective velocity

ratio to mixing structure in the near field of a jet in crossflow.

Experiments are performed using Product Formation, MIE

Scattering; Laser sheet Visualization. At effective velocity ratio

2, 4, and 7, the images of transverses jet are used to identify

near field mixing structure, enhancement of the mixing rate

and jet trajectory in rd scale. The results show that the lower

effective velocity ratio, the faster on mixing structure

development. Moreover, it is found that the effective mixing

region or high local peak region occurs at upstream side for

effective velocity ratio 4 and 7 and downstream side for

effective velocity ratio 2. We also found that the higher the

effective velocity ratio the better of the mixing rate.

1. บทนา คณลกษณะของเจตในกระแสลมขวาง ดงเชน การก ระจายตวของความเรว เสนทางเดน รวมทง โครงสรางการผสม ทปรากฎอยในสนามการไหล สงเหลานมผลตอความรความเขาใจในปญหาทางเทคนคตางๆ อาท การปลอยของเสยจากปลองควน การผสมของเชอเพลง เปนตน จากงานวจยทผานมาแสดงใหเหนวาบรเวณใกล

ปากเจตเปนจดเรมตนของโครงสรางทสาคญของการผสม และพารามเตอรหลกทสงผลตอลกษณะการไหลและการผสมของเจตในกระแสลมขวาง คอ อตราสวนความเรวประสทธผล ดงแสดงในสมการท (1)

𝑟𝑟 = 𝜌𝜌𝑗𝑗 𝑢𝑢𝑗𝑗

2

𝜌𝜌𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑢𝑢𝑗𝑗𝑗𝑗2

1/2 ….. (1)

เมอ 𝑢𝑢𝑗𝑗 คอความเรวเจต, 𝑢𝑢𝑗𝑗𝑗𝑗 คอความเรวกระแสลมขวาง, 𝜌𝜌𝑗𝑗 คอความหนาแนนของเจต และ 𝜌𝜌𝑗𝑗𝑗𝑗 คอความหนาแนนกระแสลมขวาง ดงนนโครงการนจงมวตถประสงคในการศกษาผลของ

อตราสวนความเรวประสทธผล ตอ โครงสรางการผสมบรเวณใกลปาก

เจตของเจตในกระแสลมขวาง

2. หลกการและการทดลอง

นยามปญหาของเจตในกระแสลมขวางดงน

รปท 1 Flow Visualization technique

การวเคราะหโครงสรางการผสมของการไหลแบบเจตในกระแสลมขวางสาหรบงานวจยน จะฉดเจตตดกบกระแสลมในแนวขวางท r

ทง 3 คาคอ 2,4 และ 7 โดยมการฉด Smoke Fluid ใหระเหยเปนไอจนหมดผสมกอนออกจากปากเจต เมอกระแสเจตปะทะกบกระแสลมขวาง เจตจะดงมวลอากาศจากกระแสลมขวางเขามาผสมจนถง Stoichiometric Ratio ทเหมาะสม (นยามจากการผสมทไมมการถายเทความรอนออก) ทาให Smoke Fluid เกดการกลนตว จงสามารถมองเหนโครงสรางการผสมซงมลกษณะเปนกลมควน จากนนจะฉายแสงเลเซอรมลกษณะเปนแผน ตดขวางกระแสเจตในลกษณะตงฉากแกนอางองทใชในการทดลองทง 3 ระนาบ แลวถายภาพเกบขอมลไว โดยสจากขอมลภาพทเหนเกดจากการกระเจงแสงของบรเวณท Smoke Fluid กลนตวซงแสดงถงบรเวณทมการผสมเกดขน

x

z y



3. ผลการทดลอง

คาอตราสวนความเรวทตางกนสงผลใหพบโครงสรางการผสมทแตกตางกน แสดงไดจากภาพถายขณะใดๆ ระนาบ xz ทความสง y/rd = 0.15 แสดงดงรปท 2 พบ Large Scale Structure (1) ท r=2

แตไมพบโครงสรางนท r อนๆ จงอาจกลาวไดวามการพฒนาของโครงสรางไดเรวกวา r=4 และ r=7 สาหรบท r=4 พบโครงสราง Leeward (2) และ Windward Vortical Roll Up (3) สวนท r=7 พบเพยงโครงสราง Windward นอกจากนทคา r สงขน ความหนาของ Mixing ring (4) จะยงมากขน และทระนาบ y/rd เดยวกนน ท r=2

พจารณาContour ของภาพเฉลย พบบรเวณทม Local Peak สงอยดาน Downstream ซงตางจากท r=4 และ 7 ทพบบรเวณ Upstream

แสดงไดตามรปท 3

4.อภปรายผลการทดลอง

จากผลการทดลองดงแสดงตามรปท 2 ทสรปวา r=2 มการพฒนาของโครงสรางการผสมไดเรวกวา r=4 และ r=7 สามารถอธบายไดจาก [2] ซงระบไววา Hanging Vortex พฒนาจาก Skewed Mixing Layer แสดงตามรปท 4ก และจากแผนภาพความเรวดงในรปท4ข Um เปนความเรวทเกดจากการรวมกนระหวางเวกเตอรความเรวเจต(Uj) และกระแสลมขวาง(Ucf) สวนUn1 และ Un2

แสดงถงความเรวเจตและความเรวกระแสลมขวางในแนวตงฉากกบ

Um นยาม β คอ Strength of Skewed Mixing Layer ดงสมการท 2

β = ‖𝑢𝑢 𝑛𝑛1−𝑢𝑢 𝑛𝑛2‖𝑢𝑢 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛

….. (2)

แสดงถงอทธพลของ Skewed Mixing Layer บรเวณปากเจต โดยพารามเตอรตวนสงผลใหโครงสราง Hanging vortex เกดไดเรวขนท คา β มากขน พบวาท r=2 มคา β=0.97 ซงมคามากกวาท r=4 ทมβ=0.91 แล r=7 ท β=0.7 ซงสอดคลองกบขอสรปทไดจากผลการทดลอง

รปท 4ก การเกด Hanging vortex ของเจตในกระแสลมขวาง และ 4ข แสดงแผนภาพความเรวของเจทในกระแสลมขวาง

นอกจากนการเปลยนอตราสวนความเรวประสทธผลยงสงผลตอเสนทางการเดนของเจต โดยแสดงไดจากภาพขณะใดๆ ระนาบ xy

ตามรปท 4 ท r=2 เสนทางการเดนจะอยตาทสด สวนท r=7 เสนทางการเดนอยสงทสด เมอเปรยบเทยบใน Physical Scale

ตาแหนงท Unmixed Core (พจารณาจากรปท 4 ณ r=7) สนสดหรอตาแหนงทผสมเสรจแลว ยง เปนอกปจจยหนงทแตกตางกนเมอเปลยนคา r โดยเมอคา r สงขน ตาแหนงสนสดของ Unmixed Core

ใน rd Scale ลดตาลงดงนท r=2, 4 และ 7 สนสดท y/rd = 0.5, 0.6

และ 1 rd ตามลาดบ แสดงวาสาหรบ เจตทอตราการไหลเดยวกน Smoke Fluid ในกระแสเจต จะถกผสมและกลนตวจนหมดกอน ท r=7 ลาดบตอมาคอ r=4 และ r=2 จงอาจกลาวไดวาอตราการผสมระหวางเจตและกระแสลมขวางทบรเวณใกลปากเจท สาหรบ r=7

มากกวา r=4 และ r=2 ตามลาดบ

รปท 4 ภาพขณะใดๆ ระนาบ z/rd=0 ท r=2, 4 และ 7

5.สรปผลการทดลอง

อตราสวนความเรวประสทธผลทแตกตางกนสงผลตอการพฒนาตวของโครงสรางการผสมทแตกตางกน, ความสามารถในการผสม,

ตาแหนงทเกดการผสม และยงพบโครงสรางการผสมทแตกตางกน โดยทอตราสวนความเรวประสทธผลตาลง การพฒนาตวของโครงสรางการผสมจะเรวขน ทาใหบรเวณทมการผสมดเกดขนดาน Downstream สวนทอตราสวนความเรวประสทธผลสงบรเวณทมการผสมดเกดดาน Upstream นอกจากนพบวาทอตราสวนความเรวประสทธผลสงขน ความสามารถในการผสมจะดขน

6.เอกสารอางอง

[1] Chongsiripinyo, K., Limdumrongtum, P., Pimpin, A. and

Bunyajitradulya, A., 2008, “Investigation of Mixing Structure in

The Near Field of A Jet in Crossflow”

[2] Yuan, L .L., Street, R. L. and Ferziger J. H., 1999, “Large-

eddy simulations of a round jet in crossflow,”J. Fluid

Mech.,Vol.379, pp. 71-104.

r=2

รปท 2 ภาพขณะใดๆ ระนาบ y/rd=0.15 ท r ตางๆ

รปท 3 Contour ของภาพเฉลย

ระนาบ y/rd=0.15 ท r ตางๆ

r=4

r=7

Upstream Downstream Maximum

(1)

(2)

(3)

(2)

Unmixed core

r=2

r=4

r=7

Maximum

Maximum

(4)

(4)

(4)

4ก 4ข


การหาประสทธภาพทางความรอนของ Solar Thermal Panel ชนด PV/T โดยการทดลอง

Thermal Efficiency Analysis of Solar Thermal Panel (PV/T) By Experiment

อารญ ตอเจรญ 4930620021, วศรต โฆษตภมเวท 4930492021 และ ปรชญ เกยรตระบล 4930272221 ร.ศ. ดร วทยา ยงเจรญ (อาจารยทปรกษา) และ ผศ.ดร.องคร ศรภคากร (อาจารยทปรกษารวม)

บทคดยอ

รายงานนมวตถประสงคเพอหาประสทธภาพของเซลลแสง อาทตยชนดผสม PV/T โดยทแบบจาลองประกอบไปดวย เซลลแสง อาทตย, กระจกครอบกนลม, แผนอะลมเนยม, ของไหลระบายความรอน (นา), ทอทองแดง และอปกรณบนทกผลการทดลอง โดยสมการทใชในการศกษาระบบ จะอางองจากสมการสมดลพลงงานความรอน และในสวนของประสทธภาพของเซลลแสงอาทตยนนหาไดจากพลง งานไฟฟาและพลงงานความรอนทไดรบออกมาโดยการทดลอง

Abstract

This paper is about finding the efficiency of a Hybrid Solar Thermal Panel (PV/T) which its model consists of several submodels for main components of the PV/T system; namely, solar cell, transparent cover, absorber plate (aluminum), working fluid (water) copper tube and data logger. The mathematical equations of these individual components are developed based on the analysis of the balance of energy conversion. The efficiency of this system can be measured by comparing its experimental results with its identified specifications.

1. บทนา

ระบบทใชในการทดลองจะประกอบไปดวยเซลลแสงอาทตยซงจะตดตงเขากบแผนอะลมเนยมซงเปนตวกลางในการถายเทความรอนจากเซลลแสงอาทตย และความรอนจะถกสงตอไปยงทอทองแดง โดยใชนาจะเปนของไหลทใชในการแลกเปลยนความรอนจากทอทองแดง ซงจะไดพลงงานออกมา 2 ชนดคอพลงงานไฟฟาและพลงงานความรอน ในสวนของสารนาความรอนทใชระหวางชนของแผนเซลลแสงอาทตยกบแผนอะลมเนยม คอสารมสมประสทธนาความรอนสง ซงแสงอาทตยทสองมายงเซลลแสงอาทตยนนจะเปลยนรปเปนพลงงานไฟฟาสวนหนง และเปนพลงงานความรอนอกสวนหนง นาจะเปนสารทรบความรอนจากแผนเซลลแสงอาทตย ทาใหเซลลแสงอาทตยมอณหภมลดลง เปนผลใหประสทธภาพทางไฟฟาของเซลลแสงอาทตยสงขน

2. แบบจาลองทางความรอนของเซลลแสงอาทตย PV/T

ระบบททาการศกษานนจะประกอบดวย เซลลแสงอาทตยชนด

ผสม PV/T, กระจกครอบกนลม, แผนอะลมเนยม, ของไหลระบายความรอน (นา), ทอทองแดง และอปกรณบนทกผลการทดลอง ซงสมการสมดลพลงงานความรอนสาหรบการพจารณาระบบสามารถแบงไดดงนคอ สวนกระจกครอบกนลม

(1) สวนเซลลแสงอาทตย

(2)

สวนแผนอะลมเนยม

(3) สวนของไหลระบายความรอน

(4) โดยประสทธภาพรวมของระบบ PV/T จะสามารถหาประสทธภาพรวมไดจากสมการ

(5) โดยท A คอพนทหนาตดของแผนเซลลแสงอาทตยทรบแสงอาทตย G คอปรมาณรงสตอหนงหนวยพนท c คอคาความจความรอนจาเพาะ F คอคาสมประสทธสดสวนของรงส m คอมวล t คอเวลา h คอคาสมประสทธการแผความรอน m คออตราการไหลของมวล Q คอพลงงานความรอน T คออณหภม q คอพลงงานความรอนตอหนงหนวยการไหลของนา คอคาสมประสทธการดดซบพลงงานของกระจก คอคาคงตวของโบลซแมน คอสมประสทธการสงผานความรอน คอประสทธภาพ คอสมประสทธการแผรงส และตวหอย a คออากาศภายนอก S คอแผนเซลลแสงอาทตย C คอกระจกกนลม elec คอสวนของไฟฟา i in, คอขาเขา o คอขาออก F คอของไหล P คอแผนอะลมเนยม r rad, คอการแผรงส th คอสวนของความรอน และ conv คอการพาความรอน

dTs(mc ) GA A h (T T ) A h (T T )s c c s c r ,s c s c c conv,s c s cdt A h (T T ) GAs con,s p s p s s c s

m c (T - T ) GA dts s c sF F F Fo iPV / T th elec

A Gdtc

dTpm c = A h (T - T ) - A h (T - T ) - q Lp p s con,s p s p s p acon,P a F

dt

q L = A h (T - T ) + m c (T - T )conv,c a aF F F F F F Fo i

dT 4 4cm c = α GA - A F σ(ε T - ε T ) - A h (T - T )c c c c c c c c c conv,c a c asky skysdt + A h (T -T )+ A h (T - T )c r,s c s c c conv,s c s c


3. การอภปรายและผลการทดลอง

เนองจากเซลลแสงอาทตยใหพลงงานอยในสองรปแบบ คอพลง งานความรอนและพลงงานไฟฟา ซงภายหลงจากการทดลองพบวา ประสทธภาพทางความรอนมคามากกวาประสทธภาพทางไฟฟาอยคอนขางมาก โดยทอตราการไหลมผลกระทบตอพลงงานความรอน เปนผลใหประสทธภาพรวมของเซลลแสงอาทตยนนเปลยนไปตามอตราการไหลทตางกนดงรปท 1

รปท 1 กราฟแสดงความสมพนธระหวางประสทธภาพ และอตราการ

ไหลของนาในระบบ

จากผลการทดลองพบวา ประสทธภาพทางไฟฟามคาประมาณ 5% และประสทธภาพทางความรอนมคาประมาณ 50% โดยทในทกๆอตราการไหล ประสทธภาพทางไฟฟามคาคอนขางคงท แตประ สทธภาพทางความรอนเพมขนเลกนอยตามอตราการไหลทเพมขน เนองจากการไหลแบบปนปวน (Turbulent) ในขณะทมอตราการไหลยงสงขน กจะทาใหเกดการแลกเปลยนความรอนสงขน หากพจารณาประสทธภาพรวมของเซลลแสงอาทตยชนดผสม PV/T พบวาจะมคาประมาณ 55 – 60% ซงผลการทดลองในการหาประสทธภาพของเซลลแสงอาทตย ทงประสทธภาพทางความรอน, ไฟฟา และประสทธภาพรวมทอตราการไหลตางๆ จะแสดงดงตารางท 1

ตารางท 1 ประสทธภาพทางความรอน, ไฟฟา และประสทธภาพรวม ทไดจากการทดลองทอตราการไหลตางๆกน Flow rate (kg/s) th (%) ee (%) total (%) 0.00676 43.42393 2.697474 46.1214 0.00852 49.03218 4.422276 53.45446 0.01025 60.19854 3.36103 63.55957

มากไปกวานน จากการทดลองพบวาหากแผนเซลลแสงอาทตย

มอณหภมผวทนอยกวาทควรจะเปน หมายถงการตดตงระบบระบายความรอนดวยภายใตเซลลแสงอาทตย จะทาใหเซลลแสงอาทตยมคาประสทธภาพทางไฟฟาสงขนดงรปท 2

รปท 2 กราฟแสดงความสมพนธระหวางประสทธภาพทางไฟฟาและเวลาในการทดลองทสภาวะใชนาและไมใชนาในการระบายความรอน

ซงผลการทดลองในการหาประสทธภาพทางไฟฟาของเซลลแสงอาทตยทใชนาและไมใชนาในการระบายความรอนจะแสดงผลดงตารางท 2 ตารางท 2 ตารางเปรยบเทยบผลการทดลองเฉลยในกรณทใชนาและไมใชนาในการระบายความรอนจากเซลลแสงอาทตย

