การออกแบบและพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ สำหรับรีฟอร์มเมอร์และอีมูเลเตอร์ในระบบ 1 มิติด้วยโปรแกรม OpenModelica

บทคัดย่อ

โครงงานนี้มุ่งเน้นการออกแบบและพัฒนาแบบจาลองทางคณิตศาสตร์สาหรับอุปกรณ์รีฟอร์ม เมอร์และระบบควบคุม (Emulator) ในระบบ 1 มิติ โดยใช้โปรแกรม OpenModelica เป็นเครื่องมือ หลักในการจาลองพฤติกรรมของกระบวนการแปรรูปเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเป็นไฮโดรเจนสาหรับ การใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFC) ซึ่งการจาลองได้อาศัยสมการพื้นฐานทั้งด้าน สมดุลมวล สมดุลพลังงาน และสมการอัตราปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการปฏิรูปด้วยไอน้า (Steam Reforming) พร้อมทั้งพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน และอัตราการไหลของ สารตั้งต้น เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับทฤษฎี นอกจากนี้โครงงานนี้ยังได้พัฒนาระบบอีมูเลเตอร์ เพื่อควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วในการจ่ายเชื้อเพลิงให้กับอุปกรณ์ SOFC โดยการทดลองเบื้องต้นแสดง ให้เห็นว่าแบบจาลองและระบบควบคุมที่พัฒนาขึ้นสามารถจาลองอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่ง จะช่วยลดต้นทุนในการทดลองจริงและสามารถนาไปประยุกต์ใช้ในการออกแบบระบบพลังงานสะอาด ในอนาคต คาสาคัญ: การปฏิรูปไอน้ามีเทน / ระบบควบคุม / OpenModelica / เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง / พลังงานสะอาด ก Name Thesis Title Miss. Tidanet Keyourawong Mr. Kitchanut Karnmongkolvanit Design and Development of a Mathematical Model for a Reformer and Emulator in a 1D System Using OpenModelica Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Chayanon Serttikul, Ph.D. Academic year 2024 Abstract This project focuses on the design and development of a mathematical model for a reformer device and a control system (emulator) within a one-dimensional framework. Utilizing OpenModelica as the primary simulation tool, the model replicates the behavior of converting hydrocarbon fuel into hydrogen for use in solid oxide fuel cells (SOFC). The simulation incorporates fundamental equations of mass balance, energy balance, and chemical reaction rates pertinent to steam reforming, while also accounting for factors such as temperature, pressure, and inlet flow rates to ensure theoretical consistency. Additionally, the project has developed an emulator to control valve operations for fuel delivery to the SOFC. Preliminary experiments demonstrate that the developed model and control system effectively simulate the device, thereby reducing the cost of real-world experiments and offering potential applications in the design of clean energy systems. Keywords: Methane steam reformer / Control System / OpenModelica / Solid Oxide Fuel Cell / Clean Energy ข กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้ สามารถสาเร็จลุล่วงไปด้วยดี เนื่องจากได้รับ ความกรุณาและการ สนับสนุนทางวิชาการอย่างเต็มที่ รวมถึงให้กาลังใจและให้คาแนะนาในการแก้ไขปัญหาให้สาเร็จลุล่วง ไปด้วยดีจากอาจารย์ที่ปรึกษาโครงงาน ดร.ชยานนท์ เสริฐธิกุล , อาจารย์ที่ปรึกษาร่วม รศ.ดร.สุธรรม ปทุมสวัสดิ์ และที่ปรึกษาร่วม คุณธนพล พู่จิตร์กานนท์ ผู้จัดทาขอขอบพระคุณเป็นอย่างสูงไว้ ณ ที่นี้ นอกจากนี้ขอขอบพระคุณ DAAD Program „SDG-Partnerschaften 2022-2025“Projekt: „Coll. Ed.,Resear,Work-Int. in Future Clean Ener. Tech – H2 as Energy Storage“ ProjektID: 57612097 ที่ให้โอกาสผู้จัดทาได้จัดทาโครงงานนี้ขึ้นมา อี ก ทั้ ง ขอขอบพระคุ ณ คณะกรรมการสอบที่ ไ ด้ ใ ห้ คาแนะนาที่เ ป็ นประโยชน์ รวมถึ ง ให้ คาปรึกษาความรู้เพิ่มเติมจนสามารถนาเอามาปรับปรุงแก้ปัญหาในโครงงานได้ในที่สุด รวมถึงขอขอบพระคุณ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน -อวกาศ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ที่ ได้อานวยความสะดวกด้านทรัพยากรและการ บริหารจัดการ ตลอดระยะเวลาการดาเนินงาน และขอขอบคุณเพื่อนร่วมจัดทาโครงงานที่ช่วยกันแก้ไขปัญหา และรับผิดชอบในส่วนงานของ ตัวเองได้ดี รวมถึงได้แลกเปลี่ยนความรู้และกาลังใจต่อกันจนสามารถผ่านอุปสรรคกันไปได้ด้วยดี สุดท้ายนี้ขอขอบพระคุณผู้ที่มีส่วนเกี่ยวข้องทั้งหมดกับโครงงานนี้ และหวังว่าโครงงานฉบับนี้จะ เป็นประโยชน์สาหรับหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง และผู้ที่ต้องการศึกษาต่อไป นางสาวธิดาเนตร เกยูรวงศ์ นายกฤษฏิ์ชนัต การมงคลวณิชย์ ค สารบัญ บทที่ 1 บทนา ....................................................................................................................................1 1.1 ที่มาและความสาคัญของปัญหา .............................................................................................1 1.2 แนวคิดหลักการในการแก้ปัญหา ............................................................................................2 1.3 วัตถุประสงค์ ..........................................................................................................................2 