กรณศกษา ปรมาณ

รงส(rad/m2)

อณหภมผว(oC)

พลงงานไฟฟา(W)

ประสทธภาพทางไฟฟา

(%) ใชนา 512.2228 54.83442 18.61654 3.570062

ไมใชนา 552.588 67.29158 16.55829 2.774318

4. สรป

จากขอมลเบองตนทไดกลาวไปแลว สามารถสรปไดวา ระบบททาการศกษานนมประสทธภาพทขนตรงตอตวแปรตางๆไดแก

iFT , oFT , /PV T , th , elec , อณหภมอากาศ และปรมาณรงสตอหนวย

พนท จากตารางท 1 พบวา พลงงานไฟฟามแนวโนมไมขนอยกบอตราการไหล ในทางกลบกนอตราการไหลมผลอยางมากตอพลงงานความรอน โดยทอณหภมเซลลแสงอาทตยมผลกระทบตอพลงงานไฟ ฟา ซงจากผลการทดลองทไดนสามารถนาไปใชเปนแนวทางในการ ศกษาเซลลแสงอาทตยรวมไปถงการออกแบบระบบในอนาคต กตตกรรมประกาศ

โครงงานวศวกรรมฉบบนสามารถดาเนนการสาเรจลลวงไปไดดวยดจากความชวยเหลอจาก รศ.ดร.วทยา ยงเจรญ ซงเปนอาจารยทปรกษาโครงการ และขอขอบคณ รศ.ดร.อศ บญจตราดลย รวมถง อ.ดร.อลงกรณ พมพพณ และ อ.ดร.ณฐเดช เฟองวรวงศ ทไดสละเวลาในการใหคาปรกษาและคาแนะนาเกยวกบปญหาตางๆ เอกสารอางอง

[1] J.A. Duffie and W.A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley, New York, U.S.A., 1991

[2] T. Bergene and O.M. Lovvik, Model Calculations on a Flat-Plate Solar Heat Collector with Integrated Solar Cells, Solar Energy Vol. 55, No.6 pp. 453-462 1995

[3] T. Tripanagnostopoulos, P. Yianoulis and D. Patrikios, Hybrid PV-TC Solar Systems, WREC 1996



การปรบปรงการนาความเยนกลบมาใชใหมของระบบปรบอากาศ

โดยใชแนวคดของรเจนเนอเรเตอร

Improvement of Cool Air Recovery for Air Conditioning System by Using Regenerator’s Concept

น.ส. กลวด ธรกจไพบลย 4930039421, น.ส. แกวเกรดฟา ตงสภากจ 4930041621, นาย ไปรมศร ดประเสรฐดารง 4930296321

ผชวยศาสตราจารย ดร.จตตน แตงเทยง (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

โครงงานนเปนการศกษาและออกแบบอปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศ ซงนาแนวคดของรเจนเนอเรเตอรมาประยกตใช โดยนาความเยนของอากาศทงจากหองปรบอากาศกลบมาใชใหมเพอลดภาระการทาความเยนของเครองปรบอากาศ โดยอปกรณนจะมชดเกบสะสมพลงงานซงประกอบดวยวสดกกเกบพลงงานทาจากแทงอลมเนยมตน เสนผานศนยกลาง 1 นว มการจดเรยงแบบกลมทอแนวตรง แถวละ 6 แทง จานวน 6 แถว เมอพจารณาผลการทดลองทดทสด พบวาจะสามารถลดภาระการทาความเยนได 143.993 กโลจล

ซงคดเปนผลประหยด 239.1 บาทตอป และคาใชจายสาหรบอปกรณนเปน 5,803 บาท จงมระยะคนทนคอ 24 ป 3 เดอน 8 วน

คาหลก อปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศ รเจนเนอเรเตอร ภาระการทาความเยน Abstract

The purpose of this senior project is to study and design

an air-to-air heat exchanger by employing the process of a

regenerator. Similarly, the heat exchanger benefits from cool

exhaust air and consequently reduces the cooling load of air-

conditioner. The energy storage device is made of an inch-

diameter solid aluminium-rod, placed as aligned arrangement

in matrix of 6x6. It can be seen from the result that under the

optimum condition, 143.993 kilojoule of energy can be saved

with a saving amount of 239.1 Baht/year. With initial and

installation costs of 5,803 Baht, the pay-back period is

approximately 24 years 3 months and 8 days.

Keywords: Air-to-air heat exchanger, Regenerator, Cooling load

1. บทนา

ระบบระบายอากาศโดยทวไปทาหนาทถายเทอากาศเสยภายในหองออกสภายนอกและนาอากาศบรสทธเขาไปแทนท ซงอากาศเสยททงออกจากหองปรบอากาศนเปนอากาศทมความเยนอย ในขณะทอากาศบรสทธท นาเขาสภายใน หองเปนอากาศทมอณหภมเทากบสงแวดลอมภายนอก ดงนนจงควรนาความเยนจากอากาศเส ยมาใชประโยชนโดยการออกแบบอปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศ ซงมการนาแนวคดของรเจนเนอเรเตอรมาประยกตใช โดยการใชวสดกกเกบพลงงานเปนตวกลางในการถายเทความเยนจากอากาศเสย

ภายในหองส อากาศบรสทธท จะนาเขาสภายใน หองเพอใหอากาศบรสทธนมอณหภมลดลง ซงจะทาใหเครองปรบอากาศมภาระการทาความเยนนอยลง สงผลใหประหยดพลงงานมากยงขน

2. วตถประสงค

ศกษาและออกแบบการตดตงอปกรณแลกเปลยนความรอน โดยการนาวสดกกเกบพลงงานมาใชสาหรบการถายเทความเยนจากอากาศหนงสอกอากาศหนง เพอลดภาระการทาความเยนของเครองปรบอากาศ

3.ทฤษฎทเกยวของ 3.1 การถายเทความรอนโดยการพาความรอน

(1)

เมอ คอ อตราการถายเทความรอน มหนวยเปน วตต ,

คอ สมประสทธการพาความรอน ( )

คอ พนทผวทสมผสกบของไหล ( )

คอ อณหภมของผวสมผส ( )

คอ อณหภมเฉลยของของไหล ( ) 3.2 Lumped Capacitance

(2) เมอ คอ อณหภมเรมตนของผววสด ( )

คอ เวลา ( )

คอ ความหนาแนนของวสด ( )

คอ ปรมาตรของวสด ( )

คอ ความจความรอนจาเพาะของวสด ( )

4. ผลการทดลองและการอภปรายผล

จากการวเคราะหและออกแบบอปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศ จะไดวาอปกรณนประกอบดวย ชดเกบสะสมพลงงาน จานวน 2 ชด ซงจะทาหนาทสลบกน คอขณะทชดหนงทาหนาทเกบสะสมความเยนจากอากาศทง อกชดหนงจะทาหนาทถายเทความเยนสอากาศทจะดดเขาสหอง สลบกนไป ตามชวงเวลาทกาหนด โดยแตละชดประกอบดวย วสดเกบสะสมความเยนทาจากแทงอลมเนยมทรงกระบอกเสนผานศนยกลาง 1 นว ยาวแทงละ 0.16 เมตร

จดเรยงแบบกลมทอแนวตรงแถวละ 6 แทง จานวน 6 แถว ดงรปท 1



รปท 1 อปกรณแลกเปลยนความรอน

สาหรบผลการทดลองวดคาอณหภมตางๆของอปกรณแลกเปลยนความรอน แสดงผลไดดงกราฟรปท 2 และ 3 โดยจะนาเสนอทระยะเวลาในการสลบทศทางอากาศ 400 วนาท เนองจากเปนการทดลองทสามารถลดภาระการทาความเยนไดสงสด

รปท 2 กราฟความสมพนธระหวางอณหภมอากาศและเวลาทระยะเวลาในการสลบทศทางอากาศ 400 วนาท ของชดเกบสะสมพลงงานชดท 1

รปท 3 กราฟความสมพนธระหวางอณหภมอากาศและเวลาทระยะเวลาในการสลบทศทางอากาศ 400 วนาท ของชดเกบสะสมพลงงานชดท 2

จากกราฟขางตนพบวา ผลการทดลองทไดมแนวโนมคลายคลงกบผลทไดจากการคานวณทางทฤษฎ เมอพจารณาชวงทสามารถลดภาระการทาความเยนของเครองปรบอากาศ คอ ชวงทเปา อากาศภายนอก (รอน ) ผานชดเกบสะสมพลงงาน พบวา ชวงแรกของการสลบทศทางอากาศสามารถลดอณหภมของอากาศทดดเขาหองไดมาก เนองจากความแตกตางของอณหภมอากาศและอณหภมของวสดกกเกบพลงงานนนมมาก จากนนอณหภมของวสดกกเกบพลงงานจะสงขน ทาใหความแตกตางของอณหภมนอยลง จงสามารถลดอณหภมของอากาศทดดเขาหองไดนอยลง สงผลใหความสามารถในการลดภาระการทาความเยนไดนอยลงดวย

5. สรปผลการทดลอง

การตดตงอปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศนจะสามารถลดภาระการทาความเยนของเครองปรบอากาศได โดยเมอพจารณาผลการทดลองทดทสด พบวา เมอ อณหภมอากาศภายนอกประมาณ

29.5 c เมอนามาผานอปกรณแลกเปลยนความรอน ในชวงแรก

อณหภมอากาศจะลดลงอยางรวดเรว ลดไดประมาณ 1.6 c และ

หลงจากนนอณหภมจะลดลงไดชาลงคอลดไดประมาณ 0.8 c ซงผลสรปทไดจากการตดตงอปกรณแลกเปลยนความรอน จะแสดงไดดงน

สาหรบการนาอปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศไปใชงานจรง

สามารถตดตงไดดงรปท 4 และเนองจากการตดตง อปกรณน จะทาใหเกดความดนตกครอมระหวางอปกรณ ซงทาใหอตราการไหลของอากาศเปลยนไปจากระบบเดม ทไมไดตดตงอปกรณ ดงนนจงควรจะมการปรบแดมเปอรเพอรกษาใหอากาศทระบายออกหรออากาศทเตมเขามาภายในหองมปรมาตรประมาณ 10% ของปรมาตรอากาศทงหมดดงเชนระบบเดมทไมมการตดตงอปกรณดงกลาว

รปท 4 การตดตงอปกรณแลกเปลยนความรอนอากาศ

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณ ผศ.ดร.จตตน แตงเทยง ทใหคาปรกษา แนะแนวทางในการทาโครงงานรวมถงวธการแกไขปญหาทเกดขน และใหความชวยเหลอในเรองอปกรณตางๆ ทาใหโครงงานดาเนนสาเรจลลวงดวยด ขอบคณ รศ .ดร. วทยา ยงเจรญ ทใหความชวยเหลอเรองเครองมอวด และขอขอบคณ คณนสต ไสยลกษณ ทสละเวลาใหความชวยเหลอในการประกอบชดทดลอง รวมถงเครองมอทใชในการประกอบ


[1] Incorpera F., P., Dewitt, D., P., Bergman, T., L., and

Lavine, A., Introduction to heat transfer. 5th edition. Asia:

John Wiley & Sons (Asia), 2007.

[2] Janna W., S. Design of fluid thermal systems. 2nd edition.

Boston: PWS Publishing Company, 1998

[3] ปราโมทย เดชะอาไพ และนพนธ วรรณโสภาคย. ระเบยบวธเชง

ตวเลขในงานวศวกรรม.พมพครงท 6. สานกพมพจฬาลงกรณ. 2551


การเลอกระบบปรบอากาศภายในอาคารสาหรบโครงการ ASHRAE 2010 Student

Design Project Competition, กลมท 1

System Selection of ASHRAE 2010 Design Project Competition, Group 1

พรยา ต งเนาวรตน 4930333921, วฒพงษ ลคนลาวณย 4930502621 และ ศรณย ธารนย 4930509021 รศ. ฤชากร จรกาลวสาน (อาจารยทปรกษา) และ อ.ดร.เชดพนธ วทราภรณ (อาจารยทปรกษารวม)

บทคดยอ

โครงการนเปนโครงการททาเพอเขารวมการแขงข น ASHRAE 2010 Student Design Project Competition ซงเปนการแขงข นทจ ดขนทกป โดยโครงการนจะทาในสวนของหวขอ System Selection ซงมเนอหาหลกคอการ คานวณภาระการทาความเยนของอาคาร เลอกระบบทใชในการออกแบบโดยการคานวณราคาเปนมลคาตลอดชวงการใชงานเปนเวลา 20 ป และเมอเลอกไดจงออกแบบระบบอยางละเอยด โดยทระบบทเลอกไดจากการทาโครงการนคอ ระบบปรบอากาศแบบใชนาเยนโดยวงจรนาเยนเปนแบบทมอ ตราไหลของนาผานเครองทาความเยนไมคงท และวงจรลมเปนแบบทมการทาความเยนใหกบอากาศหมนเวยนจากภายนอกกอนแลวจงสงใหตรงยงเครองเป าลมเยน Abstract

This is a project for participating the “ASHRAE 2010 Student Design Project Competition” in selection part. The principles of the project are calculating cooling load of the system given by ASHRAE, choose a system that best serves the building by calculating 20 year life cycle cost and do a detail design for the chosen system. As a result, the best system selected from candidates is the chilled water system with variable flow chillers and dedicated outdoor air system.

1. บทนา

โครงการนเปนการออกแบบระบบปรบอากาศใหเหมาะสมกบอาคาร โดยมเนอหาต งแตการคานวณภาระการทาความเยน การเลอกระบบ และการออกแบบระบบปรบอากาศอยางละเอยด

2. ขอกาหนดในการออกแบบ

2.1 ขอกาหนดของอากาศภายในและภายนอกอาคาร

อาคารสวนทออกแบบเปนโรงพยาบาลทอยในรฐฟลอรดา ประเทศสหรฐอเมรกา มลกษณะเปนอาคาร 14 ช น ซงมช น 1 และ 2 เปนสานกงานและหองตรวจ และช น 4 ถง 14 เปนหองพกคนไข เนองจากโครงการตองการใหเกดประโยชนแกนกเรยนตางประเทศท

เขารวมโครงการ จงใหใชสภาพอากาศของประเทศน นๆ โครงการนจงใชขอกาหนดอากาศภายนอกอาคารเปนอากาศของกรงเทพฯ คอ 95.0 ˚FDB และ 82.8 ˚FWB 2.2 มาตรฐานในการออกแบบ

ระบบปรบอากาศของอาคารตองผานมาตรฐานของ ASHRAE คอ ASHRAE Standard 55-2004 [1], 62.1-2004 [2], 90.1-2004 [3] และ มาตรฐาน LEED [4] 2.3 ขอพจารณาในการออกแบบ

ทาง ASHRAE ไดกาหนดเกณฑทใชในการพจารณากรออกแบบดงตารางท 1 ตารางท 1 ขอพจารณาในการออกแบบและการใหนาหนก

ขอกาหนด นาหนก

ตรงตามขอกาหนดดานประสทธภาพ ผาน/ไมผาน ตรงตามขอกาหนดดานพนท ผาน/ไมผาน ตรงตามขอกาหนดดานภาระการทาความเยน ผาน/ไมผาน คาใชจายดานตนทน (First-cost) 0.2 คาใชจายเมอปฏบตงาน (Operating cost) 0.2 ความนาเชอถอ (Reliability) 0.15 ความยดหยน (Flexibility) 0.15 ความสามารถในการซอมแซม (Maintenance) 0.15 ผลกระทบตานสงแวดลอม 0.15 รวม 1

3. ภาระการทาความเยน

โครงการนไดใชทฤษฏ CLTD (Cooling Load Temperature Different) ในการคานวณหาภาระการทาความเยนของอาคาร ภาระการทาความเยนของอาคารมแหลงกาเนด 3 ประเภทคอ

แหลงกาเนดภายนอกหองปรบอากาศ ประกอบดวย อากาศอณหภมสงจากภายนอกอาคาร อากาศภายในอาคาร และแสงอาทตยทสองเขามาทางหนาตาง

แหลงกาเนดจากภายในหองปรบอากาศ ประกอบดวย ความรอนจากระบบสงสวาง คน และ เครองมอตาง ๆ


แหลงกาเนดจากอากาศภายนอกทเขามาหมนเวยน คอ

อากาศภายนอกทจะใชเขามาระบายอากาศภายในจะมอณหภมและความชนสงกวาภายใน

ทาการแบงพนทเพอใหสะดวกแกการคานวณภาระการทาความเยนและภาระการทาความเยนของท งอาคารมลกษณะดงรปท 1

รปท 1 แสดงภาระการทาความเยนของอาคารท งหลง

4.การเลอกระบบ

ระบบทใชในการเลอกน นแบบออกเปนระบบนา และระบบลม 4.1 ระบบนา

ระบบนาทจะใชเลอกมสองระบบคอ ระบบนาทมอ ตราการไหลของนาผานเครองทานาเยนคงทเปนระบบทแยกออกเปนสองวงจร คอ วงจรปฐมภมจะมอ ตราการไหลของนาคงท และวงจรทตยภมจะอตราไหลของนาแปรเปลยนตามภาระการทาความเยน สวนอกระบบคอระบบทมอตราการไหลของนาผานเครองทานาเยนไมคงท คอมเพยงวงจรเดยว และมเครองสบนาตวเดยวสบนาผานเครองทานาเยนและเครองสงลมเยน และมนาอตราไหลของนาแปรเปลยนตามภาระการทาความเยน ซงทาใหอ ตราการไหลของนาผานเครองทานาเยนไมคงท ระบบนมขอดคอใชเครองสบนาปฐมภมแคตวเดยว แตจะมขอเสยคอเครองทานาเยนทมการไหลของนาเยนไมคงทน นมการทางานทซบซอน และมการผลตนอยกวาเครองทานาเยนแบบทมการไหลของนาเยนคงท 4.2 ระบบลม

เนองจากอาคารทตองการออกแบบระบบทาความเยนน นเปนโรงพยาบาลซงจะตองใหความสาคญเรองความสะอาดของอากาศภายในโรงพยาบาล จงเลอกใชระบบลมทมการทาความเยนใหอากาศภายนอก (Dedicated Outdoor Air system) ซงระบบนจะนยมใชอยสองแบบคอแบบขนาน (สงอากาศหมนเวยนสหองปรบอากาศโดยตรง) และแบบอนกรม (สงอากาศหมนเวยนสเครองสงลมเยน) ซงแบบขนานมขอไดเปรยบคอ งายตอการควบคมปรมาณอากาศ และเครองสงลมเยนจะมขนาดเลก แตตองตอทอลมเพมขนเพอสงถงหองปรบอากาศ สวนแบบอนกรมมขอดคออากาศจะผสมกนดกวา แตกมขอเสยคอ เครองสงลมเยนตองทางานประสานกบ

การหมนเวยนของอากาศ หลงจากทกาหนดระบบทจะใชเลอกไดแลว ทาการออกแบบระบบทจะเลอกโดยคราว อทเชน วางทอลม ออกแบบวงจรนา หาจานวนเครองสบนา เลอกอปกรณ เพอใชเปนตนแบบของการเลอกระบบในหวขอตอไป 5. การพจารณาเลอกระบบ

สาหรบคาใชจายของระบบจะคานวณราคาเปนมลคาตลอดชวงการใชงานเปนเวลา 20 ป ซงสามารถทาไดโดยการคดหาตนทน คาแรงงานตดต งตางๆ ในปท 0 และหาคาใขจายในการปฎบตงาน บารงรกษา คดเปนมลคาเทยบกบปในป จจบ น (ปท 0) หลงจากน นใหคะแนนระบบตามนาหนกทกาหนดไวทตารางท 1 และเลอกใชระบบทมคะแนนมากทสด 6.สรป

ระบบทเลอกไดคอ ระบบนาคอระบบทมอ ตรากาลไหลของนาผานเครองทานาเยนไมคงทซงมขอดกวาในดานใชคาใชจายเมอการปฏบตงานนอยกวา และระบบลมคอระบบทมการทาความเยนใหอากศภายนอกแบบอนกรมซงมขอดกวาคอตนทนทราคาถกกวา เอกสารอางอง

[1] ASHRAE Standard 55-2004, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy [2] ASHRAE Standard 62.1-2004, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality [3] ASHRAE Standard 90.1-2004, Energy Standard for Building Except Low-Rise Residential [4] Green Building Rating System for New Construction & major Renovation, U.S. Green Building Council [5] 1989 ASHRAE Handbook, Fundamentals [6] 2005 ASHRAE Handbook, Fundamentals [7] Morris, W. 2003. “The ABCs of DOAS: dedicated outdoor air systems.” ASHRAE Journal 45 (5)


การออกแบบและปรบปรงกระบวนการอบกระดาษจากอากาศรอน

โดยใชพลงงานจากคอนเดนเซทมาชวยในการแลกเปลยนความรอนกบอากาศ Design of Drying Paper System from Hot Air

by Condensate Recovery ณฐชย เสมสนทด 4930128621, มญชรมย วฒพงศกล 4930392921 และ ศลษา วฒนบญยงเจรญ 4930513521

ณฐเดช เฟองวรวงศ (อาจารยทปรกษา) บทคดยอ โครงงานนเปนโครงงานทท าการศกษา ออกแบบ และปรบปรงระบบกระบวนการอบกระดาษในโรงงานผลตกระดาษ ซงจะน าคอนเดนเซททมความรอนเหลออยกลบมาใชใหเกดประโยชน โดยในทนจะน ามาชวยในการใหความรอนกบอากาศทจะน าไปเปากระดาษอกดานหนง ซงจะชวยในการลดการใชไอน าจากไอน าสายหลก ท าใหสามารถทจะประหยดเชอเพลงในการผลตได จากการออกแบบระบบอบกระดาษ ซงจะใชเครองแลกเปลยนความรอนแบบไหลขวางกนโดยมฟนอย ซงจะไดขอสรปวา การน าคอนเดนเซทไปใชในทนทโดยไมจ าเปนตองอาศยการท าใหเปนไอน ากอน ซงสามารถทใหความรอนกบอากาศไดถง 70 องศาเซลเซยส และสามารถทจะลดการใชไอน าจากหมอตมน าไดถง 250 kg/hr Abstract This objective of this study is to design hot air heater for paper dryer by using condensate recovery. In paper drying process, there are 2 equipments using steam, a drying drum and hot air heater. Hot air from the hot air heater is blown to the paper for drying wet paper. The hot air is heated by 2 bar(g) pressure steam from a lignite boiler. Condensate from the drying drum is 2 bar(g). However the condensate is return to the boiler at atmospheric pressure. The condensate should be used for pre-heating air before the conventional the hot air heater. In this study, the temperature of pre-heating hot air is heated to 70 °C. Thus, the saving of the steam consumption is 250 kg/hr. 1. บทน า ในปจจบนนนการอนรกษพลงงานถอเปนสงส าคญอยางยง ซงพลงงานทไดนนมากจากน ามน กาซธรรมชาต ถานหน ฯลฯ ซงเปนทรพยากรธรรมชาตทมจ านวนจ ากด และจ านวนทมอยน นลดลงเรอยๆตามการใชของมนษย ในโครงการนจงเปนการออกแบบระบบและเครองแลกเปลยนความรอนใหม ส าหรบโรงงานผลตกระดาษ ซงจะเปนการน าความรอนทมอยในคอนเดนเซทมาชวยในการอนอากาศ โดยหลกการนมการใชอยในโรงงานทวไป เชน การน าคอนเดนเซทไปใชในการอนน ากอนทจะเขาหมอตมน า ท าใหสามารถจะประหยดพลงงานได หรอ การน าเอาอากาศเส ยทมความรอนสงไปอนอากาศกอนเขาเตาเผาท าใหเพมประสทธภาพของเตาและลดการใชเชอเพลงได ดงนนในหลกการเดยวกน จงน าคอนเดนเซททยงมความรอนอยมาใชในการอนอากาศ เพอลดการใชไอน าจากหมอไอน าทใชในการอนอากาศเชนกน เพราะฉะนนจดประสงคของโ ครงงานนคอ การน าเอา

คอนเดนเซทมาชวยในการแลกเปลยนความรอนกบอากาศเพอลดการใชไอน าจากหมอตมน า ซงท าใหประหยดเชอเพลงในการผลตไอน าได 2. ทฤษฏทใชในการออกแบบ

ในการออกแบบเครองแลกเปลยนความรอนนนจะใชวธการของ Effectiveness-NTU ซงมสมการดงน[1] ε = q qmax (1) โดยท ε คอประสทธภาพของเครองแลกเปลยนความรอน q คอ ปรมาณความรอนของเครองแลกเปลยนความรอนตองการ และ qmax คอ ปรมาณความรอนสงสดทเครองแลกเปลยนความรอนสามารถท าไดซงหาไดจาก 𝑞𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑚𝑖𝑛 (𝑇𝑖 .1 − 𝑇𝑖 ,2) (2)

โดยท 𝐶𝑚𝑖𝑛 คอ ผลคณของอตราการไหลเชงมวลและคาความจความรอนของของไหล และ 𝑇𝑖 .1 และ 𝑇𝑖 .2 คอ อณหภมขาเขาทงสองของของไหล

สวนในการหาประสทธภาพเครองแลกเปลยนความรอน หาไดจาก คาของ 𝑁𝑇𝑈 ซงจะสามารถหาคาของ 𝑁𝑇𝑈 ไดจากสมการ 𝑁𝑇𝑈 = 𝑈𝑜𝐴𝑜 𝐶𝑚𝑖𝑛 (3) โดยท 𝑈𝑜 คอ คาสมประสทธการถายเทความรอนและ𝐴𝑜 คอพนททงหมดทใชในการแลกเปลยนความรอนและการค านวณหาปรมาณความรอนของไอน าค านวณไดจาก

คอนเดนเซท 𝒒 = 𝒎𝒄𝒐𝒏𝒅𝒄𝒑,𝒄𝒐𝒏𝒅(𝑻𝒊 −𝑻𝒐) (4) ไอน ำ 𝑞 = 𝑚𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑕𝑓𝑔 ,𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 (5)

สวนตอมานนคอการหาประสทธ ภาพของหมอตมน าซงหาไดจาก 𝑒𝑓𝑓 = 𝑚 𝑕𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑚 𝑕𝑓𝑢𝑒𝑙 (6) ซง 𝑚 𝑕 คอ อตราการไหลคณดวยคาสมประสทธการใหความรอนของไอน าหรอเชอเพลงทใช ซงในทนหมอตมน าจะมประสทธภาพเทากบ 0.7477 และคาสมประสทธการใหความรอนของเชอเพลงซงเปนลกไนตเทากบ 22071.7 kJ/kg 3. การออกแบบเครองแลกเปลยนความรอนและผลการออกแบบ

จากรปท 1 เปนแผนภาพของระบบเกาของโรงงานทจะท าการ ปรบปรงระบบเพอลดการใชไอน าจากหมอน าลง ซงอตราการไหลของไอน าขาเขาระบบ 1,200 kg/hr และมความดน 2 barg ซงจะแบงออกเปน 2 ทาง โดยทางท 1 จะเขาลกอบมอตราการไหล 800 kg/hr และทางท 2 จะเขาเครองแลกเปลยนความรอนมอตราการไหลเทากบ 400 kg/hr โดยทอากาศทน ามาเปากระดาษจะตองมอณหภม 120 องศาเซลเซยส


รปท 1 แผนภาพของระบบอบอากาศในโรงงาน

ดงนนในโครงงานนจะเปนการปรบปรงระบบโดยน าเอาคอนเดนเซททออกจากลกอบทมอตราการไหล 800 kg/hr มาใช ซงจะออกแบบระบบใหมออกมาได 2 ระบบ ดงรปท 2 และ 3 โดยจะเหนไดวาเครองแลกเปลยนความรอนจะถกแบงออกมาเปน 2 สวน เพอใหคอนเดนเซทเขาไปชวยในการอนอากาศได ซงในการออกแบบเครองแลกเปลยนความรอนจะตองพจารณาถงพารามเตอรตางๆไดแก ระยะหางระหวางทอในแนวตงและแนวนอน ขนาดของทอภายในเครองแลกเปลยนความรอน และขนาดของฟนทท าการตดตง

รปท 2 แผนภาพระบบอบอากาศระบบท 1

รปท 3 แผนภาพระบบอบอากาศระบบท 2 ในการออกแบบระบบทง 2 ระบบนนจะมปจจยในการเลอกระบบท

จะน ามาออกแบบอย 3 ปจจย คอ 1. ความดนตกครอมของอากาศทผานเครองแลกเปลยนความรอน 2. ปรมาณความรอนของคอนเดนเซทหรอไอน าของระบบทง 2 ท

ใหกบเครองแลกเปลยนความรอน 3. ความสามารถในการใหความรอนกบอากาศจนถง 120 องศา

เซลเซยส ของอตราไหลของไอน าทค านวณได หลงจากทพจารณาปจจยปรมาณความรอนของคอนเดนเซทและไอน าทสามารถท าไดนน โดยอาศยสมการท 4 และ 5 จากการค านวณนนจะพบวา ระบบท 1 มผลตางของอณหภมของคอนเดนเซทประมาณ 60

ซงจะเหนไดวาความสามารถใหปรมาณความรอนของระบบท 1 มากกวาระบบท 2 ซงจะแสดงผลดงตารางท 1

ตารางท 1 ปรมาณความรอนจากคอนเดนเซทและไอน า คอนเดนเซท ไอน า

ระบบท 1 ระบบท 2 อตราการไหล (kg/hr) 800 14.11 ปรมาณความรอน 56,999.33 31,425.86 ดงนนจงท าการพจารณาแตระบบท 1 ซงเมอพจารณาปจจยทมผลตอการออกแบบนนพบวา มเพยงคาระยะหางระหวางทอในแนวนอนเทากบ 1.25 และ 1.5 เทาของขนาดทอเทานนทสามารถให อณหภมถง 120 องศาเซลเซยส ซงจะแสดงผลดงตารางท 2 โดยในการค านวณหาจ านวนเงนทประหยดไปไดนนจะอาศยสมการท 6 ในการค านวณออกมาซงจะได ปรมาณเชอเพลงทลดไดออกมาซงเชอเพลงทใชคอ ลกไนตมราคาปจจบน อยท 2.3 บาทตอกโลกรม

ตารางท 2 ตารางเปรยบเทยบผลการวเคราะห SL/D = 1.25 SL/D = 1.5 ความดนตกครอม, Pa 403.67 339.08 อณหภมขาออกจากสวนท 1, 71.59 68.69 อณหภมขาออกจากสวนท 2, 120.97 120.12 ระยะระหวางผวของทอ, m 3.425 6.85 อตราการไหลไอน าทลดได, kg/hr 268.98 260.66 จ านวนเงนทประหยดได, บาท/ป 1,068,866 1,035,780

จากตารางท 2 จะเหนไดวาระยะหางระหวางทอในแนวนอนมคาเทากบ 1.25 เทา นนสามารถประหยดการใชไอน าไดมากกวา แตเนองจากมความดนตกครอมมากกวา และ ระยะระหวางผวทอทนอยกวาซงมผลในการผลตเปนอยางมาก ดงนนในการออกแบบจงเลอกระยะหางระหวางทอในแนวนอนและแนวตงเทากบ 1.5 เทาของขนาดทอ ซงสามารถทจะประหยดเชอเพลงไดเปน 1,035,780 บาทตอป เมอพจารณาคาตดตงและคาอปกรณทใชมคาประมาณ 400,000 บาท ดงนนระยะเวลาคนทนคอ 0.386 ป 4. ผลสรป

จากการศกษาและออกแบบเครองแลกเปลยนความรอนทน าคอนเดนเซทมาชวยในการแลกเปลยนความรอนกบอากาศนน จะเลอกเครองแลกเปลยนความรอนแบบไหลขวางกนแบบมฟน ซงขนาดของ เสนผานศนยกลางภายนอกนนมคาเทากบ 13.7 mm และมระยะหางระหวางทอทงในแนวตงและแนว นอนเทากบ 1.5 เทาของขนาดทอ โดยทขนาดของฟนนนมคาเทากบ 0.1 mm และระยะหางระหวางฟนเทากบ 1 mm ซงเครองแลกเปลยนความรอนนสามารถทจะลดการใชไอน าไดเทากบ 250 kg/hr ซงคดเปนเงนเทากบ 1,035,780 บาทตอป มระยะเวลาคนทนอยท 0.386 ป

5. เอกสารอางอง 1. Incropera, DeWitt, Bergiman, Lavine.Introduction to Heat

Transfer 5th Edition


การออกแบบระบบปรบอากาศภายในอาคารโรงพยาบาล เพอการแขงขนในโครงการ ASHRAE 2010 Student Design Project Competition HVAC System Design for ASHRAE 2009 Student Design Project Competition

ธรช กณฐาภรณ 4930211021, วส ประเสรฐยง 4930469621 , วชรากร โชตโก 4930474721 และ วโรจน สงหโรจนากล 4930489121