1.4 ขอบเขตโครงงาน ...................................................................................................................3 1.5 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ .........................................................................................3 1.6 งบประมาณ ...........................................................................................................................3 1.7 แผนการดาเนินงาน ................................................................................................................4 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ...................................................................................................................5 2.1 ผลงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ............................................................................................................5 2.2 เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid Oxide Cells) ...........................................................6 2.3 ประเภทของเชื้อเพลิงไฮโดรเจน .............................................................................................7 2.3.1 ไฮโดรเจนสีเทา (Grey hydrogen) ............................................................................... 7 2.3.2 ไฮโดรเจนสีน้าเงิน (Blue hydrogen) ........................................................................... 7 2.3.3 ไฮโดรเจนสีน้าตาล (Brown hydrogen) ...................................................................... 8 2.3.4 ไฮโดรเจนสีเขียว (Green hydrogen) .......................................................................... 8 2.3.5 ไฮโดรเจนสีฟ้าอมเขียว (Turquoise hydrogen) .......................................................... 8 2.3.6 ไฮโดรเจนสีชมพู (Pink hydrogen) .............................................................................. 8 2.3.7 ไฮโดรเจนสีเหลือง (Yellow hydrogen) ...................................................................... 8 2.3.8 ไฮโดรเจนสีขาว (White hydrogen) ............................................................................ 9 2.4 เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) ........................................................................................9 2.5 ประเภทของกระบวนการผลิต ............................................................................................. 10 2.5.1 การปฏิรูปสารประกอบไฮโดรคาร์บอนให้เป็นไฮโดรเจนด้วยไอน้า (SR)....................... 10 2.5.2 การออกซิเดชันบางส่วน (POX) .................................................................................. 10 ง 2.5.3 กระบวนการออโตเทอร์มอลรีฟอร์มมิ่ง (ATR) ............................................................. 10 2.6 โปรแกรม OpenModelica ................................................................................................ 11 2.7 สมการที่เกี่ยวข้อง ............................................................................................................... 12 2.7.1 สมการทางเคมี (Chemical reaction equation) ..................................................... 12 2.7.2 สมการสมดุลมวล (Mass balance equations) ........................................................ 12 2.7.3 สมการสมดุลพลังงาน (Energy balance equation) ................................................ 13 2.7.4 สมการสมดุลโมเมนตัม (Momentum balance equation) ..................................... 13 2.7.5 สมการแฟกเตอร์ความเสียดทาน (Friction factor equation) .................................. 13 2.7.6 สมการความจุความร้อนจาเพาะ (Specific heat capacity equation) .................... 13 2.7.7 สมการความหนืดไดนามิก (Dynamic viscosity) ....................................................... 14 2.7.8 สมการอัตราของปฏิกิริยา (Rate of reactions equation) ....................................... 14 2.7.9 สมการปริมาณพลังงานความร้อนของปฏิกิริยา (Enthalpy of reactions equation)14 2.8 โปรแกรมที่ใช้สร้างและพัฒนาระบบควบคุม (Emulator) ................................................... 15 2.8.1 โปรแกรม Arduino IDE ............................................................................................. 15 2.8.2 โปรแกรม Microsoft Visual Studio ......................................................................... 15 2.9 อุปกรณ์ที่ใช้ ........................................................................................................................ 15 2.9.1 Thermal Gas Mass Flowmeter ............................................................................. 15 2.9.2 Needle Valve .......................................................................................................... 16 2.9.3 Modbus RS485 ........................................................................................................ 16 2.9.4 ESP32 30 Pin ........................................................................................................... 16 2.9.5 Stepper Motor Driver............................................................................................. 17 2.9.6 Stepper Motor ........................................................................................................ 17 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ .......................................................................................................... 19 3.1 ความต้องการของโครงงาน ................................................................................................. 19 3.2 ข้อจากัด.............................................................................................................................. 19 3.3 ข้อกาหนด ........................................................................................................................... 20 3.4 มาตรฐาน ............................................................................................................................ 20 จ 3.5 ภาพรวมแบบจาลองของระบบการปฏิรูปเชื้อเพลิงด้วยไอน้า ............................................... 21 3.6 เครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์ .............................................................................................. 21 3.7 แนวทางในการแก้ไขปัญหา ................................................................................................. 22 3.7.1 การออกแบบและวิเคราะห์ด้วยวิธี Exact Solution ................................................... 22 3.7.2 ตัวอย่างการแก้ปัญหาของวิธี Exact Solution ........................................................... 22 3.7.3 การออกแบบและวิเคราะห์ด้วยวิธี Laplace Transform ........................................... 23 3.7.4 ตัวอย่างการแก้ปัญหาของวิธี Laplace Transform ................................................... 24 3.7.5 การออกแบบและวิเคราะห์ด้วยวิธี Numerical Methods ......................................... 26 3.7.6 ตัวอย่างการแก้ปัญหาของวิธี Numerical Methods.................................................. 28 3.8 วิธีการและระบบสมการที่ใช้ในการวิเคราะห์ ....................................................................... 29 3.8.1 วิธีการที่เลือกใช้ในการวิเคราะห์ ................................................................................. 29 3.8.2 ระบบสมการที่ใช้ในการวิเคราะห์ ................................................................................ 29 3.9 วิธีใช้งานแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าพื้นฐาน ................................................................ 34 3.10 วิธีใช้งานแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่ ........................ 36 3.11 วิธีใช้งานแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ .................... 37 3.12 ภาพรวมแบบจาลองการออกแบบและพัฒนาอีมูเลเตอร์ ..................................................... 38 3.13 แบบโครงสร้างที่ใช้ในการจาลองอีมูเลเตอร์ ......................................................................... 38 3.14 การทดสอบความเที่ยงตรงของ Gas Mass Flow Meter.................................................... 39 3.14.1 ข้อมูลสาหรับการเทียบ Gas Mass Flow Meter ในการใช้งานจริง ............................ 41 3.15.1 การดึงค่า Address ของค่า Flowrate จาก Gas Mass Flow Meter........................ 42 3.15.2 การหาประเภทของข้อมูลดิบ ...................................................................................... 42 3.15 วิธีการใช้งานระบบควบคุม (Emulator) ............................................................................. 43 บทที่ 4 ผลการทดลอง ..................................................................................................................... 45 4.1 ผลลัพธ์แบบจาลองของการปฏิรูปด้วยไอน้าพื้นฐาน ............................................................ 45 4.2 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่ ........................... 47 4.3 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ ....................... 49 ฉ 4.3.1 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ โดย กาหนดให้เงื่อนไขขอบเขตซ้ายคงที่ ............................................................................. 50 4.3.2 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ โดย กาหนดให้เงื่อนไขขอบเขตซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม ....... 