อ.ดร.เชดพนธ วทราภรณ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานทางวศวกรรมนมจดประสงคเพอการออกแบบระบบปรบอากาศภายในโรงพยาบาล ซงตงอยทรฐฟลอรดา สหรฐอเมรกา โดยตองออกแบบภายใตเงอนไขโจทยททาง ASHRAE ไดก าหนดขน รวมไปถ งตองค านง ถงความเหมาะสมในดา นการประหยดพลงงาน และมาตรฐานของ ASHRAE ซงขนตอนในการออกแบบคอ การค านวณภาระท าความเยน การเลอกชนดของระบบ การออกแบบทอลมและทอน า สดทายคอการเลอกอปกรณในระบบปรบอากาศ ซงผลของการออกแบบทได คอ ภาระท าความเยนของอาคารเทากบ 1600 ตน ระบบทเลอกใชคอระบบ Water Cooled Chiller และผลการออกแบบระบบทไดตามมาตรฐานของ ASHRAE และ LEED Abstract This senior project is designing Air-Conditioning system for the hospital in Florida USA. The designing is based on Saving energy in the building, ASHRAE standard 55,62.1,90. The procedure of this project is 1. Calculate the cooling load 2. Choose the suitable system 3. Design and calculate the duct and chilled water pipe 4. Choose the equipment for the Air-Conditioning system. The result of designing is the cooling load of this hospital is 1600 ton, the suitable system is Water Cooled Chiller and the duct and chilled water pipe that based on ASHRAE standard and LEED. 1. บทน า เนองจากประเทศไทยมสภาพภมอากาศรอนชน ดงนนพลงงานสวนใหญทใชภายในอาคารจงเกดจากระบบปรบอากาศ ถาระบบปรบอากาศทใชไมมประสทธภาพ จะท าใหเกดการใชทรพยากรอยางสนเปลองและเสยคาใชจายจ านวนมาก ดงนนการออกแบบระบบปรบอากาศจงมงเนนใหระบบปรบอากาศมประสทธภาพสง สงผลกระทบตอสงแวดลอมนอยทสด รวมทงท าใหผอยอาศยภายในอาคารรสกสบาย ซงผลการออกแบบระบบตองสอดคลองกบมาตรฐานของ ASHRAE 2. ทฤษฎทใชในการค านวณ ทฤษฎทใชนการแบบระบบปรบอากาศนสวนใหญเปนทฤษฎ

เกยวกบของไหลและการถายเทความรอน ดงเชน ทฤษฎการปรบอากาศซงมพนฐานมากจากความรทางเทอรโมไดนามกส และทฤษฎการไหลในทอซงใชทฤษฎพนฐานของของไหลและความเสยดทาน ในทอ 2.1 ทฤษฎการค านวณภาระการท าความเยน

ในการด าเนนการออกแบบระบบปรบอากาศภายในโรงพยาบาล สงส า คญทสด คอ การค านวณภาระการท าความเยนซงเปนจดเรมตนในการท างาน เปนขนตอนน าไปสการเลอกประเภทของระบบปรบอากาศทเหมาะสม ภาระการท าความเยนประกอบดวย 3 สวนทส าคญ คอ ความรอนทไดรบจากภายนอกซงประกอบไปดวยความรอนทผานหลงคา ผนง กระจก และพน, ความรอนทเกดขนภายในเปนความรอนทเกดจากคน ไฟสองสวาง เครองใชไฟฟาและอปกรณตางๆ และความรอนจากระบายอากาศ 2.2 ทฤษฎการออกแบบและค านวณขนาดทอลมและทอน า ระบบทอลมเปนระบบทจายอากาศทถกปรบใหเหมาะสมแลว ไปยงพนทปรบอากาศ โดยตองค าน งถงเรองการกระจายลมทเหมาะสม เรองพนทใตฝาเพดานทวางขนาดทอลมใหพอเหมาะ การค านงถงเรองเสยงทจะเกดขนขณะทลมผานหวจายลมออกมาสพนทปรบอากาศ วธการค านวณขนาดทอลมนน มอยหลายวธ ไดแก วธความเสยดทานเทากน (Equal Friction) วธชดเชยความดน (Static Regain) และวธแบบท (T-Method) ซงในโครงงานนไดเลอกใชวธความเสยดทานเทากนในการค านวณขนาดทอลม ซงมหลกการคอก าหนดใหความเสยดทานตอความยาวทอ 100ฟต มขนาดเทากนในทกชวงของทอ ซงวธนเปนวธทงายและสะดวกในการค านวณ ในสวนของการออกแบบระบบทอน า จะใชวธเดยวกนกบทอลมคอ ก าหนดใหความเสยดทานตอความยาวทอ 100ฟตเทากนในทกชวงของทอ แลวจงเลอกขนาดทอน าจากกราฟ โดยเลอกจากอตราการไหลของน าและความเสยดทานตอความยาวทอ 100ฟต 3. ขอก าหนดในการออกแบบ ในการอ อกแบบโครงการนทางกลมไดรบมอบหมายใหท าการออกแบบระบบปรบอากาศในโครงสรางอาคารซงก าหนดโดย


ASHRAE โดยออกแบบภายใตขอก าหนดและมาตรฐานของ ASHRAE ไดแก [1], [2], และ [3] นอกจากนยงตองค านงถงขนาดและความเหมาะสมของระบบทเลอกใช ความคดสรางสรรคในกา รออกแบบ และเปนไปตามขอก าหนดทางสงแวดลอมตามมาตรฐาน LEED 3.1 การค านวณภาระการท าความเยน

ในการค านวณภาระการท าความเยนไดท าการค านวณโดยใชขอมลของ ASHRAE โดยเรมจากการค านวณภาระท าความเยนโดยวธ CLTD/CLF และท าการเปรยบเทยบการค านวณโดยใชโปรแกรม TRACE 700 version 6.1 เพอความถกตอง ซงไดผลการค านวณเปรยบเทยบของทง 2 วธ มคาตางกนประมาณ 1 เปอรเซนต ดงนนในการค านวณภาระท าความเยนภายในโรงพยาบาลทงหมดจงค านวณโดยใชโปรแกรม TRACE 700 version 6.1 ซงภาระความเยนทเกดขนทงหมดภายในตกนสามารถสรปไดดงตารางท 1

ตารางท 1 ผลการค านวณภาระการท าความเยน ชนท คาภาระการท าความเยน(ตน)

1 240 2 190 3 90

4-13 95 14 130 รวม 1600

3.2 การเลอกระบบ ส าหรบการเลอกระบบปรบระบบปรบอากาศทใชในการออกแบบครงน พจารณาถงความสามารถในการท าความเยน เปนอนดบแรก ซงจากการศกษาหาขอมลระบบปรบอากาศและการค านวณภาระท าความเยนพบวา คาภาระท าความเยนทจ าเปนตองใชคอ 1600 ตน ซงมระบบปรบอากาศทใชไดเพยงระบบเดยว คอ ระบบ Water Cooled Chiller 3.3 การออกแบบระบบทอลม ในการออกแบบทอลมขนแร กตองท าการแบงพนททตองการลมในสภาวะเดยวกนใหใชทอลมเดยวกน จากนนจงเรมท าการเดนทอลมโดยค านงถงความสะดวกในการซอมบ ารงและการใชงานเปนหลก ตอมาจงค านงถงความเสยดทานในทอโดยการเดนทอใหมการใชทอตรงมากทสดและใชขอตอเทาทจ าเปน จากน นท าการหาขนาดทอโดยการเลอกใชความเรวซงไมท าใหเกดเสยงดงเกนกวามาตรฐานก าหนดและตองมการพจารณาถงขนาดพนทในการตดตงควบคกนไปดวย 3.4 การออกแบบระบบทอน า ในการออกแบบระบบทอน าในระบบปรบอากาศนน ในขนตอนแรกสงทส าคญในการออกแบบคอตองทราบอตราการไหลของน าในทอโดยค านงถงการประหยดพลงงาน และความเหมาะสม

ตางๆเชน เสยงทเกดขนจากการไหลของทอ และการสกกรอนของทอน า ในการค านวณหาขนาดทอน าในระบบไดใชวธการก าหนดใหแรงเสยดทานในทอไมเกน 2 ฟตตอทอ 100 ฟตตามมาตรฐานของการออกแบบททาง ASHRAE ไดก าหนดขน 4. การเลอกอปกรณในระบบ ในการเลอกอปกรณในระบบท าความเยนไดเลอกเฉพาะอปกรณทส าคญประกอบไปดวยเครองสงลมเยน (Air Handing Unit) ,เครองเปาลมเยน(Fan Coil Unit ),เครองท าน าเยน (Chiller)และหอผงเยน (Cooling Tower) ซงสามารถสรปจ านวนอปกรณทใชทงในโรงพยาบาลไดดงตารางท 2

ตารางท 2 ตารางสรปอปกรณทใชภายในอาคาร

อปกรณ จ านวน เครองสงลมเยน (AHU) 35ตว เครองเปาลมเยน(FCU) 66ตว เครองท าน าเยน Chiller) 2ตว (ส ารอง 1ตว)

หอผงเยน (Cooling Tower) 2ตว (ส ารอง 1ตว)

5. สรป การออกแบบระบบปรบอากาศทใชคอ Water Cooled Chiller โดยมการจายลม 2 แบบ คอ ระบบจายลมแบบอตราคงท (CAV) และระบบจายลมแบบอตราลมไมคงท (VAV) ขนอยกบความเหมาะสมของพนท โดยออกแบบใหอ ณหภมภายในหองอยท 75°F เสยงทเกดจากทอลมไมเกน 30 DB และมการระบายอากาศทดตามมาตรฐาน ASHARE ซงท าใหผอยอาศยภายในอาคารรสกสบาย มประสทธภาพสงและสงผลกระทบตอสงแวดลอมนอย กตตกรรมประกาศ โครงงานนไดรบกา รสนบสนนทางขอมลผลตภณฑ และโปรแกรมเกยวกบการออกแบบระบบปรบอากาศ จากบรษท แอรโค จ ากด (เทรน ประเทศไทย ) และไดรบค าแนะน าในการท าโครงการจาก ดร.เชดพนธ วทราภรณ อาจารยทปรกษาของโครงงาน ผศ .ดร.ตลย มณวฒนา และ รศ .ดร .ฤชากร จรกาลวสาน อาจารยผสอนวชาการออกแบบระบบปรบอากาศ 8. เอกสารอางอง [1] ASHRAE STANDARD 55-2004 Thermal Environmental

Conditions for Human Occupancy, ASHRAE, 2004. [2] ASHRAE STANDARD 62.1-2007 Ventilation for Acceptable

Indoor Air Quality, ASHRAE, 2007. [3] ASHRAE STANDARD 90.1-2004 Energy Standard for

Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, ASHRAE, 2004.

[4] U.S. Green Building Council , LEED 2009 FOR NEW CONSTRUCTION AND MAJOR RENOVATIONS


การหาขนาดถงเกบนารอนทเหมาะสมในระบบทานารอนพลงงานแสงอาทตยทใชในภาคครวเรอน Finding optimal storage tank of solar hot-water system for household use

บวรรตน ธนสตยาวบล 4930246021 และ สรยศ ชนกาญจนโรจน 4930540421

รองศาสตราจารย ดร. วทยา ยงเจรญ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ เนองจากในปจจบนพลงงานเปนสงจาเปนตอการดารงชพของมนษย โดยสวนใหญเปนการใชพลงงานเพอการอานวยความสะดวกสบาย เชน การใชเครองทาอน เปนตน ดงน <นทางกลมของขาพเจาจงไดออกแบบและเลอกระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยทเหมาะสมกบการใชงานในภาคครวเรอนขนาด 3 หองนอน 2 หองน<า โดยทา Conceptual Design สามารถเลอกไดระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยทมตวดดซบแบบทอสญญากาศ จากน <นทดสอบหาประสทธภาพของระบบทาน<ารอนต <งแตวนท 27 ธนวาคม 2552 ถง 18 มกราคม 2553 และนาผลการทดสอบมาออกแบบโปรแกรมเพอหาขนาดถงเกบน<ารอน ขนาดแผงรบแสงอาทตย และขนาดฮตเตอร Abstract Today’s world, the energy is necessary to living people. The majority of the energy to facilitate ease of use such as a water heater, etc. Therefore, our group is to design and select a solar hot-water system which is suitable for use in household size with 3 bedrooms, 2 bathrooms. Doing Conceptual Design is able to select the solar heat absorbed a vacuum tube. Then, testing for finding effectiveness of solar hot-water systems during December 27, 2009 to January 18, 2010. We use the results from the testing in order to find storage tank, solar panel and heater for household use. 1. บทนา โครงงานน<เปนการออกแบบระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยทมขนาดเพยงพอกบการใชงานในภาคครวเรอน และออกแบบโปรแกรมเพอหาขนาดถงเกบน<ารอน แผงรบแสงอาทตย และขนาดฮตเตอร ทมขนาดทาความรอนเพยงพอกบการใชงาน 2. ระบบทานารอนพลงงานแสงอาทตยและเครองมอวดตางๆ ระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยมสวนประกอบดงน< แผงรบแสงอาทตยเปนอปกรณทใชรบพลงงานจากแสงอาทตยแบงตามลกษณะภายนอกได 3 แบบ คอ แผงรบแสงอาทตยแบบรวมแสง, แผงรบแสงอาทตยแบบพาราโบลก และแผงรบแสงอาทตย แบบระนาบ แผงรบแสงอาทตยแบบระนาบจะมตวดดซบแสง 3 แบบ ไดแก ตวดดซบแบบฮตไปป, ตวดดซบแบบทอและครบและตวดดซบแบบ

ทอสญญากาศ การใชงานในแตละแบบน <นข<นอยกบความตองการของผใช นอกจากน<ถงเกบน<ารอนทมท <งแบบต <งและแบบนอน และฮตเตอรทตองใชแบบจม กเปนสวนประกอบของระบบทาน< ารอนพลงงานแสงอาทตยเชนกน 3. มาตรฐาน ASHRAE 93-77 การหาประสทธภาพของระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยแบบระนาบ ความรอนทน<าไดรบ qU ประสทธภาพของแผงรบแสงอาทตย โดยความรอนทไดรบจากพลงงานแสงอาทตยจะถายเทสน<าดงน <นสองสมการบนจงเทากน

ASHRAE จงไดแนะนาใหจดรปของสมการโดยใชคาแฟคเตอรของการดดความรอนของแผงรบพลงงานแสงอาทตย เพอใหสามารถใชอณหภมของน<าเขาแผงรบพลงงานแสงอาทตยแทนอณหภมของแผนดดซบความรอนไดดงน<

4. Conceptual Design การทา Conceptual Design เปนกาหนดเงอนไขการออกแบบใหสอดคลองกบการใชงานของผใชโดยเลอก ระบบทาน< ารอนพลงงานแสงอาทตยทมตวดดซบแบบทอสญญากาศ 5. การทดสอบระบบทานารอนพลงงานแสงอาทตย การทดสอบระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยม 2 ข <น 5.1 การปรบมมแผงรบแสงอาทตย

การปรบมมของแผงรบแสงอาทยเพอใหแผงรบแสงอาทตยสามารถรบแสงอาทตยแบบต <งฉากกบแผงรบแสงอาทตย โดยมมทใช

รปท 1 ระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตยทเลอก


ปรบคอ 30o เปนมมระหวางระนาบของแผงกบพ<น 5.2 การทดสอบระบบทานารอนพลงงานแสงอาทตย การทดสอบเรมจากการตดเครองมอวดตามรปท 2

รปท 2 ตาแหนงการตดต <งเครองมอวด

จากน <นเปนการตดต <งเครองอปกรณของระบบไดแก ชดหมนเวยนน<าและแผนฟอยลสะทอนแสง ข <นตอนตอไปการต <งคาโปรแกรม Fluke เพอใหดาตาลอกเกอรบนทกคาทกๆ 2 นาท สาหรบการทดลองในแตละวนเรมต <งแต 9 นาฬกาถงประมาณ 16 นาฬกา โดยทกๆ ช วโมงตองทาการหมนเวยนน<า เพอไมใหเกดการแยกช <นของอณหภมน<า 6.การวเคราะหผลจากการทดสอบและออกแบบโปรแกรม 6.1 การวเคราะหผลจากการทดสอบ ทางโครงการทาการทดสอบ 9 วน ทอณหภมน<าต <งแต 34 – 91 องศาเซลเซยส เพอใหขอมลทางประสทธภาพททดสอบไดน <นครอบคลมการทางานทใชในภาคครวเรอน และการหาคาประสทธภาพจะหาในรายช วโมง และพลอตกราฟในรปของสมการตามมาตรฐาน ASHRAE 93-77 ดงแสดงในรปท 3

เมอไดคา Fr และ Fu ของระบบทาน<ารอนดงกลาว จากน <นจงนา

ขอมลทไดมาออกแบบโปรแกรมเพอหาขนาดถง ขนาดแผงและขนาดฮตเตอรทสามารถตอบสนองความตองการของภาคครวเรอนได 6.2 การออกแบบโปรแกรม Flow Chart การออกแบบระบบทาน<ารอน

หมายเหต การคานวณคดเปนแบบรายช วโมงต <งแต 8.00 – 17.00 น จากน <นนาขอมลของผใชงาน คอ ปรมาณการใชน<า อณหภมน<ารอนทตองการ มาใสในตวโปรแกรมในทน<ขนาด 3 หองนอน 2 หองน<า กาหนดใหวามผอยอาศยจานวน 5 คน ตองการน<ารอนท 55 องศาเซลเซยส จากน <นโปรแกรมคานวณจากขอมลของป 2007 ในรายช วโมง จะไดขนาดถง ขนาดแผง และขนาดฮตเตอรตามลาดบ