51 4.4 ผลลัพธ์ระบบควบคุม (Emulator) จากการทดสอบแบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละ 1 ค่า. ................................................................................................................................. 53 4.5 ผลลัพธ์ระบบควบคุม (Emulator) จากการทดสอบแบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละ หลายค่า .............................................................................................................................. 54 บทที่ 5 สรุปผล................................................................................................................................ 56 5.1 สรุปผลการดาเนินงาน......................................................................................................... 56 5.2 ปัญหาที่เกิดขึ้น ................................................................................................................... 56 5.3 ข้อเสนอแนะ ....................................................................................................................... 57 เอกสารอ้างอิง ................................................................................................................................. 58 ภาคผนวก ก. การเขียนอัลกอริทึมแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้า .................................................. 60 ภาคผนวก ข. การเขียนอัลกอริทึมแบบจาลองระบบควบคุม............................................................ 62 ภาคผนวก ค. การออกแบบและต่อวงจรระบบควบคุม (Emulator) ................................................ 64 ภาคผนวก ง. การออกแบบและสร้างโครงสร้างระบบควบคุมที่ใช้จริง (Emulator).......................... 66 ช สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 งบประมาณ ................................................................................................................. 3 ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงาน...................................................................................................... 4 ตารางที่ 3.1 ค่าคงที่ของ Arrhenius equation ............................................................................ 31 ตารางที่ 3.2 ค่าคงที่ของ Van’t Hoff equation ........................................................................... 31 ตารางที่ 3.3 ค่าสัมประสิทธิ์ของปฏิกิริยา (Stoichiometric coefficient) ..................................... 32 ตารางที่ 3.4 ค่าคงที่ของความจุความร้อนจาเพาะของก๊าซต่างๆ .................................................... 32 ตารางที่ 3.5 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter ก่อนปรับเทียบ ................................ 40 ตารางที่ 3.6 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter หลังปรับเทียบ ................................ 40 ตารางที่ 4.1 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละ 1 ค่า .. 53 ตารางที่ 4.2 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละหลายค่า ........................................................................................................................................................ 55 ซ สารบัญรูปภาพ รูปที่ 1.1 แผนผังแนวคิดหลักการในการแก้ปัญหา ............................................................................ 2 รูปที่ 2.1 เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid Oxide Cells)....................................................... 7 รูปที่ 2.2 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเทา (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีน้าเงิน ................... 9 รูปที่ 2.3 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีน้าตาล (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ................ 9 รูปที่ 2.4 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีฟ้าอมเขียว (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีชมพู .......... 9 รูปที่ 2.5 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเหลือง (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีขาว .................. 9 รูปที่ 2.6 เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) ................................................................................. 10 รูปที่ 2.7 (a) การปฏิรูปสารประกอบไฮโดรคาร์บอนให้เป็นไฮโดรเจนด้วยไอน้า (b) การออกซิเดชันบางส่วน (c) กระบวนการออโตเทอร์มอลรีฟอร์มมิ่ง .......................................... 11 รูปที่ 2.8 ตัวอย่างระบบ Pumping ในโมดูล ประเภท Fluid ......................................................... 11 รูปที่ 2.9 Thermal Gas Mass Flowmeter ................................................................................. 15 รูปที่ 2.10 Needle Valve............................................................................................................. 