นอกจากน<ในโปรแกรมจะแสดงขอมลวาวนใดบางทตองใชฮตเตอร โดยแสดงในรปท เพอนามาใชในการประกอบการตดสนใจในการเลอกขนาดของแผงได

รปท 4 ตวอยางกราฟแสดงจานวนวนทตองใชฮตเตอร 7. สรป ขนาดครวเรอน 3 หองนอน 2 หองน<า จานวนผอาศย 5 คน ใชระบบทาน< ารอนพลงงานแสงอาทตยแบบทอสญญากาศเมอใชโปรแกรมสามารถทจะหาขนาดถงได 150 ลตร ขนาดแผง 2 ตารางเมตร ขนาดฮตเตอร 1.2 กโลวตต โปรแกรมสามารถทจะหาขนาดถงเกบน<ารอน ขนาดแผงรบพลงงานแสงอาทตยแบบอนไดโดยตองมคาทไดทดลองตามมาตรฐาน ASHRAE 93-77 และยงสามารถทจะออกแบบกบระบบครวเรอนทมขนาดความตองการน<ารอนตางๆกนได 8. กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณ รศ. ดร.วทยา ยงเจรญ ทใหคาปรกษาและคาแนะนาตางๆ และขอขอบคณบรษท 88 แปซฟก จากด ทใหความอนเคราะหระบบทาน<ารอนพลงงานแสงอาทตย 9. เอกสารอางอง [1] Duffie, A.J. and W.A. Beckman.1974 .Solar Thermal

Processes. Cannada.John Wiley & Sons [2] ASHRAE , Fundamental Vol.,2003 [3] เบญจมาศ ปยออก.การหาประสทธภาพของระบบผลตน<ารอน

พลงงานแสงอาทตย.พฤษภาคม 2550

*เครองมอวดในรป - CH1 คอ Pyranometer - CH2, CH3, CH4 และ

CH5 คอ Thermocouple

รปท 3 กราฟสมการเสนตรงเพอหาคา Fr และ Fu


การออกแบบระบบปรบอากาศภายในอาคารส าหรบ โครงการ ASHRAE 2010 Student Design Project Competition

HVAC System Design for ASHRAE 2010 Student Design Project Competition

ชลธชา พชตพรรณ 4930089821, ณฐพล พทธพงษ 4930136621, บศรนทร ปยะเจรญวฒนา 4930251021 และ ปภาวด โอภาสสวฒน 4930264221

อ..ดร. เชดพนธ วทราภรณ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานนมวตถประสงคเพอ ออกแบบระบบปรบอากาศในอาคารGinsburg Tower ของโรงพยาบาลฟลอรดา ในรฐออลนโด ประเทศสหรฐอเมรกา การออกแบบระบบปรบอากาศในอาคารนจะตองยดตามมาตรฐาน ASHRAE และใชสภาพภมอากาศของกรงเทพมหานครในการออกแบบ โดยท าการค านวณหาภาระการท าความเยน และเลอกระบบท าความเยนทเหมาะสม คอระบบระบายความรอนดวยน า และออกแบบระบบทอลม และทอน า รวมทงอปกรณทเกยวของในระบบ โดยการออกแบบตองค านงถงก ารใชพลงงานและผลกระทบตอสงแวดลอมดวย

Abstract The objective of this project is to design heating, ventilating and air conditioning system for Ginsburg Tower at Florida Hospital, Orlando, USA. This HVAC system design has to follow ASHRAE Standards and use Bangkok climate for the designing. This system design has to calculate the cooling load and choose the appropriate system for the building and the water-cooled system is selected. We also design the air duct system , water piping system and the relevant equipments in the system. The system design has to concern about saving energy and the effects to the environment. 1. บทน า

โรงพยาบาลเปนสถานททมการแพรกระจายของเชอโรค จงตองมระบบปรบอากาศทท าใหคณภาพอากาศดและเกดความสบายแกผอยอาศย เนองดวยการใชระบบปรบอากาศสงผลกระทบตอการใชทรพยากรและสงแวดลอม การออกแบบจงมงเนนการลดการใชพลงงาน อปกรณทเป นมตรกบสงแวดลอมและสอดคลองกบมาตรฐานของระบบปรบอากาศ โครงงานนจดท าขนภายใตหวขอโครงการแขงขนออกแบบระบบปรบอากาศของสมาคมปรบอากาศของสหรฐอเมรกา (ASHRAE) เพอสงเขารวมแขงขนในโครงการแขงขนนดวย

2. ทฤษฎเบองหลง

ทฤษฎทใชเปนพนฐานใน การออกแบบ จะเกยวของกบพนฐานดานเทอรโมไดนามกส การถายเทความรอน ระบบปรบอาก าศและพนฐานของของไหลในทอ ซงในทนจะลาวถงแตทฤษฎทเกยวของกบการออกแบบโดยตรง โดยจะไมกลาวถงทฤษฎทงหมด 2.1 การค านวณภาระการท าความเยน

การค านวณภาระท าความเยนเป นขนตอนทมความส าคญอยางยง เพราะปรมาณของภาะภาระท าความเยนจะเปนปจจยในการเลอกประเภทของระบบปรบอากาศ และขนาดของอปกรณตางๆทใชในระบบ

ภาระการท าความเยน คออตราความรอนทขจดออกจากอากาศในปรเวณปรบอากาศเพอรกษาอณหภมภายในทตองการ ภาระการท าความเยนประกอบดวย 3 สวนดวยกน ไดแก ความรอนทไดรบจากภายนอกผานหลงคา ผนง กระจก และพน , ความรอนทเกดขนภายในจากคน ไฟสองสวาง เครองใชไฟฟาและอปกรณตางๆ และความรอนจากการรวซมของอากาศและการระบายอากาศ

2.2 ระบบทอ ในระบบปรบอากาศจะประกอบดวยระบบทอลมและระบบทอน า ซงในการออกแบบระบบทงสองชนด จะใชวธความเสยดทานเทากน (Equal Friction) คอก าหนดคาความเสยดทานในชวง 100 ฟตของทอใหมคาเทากนตลอดทงระบบ

2.3 ความดนสญเสยในระบบทอ ความดนสญเสยในระบบทอสามารถแบงออกไดเปน การสญเสยหลก (Major loss) และการสญเสยรอง (Minor loss)

การสญเสยหลก มสาเหตมาจาก แรงเสยดทาน (Friction) การสญเสยรอง เกดขนเมอมการเปลยนแปลงรปแบบการไหล

อยางทนททนใด เชน การกดขวางของการไหล หรอการเปลยนแปลงความเรวหรอทศทางของการไหล ดงนน จงเกดขนในขอลด ขอขยาย วาลว ขอตอ ของอ ทางเขาและทางออกจากทอ

3. ผลการออกแบบระบบปรบอากาศ การออกแบบระบบปรบอากาศ ตองออกแบบใหเกดความ สอดคลองกบมาตรฐานททาง ASHRAE ซงไดแก ASHRAE Standard 55,


ASHRAE Standard 62.1และASHRAE Standard 90.1 อกทงตองใหเกดความเหมาะสมกบลกษณะ การใชงานของอาคาร โดยท าการเปรยบเทยบขอด -ขอเสยของระบบปรบอากาศประเภทตางๆในแงของ ประสทธภาพของระบบ ความสามารถในการท าความเยนขนาด พนททตองใชในการตดตง เงนลงทนในครงแรก เงนการใชงานของระบบ ความเสถยรภาพและความยงยน ความยดหยน การซอมบ ารงและการดแล รกษา สงผลใหเลอกระบบปรบอากาศประเภท น าเยนระบายความรอนดวยน า

3.1 การค านวณภาระการท าความเยน การค านว ณจะใชวธ CLTD/CLF โดยอาศยของมลจากทาง

ASHRAE โดยเลอกการค านวณโดยใชโปรแกรม TRACE 700 version 6.1 เมอ สอบเทยบกบวธการค านวณมอ โดยวธของ ASHRAE เพอตรวจสอบความถกตอง จะเหนไดวาเกดความคลาดเคลอนเพยง 2.056% การค านวณภาระการท าความเยนแบงเปน 2 สวนคอภาระความเยนของแตละหองซงจะใชโปรแกรมในค านวณและภาระการท าความเยนของระบบจะใชวธการค านวณแบบบลอกโหลด คอมองหองหลายหองเปนหองเพยงหองเดยว ซงภาระความเยนทเกดขนทงหมดภายในตกนมคาเทากบ 19,784,472 บทยตอชวโมง (1650 ตน)

3.2 การออกแบบระบบลม ระบบลมในอาคารนใชเครองสงลมเยนกระจายลมไปตามแนวทอลมทกระจายอยทวบรเวณปรบอากาศ การค านวณหาขนาดทอลมดวยวธความเสยดทานตอความยาวเทากน ซงก าหนดคาความเสยดทานตอความยาว 0.1 นวน าตอ 100 ฟต โดยความเรวลมในทอมคาไมเกน 2000 ฟตตอนาท เพอลดปญหาเรองเสยง ทอลมทใชเปนทอลมแบบเหลยมทมความสงไมเกนความสงฝาเพดานซงสง 5 ฟต

3.3 การออกแบบระบบทอน า การออกแบบทอน าเยนในระบบปรบอากาศตองทราบอตราการ

ไหลของน าและความเสยดทานในทอ โดยค านงถงการประหยดพลงงาน ในการหาขนาดทอน า ก าหนดความเสยดทานคงท มคา 1 - 2 ฟตตอ 100 ฟต และเพอปองกนเสยงดงและลดการสกกรอน จงก าหนดใหคาความเรวเฉลยของน าในทอขนาดไมเกน 2 นวจะไมเกน 4 ฟตตอวนาท ส าหรบทอทขนาดมากกวาน ความเรวไมควรเกน 10 ฟตตอวนาท ซงประหยดพลงงานไดมากกวาคาลงทนทตองใชทอใหญขน

3.4 การเลอกอปกรณในระบบ

อปกรณในระบบท าความเยนทส าคญประกอบดวยเครองสงลมเยน (Air Handling Unit) ในระบบท าความเยนของอาคารนตองใชเครองสงลมเยนทงหมด 30 เครอง โดยชน 1 ใชเครองสงลมเยน 3 เครอง ชน2 ใช 5 ตงแตชน 4 ถงชน 14 ใชเครองสงลมเยน ชนละ 2 เครอง โดยมขนาดตางกนตามภาระความเยนในแตละพนท , เครองท าน าเยน (Chiller) เปนเครองแลกเปลยนความรอนใหกบน าในระบบท าความเยน เลอกใชเครองท าน าเยนขนาด 870 ton ทงหมด 3 เครอง โดยแบงการท างานเปน 2 เสนทาง ใหท างาน 2 เครอง และ

ส ารองอก 1 เครองเผอไวใชในกรณฉกเฉน และหอผงเยน (Cooling Tower) เปนจดทน าพบกบ อากาศเพอระบายความรอน เลอกใชหอผงเยนทงหมด 3 เครอง ขนาดเครองละ 730 ton โดยใหท างาน 2 เครอง และส ารองไวอก 1 เครองไวใชในกรณฉกเฉน

4. สรป ส าหรบอาคารขนาดใหญทมภาระการท าความเยนสง การใชระบบปรบประเภท ประเภทน าเยนระบายความรอนดวยน า มความเหมาะสมสงสด นอกจากนการออกแบบระบบปรบอากาศภายในโรงพยาบาลตองค านงถงเรองของการแพรเชอ และเสยงเปนส าคญ พนทใดทมอตราเสยงในการแพรเชอสง ตองมการออกแบบระบบปรบอากาศทสามารถควบคมการแพรเชอไมใหออกนอกพนท ส าหรบปญหาเรองเสยง อาจจแกไขโดยการลดความเรวของไหลในทอ หรอเพมขนาดทอ รวมทงตดตงอปกรณชวยลดเสยง เพอใหระบบทออกแบบเกดประสทธภาพในการท างานสงสดและสอดคลองกบลกษณะการใชงานของอาคาร

กตตกรรมประกาศ โครงงานนไดรบความสนบสนนและค าแนะน าจาก ดร .เชด

พนธ วทราภรณ อาจารยทปรกษาของโครงงาน รวมทง ผศ .ดร.ตลย มณวฒนา และ รศ .ดร.ฤชากร จรกาลวสาร และยงไดรบความรจากการเขารวมการอบรมและฟงบรรยาย จดโดยสมาคมปรบอากาศแหงประเทศไทยดวย

เอกสารอางอง [1] Ronald H. Howell , Harry J. Sauer,Jr. ,William J. Coad.

2548. Principles of Heating Ventilating and Air Conditioning. American Society of Heating ,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.

[2] Harold G. Lorsch. AIR-CONDITIONING SYSTEMS DESIGN MANUAL. American Society of Heating ,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. the United States of America.

[3] สมาคมวศวกรรมปรบอากาศแหงประเทศไทย. 2552. หลกสตรอบรม ครงท 3 เรอง”การออกแบบและตดตงระบบน าเยนส าหรบระบบปรบอากาศ”. สมาคมวศวกรรมปรบอากาศแหงประเทศไทย.

[4] สมาคมวศวกรรมปรบอากาศแหงประเทศไทย. 2552. หลกสตรอบรม ครงท 2/2552 เรอง “การค านวณภาระการท าความเยนดวยวธ CLTD”. สมาคมวศวกรรมปรบอากาศแหงประเทศไทย.

[5] รศ.ดร.ฤชากร จรกาลวสาร . เอกสารประกอบการเรยน เรองการออกแบบทอลมและการกระจายลม.

[6] รศ.ดร.ฤชากร จรกาลวสาร . เอกสารประกอบการเรยน เรองการออกแบบทอน า


2010 ASHRAE Student Design Competition; HVAC System Selection

กจตศกด ราไพรจพงศ 4930024021, คมสน ตนตชเกยรต 4930050221, จตพร ศรชวลรตน 4930055421 และ วสพล คณาวฒ 4930471821

รศ.ฤชากร จรกาลวสาน (อาจารยทปรกษา) และ อ.ดร.เชดพนธ วทราภรณ (อาจารยทปรกษารวม)

บทคดยอ โครงงานนมวตถประสงคเพอการออกแบบและเลอกระบบปรบ

อากาศททาใหผอยอาศยรสกสบาย มอากาศบรสทธท เพยงพอ ไมกอใหเกดมลภาวะทางเสยง ใชพลงงานอยางคมคาและสงผลกระทบตอสงแวดลอมนอยทสด อกทงยงมความยดหยนสาหรบการขยายระบบในอนาคต นอกจากนวตถประสงคสาคญอกประการหนงคอการเขารวมแขงขนในโครงการทมชอวา ASHRAE 2010 student design competition; HVAC system selection อาคารทนามาใชในการออกแบบในโครงงานน คอ อาคาร Ginsburg Tower ของโรงพยาบาลฟลอรดาในเมองออรแลนโด จากการออกแบบไดวาอาคารโรงพยาบาลมความตองการภาระทาความเยน 1731 ตนความเยน และภาระทาความรอน 1850 ตนความรอน โดยไดออกแบบระบบปรบอากาศแบบทานาเยนระบายความรอนดวยนา รวมทงทอนา และทอลม คาหลก การออกแบบ, การเลอกระบบ, HVAC Abstract The objective of this project is to design and selection an air-conditioning system which makes human comfort, sufficient ventilation, no excessive noise, using energy worthily and also flexible for operating and for future expansion. Moreover, the one main purpose is to participate in 2010 ASHRAE student design competition; HVAC system selection. The building for designing in this project is Ginsburg Tower at Florida Hospital in Orlando. The design overview shows that the hospital requires cooling load 1731 tons of cooling and heating load 1850 tons of cooling including appropriate duct, and piping Keywords: design, selection, HVAC 1. บทนา

ปจจบนระบบปรบอากาศถกนามาใชงานในชวตประจาวนของมนษยมากขน เนองจากมนษยมความตองการสภาพอากาศทใหความรสกสบายเพอคณภาพชวตทดขน จงมการตดตงระบบปรบอากาศในทอยอาศย อาคารสานกงาน และโรงพยาบาล เปนตน จากความตองการขนตนทาใหเกดการพฒนาระบบปรบอากาศและมาตรฐานตางๆทเกยวกบการปรบอากาศมากขน ดงนนการเลอกระบบปรบอากาศทนามาใชจงตองคานงถงความสบายของผอยอาศย ประสทธภาพ การอนรกษพลงงาน ผลกระทบกบสงแวดลอม ความ

สอดคลองกบสถาปตยกรรมและระบบทางวศวกรรมอนๆ รวมถงปจจยทางดานเศรษฐศาสตร ซงปจจยทงหมดทนามาพจารณานจะนามาสการเลอกระบบทเหมาะสมกบการใชงานในอาคารนนมากทสด