16 รูปที่ 2.11 Modbus RS485 .......................................................................................................... 16 รูปที่ 2.12 ESP32 30 Pin.............................................................................................................. 17 รูปที่ 2.13 Stepper Motor Driver ............................................................................................... 17 รูปที่ 2.14 Stepper Motor .......................................................................................................... 18 รูปที่ 3.1 แบบจาลองระบบท่อของเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) ........................................... 21 รูปที่ 3.2 Insulated wire.............................................................................................................. 23 รูปที่ 3.3 สมการการขนส่งบนเส้นครึ่งเส้น ...................................................................................... 25 รูปที่ 3.4 Stencil indicates the four types of terms in the finite difference .................... 28 รูปที่ 3.5 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะทางเข้าของสารตั้งต้นมีเทน ........................................... 35 รูปที่ 3.6 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะทางเข้าของไอน้า........................................................... 35 รูปที่ 3.7 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะของอุณหภูมิและความดันของเครื่องปฏิรูปด้วยไอน้า .... 35 รูปที่ 3.8 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะขาเข้าต่างๆและตัวแปรของสมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา ........................................................................................................................................................ 36 รูปที่ 3.9 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าขนาดของเครื่องและตัวแปรเฉพาะสาหรับการคานวณ ............. 36 รูปที่ 3.10 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะขาเข้าต่างๆและตัวแปรของสมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา ........................................................................................................................................................ 37 ฌ รูปที่ 3.11 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าขนาดของเครื่องและตัวแปรเฉพาะสาหรับการคานวณ........... 37 รูปที่ 3.12 แบบจาลองการออกแบบและพัฒนาอีมูเลเตอร์ ............................................................. 38 รูปที่ 3.13 ขนาดโครงสร้างที่ใช้ในการจาลองอีมูเลเตอร์ ................................................................. 39 รูปที่ 3.14 การติดตั้งการทดสอบความเที่ยงตรงของ Gas Mass Flow Meter .............................. 39 รูปที่ 3.15 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter ก่อนปรับเทียบ ................................... 40 รูปที่ 3.16 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter หลังปรับเทียบ ................................... 41 รูปที่ 3.17 กราฟเทียบ Gas Mass Flow Meter ในการใช้งานจริง ................................................ 41 รูปที่ 3.18 หน้าต่างแสดง Address ของค่า Flowrate จาก Gas Mass Flow Meter................... 42 รูปที่ 3.19 หน้าต่างแสดงประเภทของข้อมูลดิบ ............................................................................. 43 รูปที่ 3.20 หน้าต่างการใช้งานระบบควบคุม (Emulator) .............................................................. 43 รูปที่ 3.21 ไฟล์ csv. สาหรับการกรอกค่า Flowrate ที่ต้องการ .................................................... 44 รูปที่ 4.1 แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าแบบพื้นฐาน ................................................................... 45 รูปที่ 4.2 ปริมาณสารที่เปลี่ยนภายใต้สภาวะของความดันที่เปลี่ยนไปในปฏิกิริยาการปฏิรูปมีเทนด้วย ไอน้าที่อุณหภูมิ 700°C สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 โมล ต่อไอน้า 3 โมล โดยเส้นตรงแสดงถึงปริมาณ สารที่จาลองจากโปรแกรม และเส้นประแสดงถึงค่าจากผลงานวิจัย ................................................. 46 รูปที่ 4.3 ปริมาณสารที่เปลี่ยนภายใต้สภาวะของความดันที่เปลี่ยนไปในปฏิกิริยาการปฏิรูปมีเทนด้วย ไอน้าที่อุณหภูมิ 900°C สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 โมล ต่อไอน้า 3 โมล โดยเส้นตรงแสดงถึงปริมาณ สารที่จาลองจากโปรแกรม และเส้นประแสดงถึงค่าจากผลงานวิจัย ................................................. 46 รูปที่ 4.4 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.18 m) ณ เวลาต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/ .................. 47 รูปที่ 4.5 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ 45 วินาที ณ ตาแหน่งต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/s ................ 