ดงนนการเลอกระบบทาความเยนและระบบปรบอากาศทมประสทธภาพทงดานพลงงาน ดานเศรษฐศาสตรและอนรกษสงแวดลอม จงเปนทตองการในปจจบน ทาใหการศกษาและออกแบบระบบปรบอากาศถกนามาพจารณาเปนโครงงานทางวศวกรรมศาสตร ภาควชาเครองกล นอกจากการศกษาเทคโนโลยการปรบอากาศและออกแบบระบบปรบอากาศใหเหมาะสมและถกตองตามมาตรฐาน

การเลอกระบบปรบอากาศในโครงการนเปนการออกแบบภายใตเงอนไขสภาพภมอากาศในรฐฟลอรดา ประเทศสหรฐอเมรกา ซงเปนทต งของอาคารโรงพยาบาลตามโจทยททาง ASHRAE กาหนดขนจงตองมการการออกแบบทงระบบทาความเยน และระบบทาความรอน การออกแบบระบบปรบอากาศจงมความซบซอนมากขน เนองจากมการคานวณโหลดการทาความเยนและโหลดการทาความรอน การออกแบบระบบทอนาเยนและทอนารอน การตดตงอปกรณการทาความเยนและอปกรณการทาความรอน นอกจากนในการเลอกระบบปรบอากาศทใชในโรงพยาบาลนอกจากตองคานงถงปจจยตางๆ ทกลาวในเบองตนแลว ยงตองคานงถงความสะอาด และการปองกนโรคตดตอทางอากาศอกดวย 2. รายละเอยดอาคาร อาคาร Ginsburg โรงพยาบาลฟลอรดา เปนอาคารซงตงอยทเมองออรแลนโด รฐฟลอรดา ตาแหนงทต งของเมองนเลอกใชตาม ASHRAE Handbook 2001Chapter 27: Climatic Design Information Table 1 A: Heating and Wind Design Conditionsสาหรบเมองดงกลาวแสดงไดดงน ทต ง : เมอง Orlando รฐ Florida ละตจด : 28.43 องศาเหนอ ลองตจด : 81.32 องศาตะวนออก ความสง : 105 ฟต ขอมลสภาวะอากาศภายนอก

หนารอน (1%): 93 °F DB, 76 °F MWB, Daily Range 16.6 °F หนาหนาว (99%): 37 °F, Wind (1%) 20 MPH

ขอมลสภาวะออกแบบภายใน หนารอน: 75 °F DB, 50% RH หนาหนาว: 72 °F


3.การคานวณภาระทาความเยนและภาระทาความรอน วตถประสงคหลกของการคานวณภาระทาความเยนและภาระทาความรอนเพอทราบวาระบบปรบอากาศตองการความเยนหรอความรอนปรมาณเทาใด เพอมาแลกเปลยนกบอากาศภายในหองเพอใหอากาศภายในหองมอณหภม และความชนพอเหมาะททาใหผท อยอาศยภายในหองนนรสกสบาย นอกจากนนการคานวณภาระการทาความเยนและภาระการทาความรอนยงชวยในการกาหนดขนาดของอปกรณตางๆในระบบปรบอากาศ อาทเชน เครองทานาเยน (Chiller) ขนาดทอลมหรอทอนา โดยการคานวณจะใชวธ CLTD (Cooling Load Temperature Difference) ซงเปนคาความตางของอณหภมภาระการทาความเยน 4. การพจารณาเลอกระบบปรบอากาศ ระบบปรบอากาศทใชอยในปจจบนมหลากหลายชนด ซงแตละชนดมขอไดเปรยบหรอขอเสยเปรยบเมอเทยบกบระบบอนทแตกตางกน การพจารณาวาระบบไหนควรนามาใชกบอาคารทกาหนดจะใชตารางการเลอก (HVAC System Selection Criteria Matrix) ตามเกณฑการพจารณาของ ASHRAE ตารางท 1 HVAC System Selection Criteria Matrix

Criteria Split type

Water cooled

Packaged

Air cooled chiller

Water

cooled

chiller

Absorption

water chiller

1.Capacity requirements Y Y Y Y Y

2.Performance requirements

Comfort Y Y Y Y Y

Ventilation N Y Y Y Y Energy Consumption N N Y Y N

Sound` N N Y Y Y

3.Spatial requirement Mechanical

room N N Y Y Y

Maintenance access N Y Y Y Y

*Y หมายถง YES คอ มคณสมบตผานเกณฑ N หมายถง No คอ มคณสมบตไมผานเกณฑ

จากตารางท 1 จะเหนวา ระบบทผานเกณฑมทงหมด 2 ระบบคอ ระบบ Air cooled chiller และระบบ Water cooled chiller สาหรบระบบทผานเกณฑ จะนาเกณฑอนๆ มาพจารณาประกอบกน เพอเลอกระบบทดและมความเหมาะสมมากทสด คณลกษณะเดนและดอยของระบบทงสองมดงตารางท 2

ตารางท 2 เปรยบเทยบคณลกษณะตางๆของเครองทาความเยน คณสมบต Air cooled chiller Water cooled chiller

ราคาคาตดตงและคาอปกรณ(Installation & Equipment Cost)

ตากวา Water cooled 20% การตดตงงาย

สง การตดตงยาก

การบารงรกษา งาย ใชคนนอยและ คาใชจายนอย

ยงยาก ใชคนมากและคาใชจายสง

ราคาคาดาเนนการ (Operating Cost) Power consumption kW/ton (full load)

กนไฟมากกวา 1.28

กนไฟนอยกวา 0.55-0.8

ประสทธภาพ COP (full load) COP (part load)

ดอยกวา

2.8

4.2

โดยรวมดกวา

3.9

พนทในการตดตง พนทตดตงนอย พนทตดตงมาก เพราะตองตดตง cooling tower เพม

เสยง ดง เบา

5. สรป ออกแบบและเลอกระบบปรบอากาศในอาคารโรงพยาบาล โดยคานวณภาระทางความเยนรวมทงสนเทากบ 1731 ตนความเยน และภาระทาความรอน 1850 ตนความรอน เลอกระบบปรบอากาศแบบระบายความรอนดวยนา (water cooled chiller) และใชหมอตมนา (boiler) ทใชกาซธรรมชาตเปนแหลงกาเนดพลงงานในการทานารอน และใชระบบ variable primary flow system สวนในระบบทอทาการออกแบบทอนาดวยระบบ 2 pipe system และทอลมแบบทอเดยว พรอมทงเลอกอปกรณตางๆในระบบไดอยางเหมาะสม กตตกรรมประกาศ โครงงานวศวกรรมฉบบนสาเรจลลวงไปไดดวยความชวยเหลออยางดยงของ รศ.ฤชากร จรกาลวสาน อาจารยทปรกษาโครงงานทชวยใหคาปรกษาและคาแนะนาในการดาเนนงาน รวมทง อาจารย ดร .เชดพนธ วทราภรณ และ ผศ .ดร .ตลย มณวฒนา ทไดชวยเหลอและสละเวลาใหคาแนะนาแนวทางในการออกแบบระบบปรบอากาศ นอกจากนขาพเจาขอขอบคณบรษท Trane Co., Ltd ทกรณาใหความชวยเหลอใหคาปรกษา ขอขอบคณเจาหนาทและผใหความอนเคราะหทกทานดวยความจรงใจไว ณ ทนดวย

เอกสารอางอง [1] ASHRAE. ASHRAE Handbook 2001. [2] ASHRAE. 2004. ASHRAE STANDARD 62.1. [3] ASHRAE 581-RP. Air-Conditioning System Design Manual.


72

40 130

55

72

45130

50

5

5

การออกแบบยานใตนาขนาดหนงทนงพรอมระบบทงหมด และจดสรางตนแบบยานใตนาขนาดหนงทนง ทมระบบขน-ลง

ทระดบทดสอบดานาลกสองเมตร Single Personal Submarine Design and Building the model with Submerged

Operation System and Test with two meters dive.

คณาวฒ เตงเจยง 4930048021, จตพร นารถนฤมตร 4930054821, ณชกล ชาวนา 4930148121, อรรถวฒ ตนทวานช 4930607921

อ. ดร.เชดพนธ วทราภรณ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ ยานพาหนะทใชทางนา มอยหลายรปแบบ หนงในนนคอ ยานใตนา หรอทเรยกกนวา เรอดานา ซงมการนามาใชประโยชนหลายดาน ดงนนทางกลมขาพเจา จงไดมแนวคดในการออกแบบ และจดสรางตนแบบยานใตนา ขนาด 1 ทนง โดยประกอบดวยโครงสราง ระบบขน-ลง และดานความปลอดภย โดยในการออกแบบไดเลอกทใชไฟเบอรกลาสในการทาตวโครงสราง และออกแบบระบบขน-ลง โดยเปนระบบแบบถงอากาศอด และไดจดสรางตวเรอจรงขนมา โดยทาการทดสอบระดบดานาลก 1.5 เมตร โดยในการทดสอบเรอ ในดานของตวเรอและระบบขน-ลง เปนไปตามทไดออกแบบอยางสมบรณ แตยงคงมปญหาในดานการกนนา และนาหนกถวงเรอ ซงจะเปนแนวทางในการแกไขในโอกาสตอไป

Abstract The special one for water transportation is submarine. The submarine is used to several underwater purposes, so this project is designed the model of single personal submarine with submerge operation system and safety system. The model structure made from fiberglass and the submerge operation system is operating by air compressed tank. The model was test with 1.5 meter dive, so the test about the submerge operation system was excellent, but it has some problem about waterproof and weight of submarine. 1. บทนา ในปจจบนยานพาหนะทางนาไดมการพฒนาไปในหลายๆรปแบบ ซงสวนใหญจะพฒนาในดานของเรอผวนามากกวา สวนเรอใตนา จะไมคอยมการแพรหลายดานการออกแบบ และระบบตางๆ ซงทางโครงการนจงไดเลอกทจะศกษา และ ออกแบบยานใตนา ในดานของระบบโครงสรางทตองมการรบแรงตางๆ รวมถงระบบขน-ลง ของเรอ เพอใหเรอสามารถดาขน ดาลง ไดดวย การควบคมโดยคนจากภายใน และมการจดสรางลาจรง เพอไดมการ

ทดสอบทไดออกแบบไป โดยโครงการนเพอทจะเปนแนวทางในการออกแบบยานใตนา ทสามารถนามาใชไดจรง

2. วตถประสงคของโครงงาน

ศกษาการออกแบบและจดสรางยานใตนาตนแบบ ขนาดหนงท

นง ประกอบดวยระบบขน-ลงของยานใตนา ระบบขบเคลอนของยาน

ใตนาเพอ ระบบความปลอดภยของยานใตนา เพอการจดสราง

ตนแบบยานใตนาขนาดหนงทนง ทมระบบขน-ลง และทดสอบ

ตนแบบยานใตนาขนาดหนงทนง ทมระบบขน-ลง ทระดบทดสอบดา

นาลกสองเมตร 3. การออกแบบโครงรางของยานใตนา

การออกแบบโครงสรางของยานใตนาทไดจากการศกษารปแบบเรอดานาเชงทองเทยวในตางประเทศ และจากการศกษาโครงสรางและรปรางทเหมาะสมตอการทรงตวในนา ทาใหไดโครงสรางของยานใตนา ดงรปท 1

ตารางท 1 แสดงมตตางๆ ของยานใตนา มตของยานใตนา ความยาวทงหมด 1.30 เมตร

ความกวาง 0.72 เมตร ความสง 0.90 เมตร

รปท 1 มตของโครงสรางยานใตนา


4. การออกแบบระบบขน-ลงของยานใตนา ในดานระบบขน-ลง ทางโครงการไดออกแบบในการใชระบบถงอากาศอด โดยมรหลกการทางาน คอ ในเรอจะมถงเปลาทงหมด 5 ถง ประกอบดวยถงดานหนา 3 ถง และดานหลง 2 ถง โดยเมอเรอจะดาลง คนภายในจะควบคมเปดวาลวของแตละถง อากาศภายในถงจะระบายออก ทาใหนาเขามาในถง เรอกจะจมลงไป และในตอนจะดาขน จะใชถงเกบอากาศอด ซงอยในเรอ ปลอยอากาศแรงดนประมาณ 5 บาร อดเขาไปทถงทงหมด เมออากาศอดเขาไปจะไปดนนาใหออกจากเรอ เรอกจะลอยขนมา ระบบถงจะเปนไปตามรปท 2

รปท 2 แสดงระบบถงทใชในการขน-ลง โดยการใชระบบถงอากาศอด

5. การจดสรางตนแบบยานใตนา และตดตงระบบขน-ลง การจดสรางตนแบบยานใตนา สวนของโครงสรางจะทาจากโฟม แลวทาเรซนไฟเบอรกลาสแลวปใยแกวผนเบอร 450 เปนชนๆ จนไดชนงาน แลวตดเจยรชนงานใหไดรปทรงตามทออกแบบ นาชนงานฝาบนตดแผนพลาสตกใสหนา 5 มลลเมตร และตดขอบยาง จนสาเรจไดชนงาน ดงรปท 3

การตดตงระบบขน-ลง ทาโดยการกนถงทใสนา (Ballast Tank) ภายในตวเรอ จานวน 5 ถง และทาการตอระบบทอตามทออกแบบไว ดงรปท 4 6. การทดสอบยานใตนาทระดบทดสอบดานาลก 1.5 เมตร ไดมการทดสอบเรอทระดบนาลก 1.5 เมตร ซงสามารถจมเรอ

ไดมด ซงในการทดสอบไดโครงสรางสามารถรบแรงได และสามารถ

ทจะกนนาไดตามทออกแบบ แตจะมนาเขามาไดบางตามแนว

รอยตอของฝาบนและฝาลาง สวนในดานระบบขน-ลง ทใชถง

อากาศอด สามารถทจะนานาเขาถง และออกถงไดตามทได

ออกแบบ แตดานการควบคมยงคงมความไมสะดวกนก

7.สรป จากการททางโครงการไดมการออกแบบดานตวเรอ และระบบ

ขน-ลง ซงไดจดสรางขนไดจรงตามทไดออกแบบไว และได

ทดสอบตามการออกแบบ โดยในดานโครงสราง และระบบขน-ลง

เปนไปตามทไดออกแบบอยางสมบรณไว แตมปญหาในเรองของ

การกนนาตามบรเวณรอยตอ รวมถงเรองของนาหนกถวงเรอ ซง

เปนปญหาทเปนแนวทางในการแกไขในโอกาสตอไป

กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ อ. ดร.เชดพนธ วทราภรณ ทใหการสนบสนน และใหคาแนะนาทเปนประโยชนและแกไขปญหาในการทาโครงการน เอกสารอางอง หนงสอภาษาไทย พชต เลยมพพฒน. เอฟอารพ. พมพครงท 7. 2551

รปท 3 โครงสรางยานใตนาตนแบบ

รปท 4 การตดตงระบบขน-ลงของยานใตนาตนแบบ



การออกแบบและสรางชดสาธตเครองยนตสเตอรลงขนาดเลก Designing and Constructing a Small Stirling Engine Apparatus

ปตพงษ นยมบณฑต 4930292821, ธนพฒน เตวฒตานนท 4930183021

ผศ.ดร. นภดนย อาชวาคม (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

โครงงานทางวศวกรรมนมวตถประสงคเพอออกแบบ และ สรางเครองยนตสเตอรลงแบบความตางของอณหภมตา โดยใชอากาศเปนสารทางาน ซงใชวธสมการเชงทดลอง วธ Schmidt analysis และ วธ Adiabatic เพอประเมนสมรรถนะการทางานเบองตน เครองยนตทไดสรางขนเปนเครองยนตสเตอรลงชนดแกมมาขนาดเลก มปรมาตรกวาดของลกสบการขยายเทากบ 66,600 ลกบาศกมลลเมตร, ปรมาตรกวาดของลกสบการอดเทากบ 3,140 ลกบาศกมลลเมตร, อตราสวนการอดเทากบ 1.05:1 และความดนเฉลยเทากบ 101.3

กโลนวตนตอตารางเมตร โดยทาการทดลองหาความเรวรอบของเครองยนต พบวาเครองยนตสเตอรลงเรมทางานไดเองทอณหภมประมาณ 100 องศาเซลเซยส ขนไป โดยมความเรวรอบเรมตนเทากบ 86 รอบตอนาท และทอณหภมสงสด 180 องศาเซลเซยส

เครองยนตจะมความเรวรอบสงสดเทากบ 203 รอบตอนาท และมประสทธภาพเชงความรอนสงสดรอยละ 32.2

Abstract

This engineering project is to design and construct a low

temperature difference Stirling engine running by hot gas.

Empirical formulas together with the Schmidt and Adiabatic

analysis have been employed to estimate the initial

performance. The design involves a small Gamma-type Stirling

engine which has the displacement volume of 66,600 mm2,

clearance volume of 3,140 mm2, compression ratio of 1.05:1,

and mean pressure of 101.3 kN/m2. The experiments show

that the Stirling engine starts operation by itself at

approximately of 100 C, and starting speed of 86 rpm. At the

highest temperature of 180 C, the engine speed is 203 rpm

and the highest thermal efficiency is 32.2%.

1. บทนา

ปจจบนโลกกาลงประสบกบปญหาขาดแคลนพลงงาน เนองจากพลงงานหลกทมการใชกนอยคอ นามนนนเหลอนอยลงทกท ทาใหมความพยายามคดหาหนทางนาพลงงานทางเลอกอนมาใช โดยศกษาและพฒนาเทคโนโลยทจะนาพลงงานทดแทนเหลานไปใชใหเกดประโยชนอยางเตมท และหนงในเทคโนโลยทไดรบความสนใจอยางมากกคอ เครองยนตสเตอรลง (Stirling engine) ซงเปนเครองยนตความรอน (Heat engine) ขนดหนงทมคณลกษณะทนาสนใจหลาย

อยางคอ สามารถเลอกใชเชอเพลงไดอสระ ทางานไดอยางราบเรยบ,

มความทนทานและทางานไดระดบเสยงทตา ในปจจบนมการศกษา และพฒนาเครองยนตสเตอรลงในหลายประเทศทงในทวปเอเชย,

ยโรป และอเมรกา อยางไรกตามในประเทศไทยยงมการศกษาเครองยนตสเตอรลงกนอยนอยมาก และสวนใหญจะเปนการปรบปรงชดทดลองทมอยแลวยงไมมการจดสรางขนมาใหมแตอยางใด จงทาใหเกดการจดทาโครงงานนขน

2.วตถประสงคของโครงงาน

เพอศกษาและทาความเขาใจหลกการทางานของเครองยนตสเตอรลง กาหนดการออกแบบสวนประกอบตางๆ ดวยการวเคราะหเบองตนทางดานเทอรโมไดนามกส สรางอปกรณและชนสวนตางๆ

ในการประกอบเครองยนตสเตอรลงขนาดเลก ตลอดจนวดสมรรถนะเบองตนของเครองยนตสเตอรลงทจดสราง

3.ทฤษฎและการวเคราะหเครองยนตสเตอรลง

การวเคราะหเบองตนเพอหาสมรรถนะของเครองยนต โดยใชทฤษฎตางๆและแบบจาลองทใชอธบายวฎจกรของเครองยนตสเตอรลงมซงหลายรปแบบ [1] โดยเรมตนดวยแบบจาลองทงายทสดกอนเพอใหสามารถวเคราะหไดงาย จากนนจงปรบเปลยนกระบวนการทเกดขนในวฎจกร ใหใกลเคยงกบความเปนจรงมากขน ประกอบดวยการทานายกาลงบงชดวยแบบจาลองวฎจกรสเตอรลงแบบ Isothermal, แบบ Adiabatic (Pseudo stirling cycle) และแบบ Schmidt นอกจากนนยงมการทานายกาลงขาออกดวยสมการทไดมาจากการประมวลผลจากการทดลอง (Empirical formula) ซงไดแก สมการของ Beale และ สมการของ West [2]

กาหนดพารามเตอรของเครองยนตททาการออกแบบเพอใชในการคานวณหากาลงของเครองยนต มคาดงน

- เสนผานศนยกลางของ Displacer 9.21 cm

- เสนผานศนยกลางของ Displacer cylinder 9.84 cm

- เสนผานศนยกลางของ Power piston 2.00 cm

- ระยะชกของ Displacer & Power Piston 1.00 cm

- อณหภมตาสดของเครองยนต 303 K

- อณหภมสงสดของเครองยนต 473 K

- ความดนเฉลยในระบบ 1 atm

- ความเรวรอบ 200 rpm

จากวธตางๆ ทไดกลาวมาแลวในขางตน จะสามารถประเมนคากาลงทไดจากชดสาธตเครองยนตสเตอรลงเทากบ 0.0816 W



4. การออกแบบสวนประกอบ

สวนประกอบของเครองยนตสเตอรลงสามารถแบงออกเปน 2

สวนใหญ ดงแสดงในรปท 1 สวนแรก คอ อปกรณแลกเปลยนความรอนซงเปนสวนททาหนาทถายเทความรอนจากแหลงพลงงงานเขาสระบบใหกบสารทางาน และ ถายเทความรอนจากสารทางานสบรรยากาศภายนอก เพอทาใหระบบเกดความแตกตางทางอณหภมและความดน ทาใหเครองยนตสามารถทางานได สวนทสอง คอ ระบบขบเคลอนซงถายทอดกาลงจากชนสวนตางๆ เคลอนทไปยงเพลา สาหรบระบบขบเคลอนของชดสาธตเครองยนตสเตอรลงททาการออกแบบเปนแบบ Crosshead slider crank mechanism

รปท 1 แบบจาลองชดสาธตเครองยนตสเตอรลงขนาดเลก [3]

5. การทดลองเพอหาสมรรถนะเบองตนของเครองยนต

ทาการทดลองเพอศกษาผลของความรอนทใสใหกบเครองยนต ซงมวตถประสงคหลกเพอหาแนวโนมหรอความสมพนธของความเรวรอบ ประสทธภาพเชงความรอน และ ความแตกตางของอณหภมทเปลยนแปลงไปวามผล หรอ เกยวของอยางไรตอกน โดยความรอนทใสใหกบเครองยนตดาน Heater มาจากเปลวไฟของเทยนไข ขณะทดาน Cooler ปลอยไวทอณหภมหอง ซงไดผลการทดลองดงตอไปน

1. ความเรวรอบของเครองยนตแปรผนตามความแตกตางของอณหภมระหวางดาน Heater และ ดาน Cooler ดงแสดงในรปท 2

โดยคาความเรวรอบเพมขนตามคาความแตกตางของอณหภมทเพมขน แนวโนมกราฟความสมพนธเปนเสนตรง

รปท 2 ความสมพนธระหวางความแตกตางอณหภมดาน

Heater-Cooler และความเรวรอบ

2. ความเรวรอบของเครองยนตแปรผนตามประสทธภาพเชงความรอน ดงแสดงในรปท 3 โดยคาความเรวรอบจะเพมขนตามประสทธภาพเชงความรอนทเพมขน แนวโนมกราฟความสมพนธเปนเสนตรง

รปท 3 ความสมพนธระหวางความเรวรอบ

และประสทธภาพเชงความรอน

6. สรปและขอเสนอแนะ

การทาโครงงานครงนสามารถสรางชดสาธตเครองยนตสเตอรลงขนาดเลกโดยใชอากาศรอนเปนสารทางาน ดงแสดงในรปท 4 โดยเครองยนตจะเรมทางานไดเองทประมาณอณหภม 100 C ความเรวรอบเรมตนเทากบ 86 rpm และทอณหภมสงสดดานรอนเทากบ 180 C เครองยนตจะมความเรวรอบสงสดเทากบ 203 rpm

ประสทธภาพเชงความรอนตาสดและสงสดเทากบ 6.19% และ 32.2% ตามลาดบ

เนองจากการออกแบบและสรางเครองยนตสเตอรลงในครงนมวตถประสงคเพอใชสาธตใหเหนภาพของการทางานในวฏจกรสเตอรลง จงทาการสรางชดสาธตเปนเครองยนตสเตอรลงทมขนาดเลก ทาใหคากาลง, ประสทธภาพ และ ความเรวรอบของเครองยนตททาไดมคาตา ดงนนควรปรบปรงโดยออกแบบและสรางเครองยนตทม ขนาดใหญขน, มการตดตงอปกรณตรวจวดกาลง และ สามารถใชแหลงความรอนอนๆได เชน ตดตงจานรวมรงสแสงอาทตย

รปท 4 ชดสาธตเครองยนตสเตอรลงขนาดเลก

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณ ผศ.ดร.นภดนย อาชวาคม อาจารยทปรกษา ทใหโอกาสในการจดทาโครงงานน ขอขอบคณ พชนะ ศรคา นสตปรญญาโท ทใหความรเกยวกบเครองยนตสเตอรลง และ ความชวยเหลอในการประกอบชนงาน


[1] Walker. G, Stirling engine, New York: Oxford University

Press, 1980.

[2] จตรกร ศรสายชล , การออกแบบและสรางเครองยนตสเตอรลง, วทยานพนธ จฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2549

[3] Penn Clower, A low temperature Stirling engine, Village

Press: Home Magazine, issue July/August 1999

Displacer

Displacer cylinder Power piston

อปกรณแลกเปลยนความรอน

ระบบขบเคลอน


การออกแบบและสรางเรอไฮโดรฟอยลเพอการนนทนาการ The Design and Construction of the Hydrofoil Boat for the Recreation

กนตศกด ชยมงคลชาต 4930019921

ผศ.ดร.ตลย มณวฒนา (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ

โครงงานนเปนการศกษาและวเคราะหเพอออกแบบและสรางเรอ

ไฮโดรฟอยลตนแบบเพอการนนทนาการ ลกษณะเดนของเรอไฮโดร

ฟอยล คอ เมอเรอทาความเรวตวเรอจะยกพนนาแลวแรงตานนาจะ

ลดนอยลงสงผลใหความเรวเพมมากขน นอกจากนนยงเปนการลด

ปรมาณการใชพลงงานเชอเพลงลงไปไดมาก เรอไฮโดรฟอยลเปน

เรอทเหมาะกบการใชงานในปจจบนทตองเผชญกบวกฤตทางดาน

พลงงานและสงแวดลอม เปนอกหนงเทคโนโลยทเปนมตรกบ

สงแวดลอม

รายงานนนาเสนอการวเคราะหรายละเอยด แสดงรายการ

คานวณของชนสวนทสาคญของเรอไฮโดรฟอยล เพอประกอบการ

เลอกและการออกแบบ ทาใหไดเรอไฮโดรฟอยลเลกทมความยาว

2.50 เมตร กวาง 0.60 เมตร มความลกของทองเรอ 0.40 เมตร

สรางแรงยกดวยปกไฮโดรฟอยลใตนา 2 ชน โดยชนแรกเปนปกแบบ

วฟอยล (V-Foil) ตดตงดานหวเรอ ความยาวปก 0.70 เมตร ความ

ยาวคอรด 0.15 เมตร ชนทสองเปนปกแบบทฟอยล (T-Foil) ตดตง

ดานทายเรอ ความยาวปก 0.50 เมตร ความยาวคอรด 0.15 เมตร

ใชเครองยนต 1 แรงมาในการขบเคลอน บงคบเลยวผานคนโยก เรอ

ไฮโดรฟอยลลานยกตวพนจากนาทความเรวประมาณ 10 กโลเมตร

ตอชวโมง

คาหลก ไฮโดรฟอยล วฟอยล ทฟอยล ความยาวปก ความยาวคอรด

Abstract The intention of this project is to research, design, and

construct a hydrofoil boat for the recreation. The advantage of the hydrofoil boat is that when it increases the speed, the hydrofoils will develop enough lift to raise the hull up and out of the water. This results in a great reduction in drag, and a corresponding increase in speed. Moreover, hydrofoil boat can help decreasing the energy consumption..

The result of the design and construction is that the 2.50 meter-length 0.69 meter-width and 0.40 meter-depth hydrofoil boat with 0.70 meter-wingspan, 0.15 meter-cord length V-foil front wing and 0.50 meter-wingspan, 0.15 meter-cord length T-foil rear wing, powered by 1 horsepower outboard engine named “Super Chibi Honda”, steered by the joystick which is cable linked to the engine to change the direction. This hydrofoil boat can raise its hull at the speed of 10 km/hr.

Keywords: hydrofoil V-foil T-foil wingspan cord length 1. บทนา

เรอทเราเหนกนอยในปจจบนลวนแลวแตอาศยแรงลอยตวทเกด

จากการแทนทนาของปรมาตรทองเรอเพอทาใหเรอนนลอยได ดงนน

การออกแบบและการสรางเรอไฮโดรฟอยลจงถอวาเปนเรองใหม

สาหรบประเทศไทย เพราะเรอไฮโดรฟอยลนนอาศยแรงยกทเกดจาก

ปกทอยใตนาทาใหตวเรอนนยกขนจากนา เปนเหตใหเรอไฮโดร

ฟอยลนนสามารถแลนไดเรวสามารถลดการใชพลงงานเชอเพลงลง

โครงการออกแบบและสรางเรอไฮโดรฟอยลจงถอกาเนดขนเพอเปน

อกทางเลอกหนงทเพมเขามานอกเหนอจากเรอทมใชในปจจบนและ

เพอเปนองคความรทสรางขนโดยคนไทย โดยเรอไฮโดรฟอยล

ดงกลาวนจะถกนาเสนอใหคนไทยไดรจกในรปแบบของเรอทใชเพอ

การนนทนาการ


2. การออกแบบ

เลอกรปแบบปกแบบวฟอยล (V-Foil) เพอใชเปนปกดานหนา เนองจากปกดานหนานนมหนาทหลกในการปรบความเชดของหวเรอและระดบความสงของตวเรอจากผวนา ดงรปท 1

รปท 1 ผลการออกแบบปกไฮโดรฟอยลดานหนา

เลอกรปแบบปกแบบทฟอยล (T-Foil) เพอใชเปนปกดานหลง เนองจากปกดานหลงนนมหนาทหลกในการสรางแรงยก ดงรปท 2

รปท 2 ผลการออกแบบปกไฮโดรฟอยลดานหลง

เมอทาการออกแบบครบทกชนสวนกจะไดแบบของเรอไฮโดร

ฟอยลตนแบบทประกอบกบเครองยนต 1 แรงมา ดงรปท 3

รปท 3 ผลการออกแบบเรอไฮโดรฟอยลขณะประกอบ 3. ผลการสรางและทดลอง

รปท 4 เรอไฮโดรฟอยลทมมปะทะปก 5 องศา

รปท 5 เรอไฮโดรฟอยลทมมปะทะปก 10 องศา

รปท 6 เรอไฮโดรฟอยลทมมปะทะปก 15 องศา 4. สรป เรอไฮโดรฟอยลเพอการนนทนาการทไดออกแบบสามารถยกตวทความเรวประมาณ 10 กโลเมตรตอชวโมง มมปะทะของปกทดทสด คอ 5 องศา หากมมมปะทะมากกวา 15 องศา จะเรมเกดการสญเสยแรงยก (Stall) เรอไฮโดรฟอยลดงกลาวสามารถแลนไดในนาทมคลนสงไมเกน 0.30 เมตร กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณ ผชวยศาสตราจารย ดร.ตลย มณวฒนา ทใหการ

ดแลเอาใจใสและใหคาปรกษาในการวเคราะห ออกแบบและสรางเรอ

ไฮโดรฟอยล ขอขอบคณ บรษท ไทย สมารทเทค จากด ทใหความ

อนเคราะหในเรองของการสรางเรอตนแบบ รวมถงเครองยนตทใชใน

การขบเคลอนเรอ

เอกสารอางอง [1] Corke, Thomas C. Design of Aircraft. Upper Saddle

River, N.J.: Prentice Hall, 2003. [2] Hepperle, Martin. JavaFoil Analysis of Airfoils. http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm. [3] International Hydrofoil Society. The Hydrofoil Resource Site. http://www.foils.org/. [4] Matthew Wall, Mark Drela, Steve Finberg. Decavitator

Human-Powered Hydrofoil. Massachusetts Institute of Technology. http://lancet.mit.edu/decavitator/Decavitator.html.


การออกแบบ สรางและทดสอบแบบจาลองกงหนลมชนดแกนต งเพ อผลตกระแสไฟฟา Design, Develop and Test the model of vertical axis wind turbine for providing Electricity

ปรย ปษยไพบลย 4930277421 และ ลญจกร บางขา 4930431721

ผศ.ดร. วทยา ยงเจรญ (อาจารยทปรกษา)

บทคดยอ โครงงานทางวศวกรรมเครองกลน9 เพอออกแบบ สรางและทดสอบ

สมรรถนะของแบบจาลองกงหนลมชนดแกนต 9ง ลกษณะขนาดของแบบจาลองกงหนลมแกนดงทสรางข9นใชแพนอากาศรหส NACA-0033 ความยาวคอรด 8 เซนตเมตร ลาตวใบยาว 40 เซนตเมตร รศมการหมน 20 เซนตเมตร จานวน 4 ใบ สมรรถนะของแบบจาลองกงหนลมจะนาเสนอในเทอมของคาสมประสทธ Eกาลงงานซงเปนอตราสวนการเปลยนแปลงพลงงานลมเปนพลงงานกลของกงหนลม กบอตราสวนความเรวปลายใบ ผลการทดสอบสมประสทธกาลงงานสงสดคอ 0.14 ทอตราสวนความเรวปลายใบ 0.3 ขอมลน9นาไปออกแบบกงหนลมตวตนแบบความเรวตา Abstract This mechanical engineering report are design, develop and

test the vertical axis wind turbine related, which the turbine uses lift force as a major to produce rotating motion. All 4 Blades are NACA0033-styled, 8 centimeters-chord, 40 centimeters-length and 20 centimeters-radii. The turbine’s efficiency in this report will be presented as power-coefficiency term which its proportion depends on conversion of wind energy to mechanical energy at one tip speed ratio. The maximum power-coefficiency from experiment resulted in 0.14 at 0.3 tip speed ratio. This data uses as designation of wind turbines’ prototype nowadays in Thailand 1. บทนา กงหนลมคอเครองจกรกลทเปลยนพลงงานจลนจากการเคลอนท

ของลมใหเปนพลงงานกล จากกน 9นนาพลงงานกลมาใชประโยชน ในปจจบนนยมใชผลตเปนพลงงานไฟฟา การออกแบบกงหนลมจะตองอาศยความรทางดานพลศาสตรของลมและหลกวศวกรรมศาสตรในแขนงตางๆ เพอใหไดกาลงงาน พลงงาน และประสทธภาพสงสด 2. วตถประสงคของโครงงาน เพอออกแบบ สรางและทดสอบแบบจาลองกงหนลมแกนดงเพอ

ผลตกระแสไฟฟา โดยอาศยแรงยกทความเรวลมตาประมาณ 2-6 เมตรตอวนาททเหมาะสมกบประเทศไทยแลวนาขอมลไปวเคราะหผลทไดจากแบบจาลองเพอทานายสมรรถนะกงหนลมตวตนแบบ

3. ทฤษฎและการออกแบบ [1] 3.1 ทฤษฎโมเมนตมตามแนวแกน การเคลอนทของใบกงหนเปนเสนรอบวงตางกบกงหนลมแนวนอน

ดงรปท 1

รปท 1 แสดงถงลาอากาศทไหลผานกงหนลมในแนวดง

หากใชทฤษฎข 9นพ9นฐานโดยถอวาลาอากาศน 9นเปน Single stream tube (คา Axial induction factor คงทตลอดลาอากาศ) ทฤษฎโมเมนตมตามแนวแกนจะใหคาแรงดงสมการท 1 = 4

(1 − ) (1) โดยท คอรศมการหมน, คอความสงของใบกงหน, คอแรง Thrust, คอความเรวลมและ คอคา Axial induction factor 3.2 ทฤษฎอลเมนตของใบ เมอพจารณาสวนของใบกงหนทตาแหนงใดๆ ของกงหนลมแนวดง

ความเรวของลมทเกดข9นบนสวนใบกงหนจะมคาดงแสดงในรปท 2 โดยท คอความเรวลมทใบกงหน, คอความเรวของอากาศเมอมองจากใบพดทหมนอย, คอความเรวรวม, α คอมมปะทะ, β คอมมบดของใบกงหนและ θ คอมมกวาดของใบกงหน จากความเรวทเกยวของน9จะทาใหสามารถหาคาแรงรน (Thrust) และ แรงบด (Torque) กงหนลมแนวดงน9 ความเรวบนใบกงหนจะมคาเปลยนไปตามตาแหนงของใบ ดงน 9นคาแรงรนและแรงบด เฉลยน 9นจะหาไดจากการอนทเกรตคาแรงรน และแรงบด ทตาแหนงใด ตลอดรอบเสนรอบวงจาก θ = 0o ถง 360o คาแรง Thrust ของกงหนลมแนวดงสามารถเขยนไดดงสมการท 2

=

( + ) + !"( + )#$

%

& (2)

และคากาลงงานทางกลไดดงสมการท 3 ' =

(

( + ) + !"( + )#$

%

& (3)

โดยท คอสมประสทธ Eแรงยก, คอสมประสทธ Eแรงหนวง, * คออตราการหมน, + คอจานวนใบ, คอความยาวคอรด, คอความหนาแนนอากาศ และเมอนาคาแรง Thrust ทหาไดจากทฤษฎโมเมนตมตามแนวแกนมาเทากบคาแรง Thrust จากทฤษฎอลเมนตของใบ จะหาคา Axial induction factor และนากลบไปหาคาสมรรถนะของกงหนลม

รปท 2 เวคเตอรของความเรวลมขณะผานกงหนลมแนวดง 3.3 ข 9นตอนการออกแบบ จากทฤษฎ จะใชขอมลจาก The National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) ในแตละแบบเพอคานวณกาลงทางกลเฉลย ทความเรวลม และ อตราการหมนคาตางๆ จากการออกแบบใชแพนอากาศรหส NACA-0033 และมรายละเอยดของตวตนแบบและแบบจาลองดงตารางท 1 4.การดาเนนการทดลอง 4.1 การหาสมรรถนะของโดยใชการวเคราะหมต เมอออกแบบกงหนลมตวตนแบบเรยบรอยแลว จะใชการวเคราะหมต (Dimensionless) เมอสรางแบบจาลองกงหนลมและเตรยมสภาวะการทดลองซงสรปไดดงตารางท 1 ตารางท 1 ขนาดจากแบบจาลองกงหนลมและตนแบบกงหนลม

ตวตนแบบ ความยาวของใบกงหน (L) 0.9 เมตร ความยาวรศม (R) 0.45 เมตร ความยาวคอรด (C) 0.2 เมตร มมปะทะของใบกงหน 0 องศา

จานวนใบ 4 ใบ 5.ผลการทดลองและอภปรายผลการทดลอง คาสมรรถนะแสดงในรปของกาลงงานทางกล ของเทอมไรมตเปนคาสมประสทธ Eของกาลงงาน กบคาอตราสวนความเรวปลายใบ (Tip Speed Ratio) ดงรปท 3 จากรปท 3 แบบจาลองกงหนลมจะมแนวโนม

งานทคอยเพมข9นจนสงสดท 0.14 ทอตราสวนความเรวปลายใบแตเมอเพมความเรวข9นไป สมประสทธ Eกาลงงานจะมแนวโนมทลดลงเนองจากประสทธภาพของกงหนลมไมสามารถเปลยนแปลงพลงงานลมเปนพลงงานกลไดดกวาจดทสงสดอกแลว ซงชวงความเรวลมน9

2103499 โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

เวคเตอรของความเรวลมขณะผานกงหนลมแนวดง

The National Advisory Committee ในแตละแบบเพอคานวณกาลงทางกลเฉลย

ทความเรวลม และ อตราการหมนคาตางๆ จากการออกแบบใชแพนและมรายละเอยดของตวตนแบบและ

การหาสมรรถนะของโดยใชการวเคราะหมต (Dimensionless) [2] เมอออกแบบกงหนลมตวตนแบบเรยบรอยแลว จะใชการวเคราะห

เมอสรางแบบจาลองกงหนลมและเตรยมสภาวะ

ขนาดจากแบบจาลองกงหนลมและตนแบบกงหนลม แบบจาลอง 0.4 เมตร 0.2 เมตร 0.08 เมตร

0 องศา 4 ใบ

คาสมรรถนะแสดงในรปของกาลงงานทางกล โดยจะนาเสนอในรป

ของเทอมไรมตเปนคาสมประสทธ Eของกาลงงาน กบคาอตราสวน

แนวโนมของสมประสทธ Eกาลงทอตราสวนความเรวปลายใบ 0.3

สมประสทธ Eกาลงงานจะมแนวโนมทลดลงเนองจากประสทธภาพของกงหนลมไมสามารถเปลยนแปลงพลงงานลมเปนพลงงานกลไดดกวาจดทสงสดอกแลว ซงชวงความเรวลมน9

กงหนจะไดกาลงทมากข9นแตสมประสทธ Eกาลงงานลดลง

รปท 3 ความสมพนธสมประสทธ Eกาลงงานกบอตราเรวปลายใบ

การทดลองเมอนาไปคานวณหาผลทจะเกดกบตวตนแบบดวยการวเคราะหมตดงตารางท 2 ตารางท 2 แบบจาลองกงหนลมและตนแบบกงหนลม

แบบจาลองกงหนลม ความเรวลม(m/s)

อตราการหมน (rpm)

กาลง(W)

2.25 45 0.05 4.50 98 0.55 6.75 162 2.52 9.00 239 7.32 11.25 325 15.60 13.50 416 26.64 15.75 495 39.77

6.สรปผลการทดลอง โครงงานน9สามารถออกแบบ สรางและทดสอบหาสมรรถนะของแบบจาลองกงหนลมแกนต 9งทเหมาะกบความเรวลมตาในประเทศไทยเพอผลตกระแสไฟฟา และจากการศกษาน9จะเปนแนวทางใหเกดความรเพอพฒนาการออกแบบและสราง 7. กตตกรรมประกาศ ขอขอบพระคณ รองศาสตราจารยไดทาโครงงานน9 รวมถงคาแนะนาทเปนประโยชนสาหรบการแกปญหาทเกดข9นและเอ9อเฟ9ออปกรณเครองวดทใชในการทดลอง 8. เอกสารอางอง [1] สมศกด E ไชยะภนนท . อากาศพลศาสตรกงหนลมแนวดงวารสารวชาการวศวกรรมสถานแหงประเทศไทย ในพระบรมราชปถมภปท 1 ฉบบท 1 พ.ศ. 2532 [2] สมศกด E ไชยะภนนท. กลศาสตรของไหลพมพคร 9งท 1. กรงเทพมหานครมหาวทยาลย, 2547

โครงงานทางวศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2552 TF16 ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย

กงหนจะไดกาลงทมากข9นแตสมประสทธ Eกาลงงานลดลง คาทไดจากผล

ความสมพนธสมประสทธ Eกาลงงานกบอตราเรวปลายใบ

การทดลองเมอนาไปคานวณหาผลทจะเกดกบตวตนแบบดวยการ

แบบจาลองกงหนลมและตนแบบกงหนลม ตนแบบกงหนลม

ความเรวลม(m/s)

อตราการหมน (rpm)

กาลง(W)

1.00 4.45 0.02 2.00 9.70 0.25 3.00 16.00 1.12 4.00 23.60 3.26 5.00 32.10 7.00 6.00 41.10 11.00 7.00 49.20 18.00

โครงงานน9สามารถออกแบบ สรางและทดสอบหาสมรรถนะของแบบจาลองกงหนลมแกนต 9งทเหมาะกบความเรวลมตาในประเทศไทยเพอผลตกระแสไฟฟา และจากการศกษาน9จะเปนแนวทางใหเกด

และสรางตอไป

รองศาสตราจารย.ดร.วทยา ยงเจรญ ทใหโอกาสไดทาโครงงานน9 รวมถงคาแนะนาทเปนประโยชนสาหรบการแกปญหาทเกดข9นและเอ9อเฟ9ออปกรณเครองวดทใชในการทดลอง

อากาศพลศาสตรกงหนลมแนวดง . วารสารวชาการวศวกรรมสถานแหงประเทศไทย ในพระบรมราชปถมภ

กลศาสตรของไหล. จานวน 2,000 เลม. กรงเทพมหานคร: สานกพมพแหงจฬาลงกรณ

ดรรชน

อาจารยทปรกษา ผศ.ดร.กอเกยรต บญชกศล AM01 ผศ.ดร.จตตน แตงเทยง TF06 ผศ.ดร.จรพงศ กสวทยอานวย AM10 อ.ดร.ชนตต รตนสมาวงศ AU03 อ.ดร.ชญญาพนธ วรฬหศร AM02, AM04, AM05 อ.ชนเทพ เพญชาต AU05 อ.ดร.เชดพนธ วทราภรณ TF07, TF09, TF11, TF12, TF13 อ.ดร.ณฐเดช เฟองวรวงศ TF08 ผศ.ดร.ตลย มณวฒนา TF15 ผศ.ดร.นภดนย อาชวาคม TF14 อ.ดร.นกสทธ นมวงษ AU01, AU03, AU04 ผศ.ดร.นพนธ วรรณโสภาคย TF01 อ.ดร.ไพรช ตงพรประเสรฐ AM06, AM08 รศ.ฤชากร จรกาลวสาน TF07, TF12 รศ.ดร.วทยา ยงเจรญ TF05, TF10, TF16 ผศ.ดร.วทยา วณณสโภประสทธ AM11 รศ.ดร.วบลย แสงวระพนธศร AM03 ผศ.ดร.ศภวฒ จนทรานวฒน AU02 ศ.ดร.สรนทร พงศศภสมทธ AM07 อ.ดร.อลงกรณ พมพพณ TF02, TF03, TF04 รศ.ดร.อศ บญจตราดลย TF02, TF03, TF04 นสตปรญญาบณฑต วศวกรรมเครองกล นายกจตศกด ราไพรจพงศ TF12 นายกตตพฒน เวชวทยาขลง AM04 น.ส.กลวด ธรกจไพบลย TF06 น.ส.แกวเกรดฟา ตงสภากจ TF06 นายคณพล วชยกจ AM07 นายปฏพทธ มานะวงศเจรญ TF01 นายคมสน ตนตชเกยรต TF12 นายจตพร ศรชวลรตน TF12 น.ส.จนดารตน ฉายสนทรสร AM05 น.ส.ชญานน หวงดธรรม TF01 น.ส.ชลธชา พชตพรรณ TF11 นายชชวสส วฒศรศาสตร AM11

นายชยเศรษฐ สงขมณนาคร AM02 นายชยอนนต นนทเศรษฐพงศ AM06 นายฐากร ชลพทกษพงษ AM10 นายณฐชย เสมสนทด TF08 นายณฐพล จารวจนะ AM01 นายณฐพล ปยะกลเกยรต AM01 นายณฐพล พทธพงษ TF11 น.ส.ทพวรรณ ชยนายนต AU01 นายธนกร คตวชชา AU04 นายธนพฒน เตวฒตานนท TF14 นายธนวฒน แสนประเสรฐ AM06 นายธนศกด โสธนนนทน AM06 นายธรภทร ตนไชย AM08 นายธรช กณฐาภรณ TF09 นายมณรตน วฒโชตธนวฒน AM08 นายวรวชญ เบญจบณยสทธ AM08 นายนฐพร เลศลกษณพนธ AM10 นายบวรรตน ธนสตยาวบล TF10 น.ส.บศรนทร ปยะเจรญวฒนา TF11 น.ส.ปภาวด โอภาสสวฒน TF11 นายปรชญ เกยรตระบล TF05 นายปรย ปษยไพบลย TF16 น.ส.ปาณศา ควรสนธ AM05 นายปตพงษ นยมบณฑต TF14 นายไปรมศร ดประเสรฐดารง TF06 นายผณนทร เสนยโกศล AM04 น.ส.ฝนทพย เอกชยวรสน TF03 นายพงศกร บญชะตา AU05 น.ส.พงศสวล ชาตเสนย AM06 น.ส.พรยา ตงเนาวรตน TF07 นายพรต วตะกลสน TF04 นายพรพงษ วณชยธนารกษ AM04 นายพนพฒน โลหารชน AU04 นายเพมพงษ เหมวราพรชย AM06 นายภฤศ ตงเศรษฐพานช AM04 นายภกด ศกดาอภนนท AM03 นายภมพฒณ มลชย AM10 น.ส.มนเกต อศวบณฑต AM05 น.ส.มญชรมย วฒพงศกล TF08 นายมารต รจวโรดม AU04 นายเมธา วรจารพงค AU02 นายลญจกร บางขา TF16 นายวรบตร กมใจเยน TF04 นายวรฒ พทกษพงศสนท AM10

นายวศน แสงนมพงษ TF04 นายวส ประเสรฐยง TF09 นายวชรากร โชตโก TF09 นายวโรจน สงหโรจนากล TF09 นายวศรต โฆษตภมเวท TF05 นายวฒพงษ ลคนลาวณย TF07 นายศรณย ธารนย TF07 น.ส.ศลษา วฒนบญยงเจรญ TF08 นายศศนทร ตนตสหสรงส AU05 นายศทธวต สนทรารตนพงษ AM01 นายศภกตต อดมเกยรตกล AU05 นายสรยศ ชนกาญจนโรจน TF10 นายสทธโชค ลลาววฒน AM03 นายสชาญวฒ พรหมโณมย AM08 นายสเมธ สรนวภทร AM11 นายองอาจ มลศาสตร AM03 นายอนสรร แสงนมนวล TF04 นายอานนท สตาพนธ AM03 นายอารญ ตอเจรญ TF05 วศวกรรมยานยนต น.ส.กนกกร เปยมเชาว AU01 นายกตพงศ กงวานสกล AM07 นายธนากร ทองศรกล AU03 นายนฐพงศ ทองทวศร AU02 นายปวรศร บญยะศรโชค AU02 นายพชรพงษ หวงสวางวงศ TF02 นายภบด วณชชาธรรมกล AU01 นายภรนท ตตตะวะศาสตร AU05 นายภวเดช ฉตรพรธนดล AU01 นายวสพล คณาวฒ TF12 นายวชชา รตนมตธรรม TF01 นายสถาปตย โชคภทรชยกจ AU03 นายเสกสรรค กจเสถยรกล AU03 นายอชตศกด พชรวรณวชญ TF02 นายอนวรรต ถรลาภ TF02 วศวกรรมเรอ นายกนตศกด ชยมงคลชาต TF15 นายคณาวฒ เตงเจยง TF13 นายจตพร นารถนฤมตร TF13 น.ส.ณชกล ชาวนา TF13 นายอรรถวฒ ตนทวานช TF13

64

Proceeding 52

Documents

Transcript of Proceeding 52