48 รูปที่ 4.6 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.4 m) ณ เวลาต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/s ................ 48 รูปที่ 4.7 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ 45 วินาที ณ ตาแหน่งต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/s ................ 49 รูปที่ 4.8 แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าแบบพื้นฐานในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ ........... 50 รูปที่ 4.9 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของก๊าซที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายคงที่ ............................................................................................................................. 50 ญ รูปที่ 4.10 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของแข็งที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายคงที่ ............................................................................................................................. 51 รูปที่ 4.11 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโล ปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไขขอบเขต ซ้ายคงที่ .......................................................................................................................................... 51 รูปที่ 4.12 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของก๊าซที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม........................................................ 52 รูปที่ 4.13 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของแข็งที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม........................................................ 52 รูปที่ 4.14 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโล ปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไขขอบเขต ซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม ..................................................................... 53 รูปที่ 4.15 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละ 1 ค่า ..... 54 รูปที่ 4.16 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละหลายค่า . 55 รูปที่ ก.1 อัลกอริทึมส่วนหลักแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าพื้นฐาน ............................................ 61 รูปที่ ก.2 อัลกอริทึมส่วนหลักแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่ .... 61 รูปที่ ก.3 อัลกอริทึมส่วนหลักทึมแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ ........................................................................................................................................................ 61 รูปที่ ข.1 อัลกอริทึมบางส่วนของระบบควบคุมผ่านโปรแกรม Arduino IDE .................................. 63 รูปที่ ข.2 อัลกอริทึมบางส่วนของระบบควบคุมผ่านโปรแกรม Microsoft Visual Studio ............. 63 รูปที่ ค.1 การออกแบบวงจรระบบควบคุม (Emulator) ................................................................. 65 รูปที่ ค.2 การต่อวงจรระบบควบคุม (Emulator) ........................................................................... 65 รูปที่ ง.1 การออกโครงสร้างระบบควบคุม (Emulator).................................................................. 67 รูปที่ ง.2 โครงสร้างระบบควบคุมที่ใช้จริง....................................................................................... 67 ฎ บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญของปัญหา การพัฒนาพลังงานสะอาดและยั่งยืนเป็นประเด็นที่สาคัญในยุคปัจจุบัน เนื่องจากการใช้พลังงาน ฟอสซิลทาให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เช่น การปล่อยก๊าซเรือนกระจกและมลพิษทางอากาศ ซึ่ง เซลล์เชื้อเพลิง SOFC มีศักยภาพสูงในการเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพซึ่งใช้งานได้กับ เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามการใช้งาน SOFC ยังมีปัญหาหลายด้านที่ต้องการการ วิจัย และพัฒ นา หนึ่งในปัญหาที่ต้องพั ฒ นาคื อการแปลงเชื้อ เพลิง ที่ อยู่ ในรูปของสารประกอบ ไฮโดรคาร์บอนให้เป็นเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนที่เหมาะสมสาหรับการใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิงประเภท SOFC โดยการใช้ Reformer ด้วยเหตุนี้จึงเกิดความร่วมมือระหว่างมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอม เ ก ล้า พ ระ น ค ร เ ห นื อ ( King Mongkut's University of Technology North Bangkok) แ ละ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแบรนเดนบวร์ก (Brandenburg University of Technology) ภายใต้การ สนับสนุนจากโครงการ DAAD (The German Academic Exchange Service) ซึ่งมีวัตถุประสงค์ใน การส่งเสริมการศึกษาและการวิจัยในด้านพลังงานสะอาดแห่งอนาคต โดยมุ่งเน้นไปที่ประโยชน์จาก การใช้งานอุปกรณ์ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ซึ่งโครงการได้มอบหมายให้ผู้จัดทาทาการศึกษา และออกแบบหนึ่งในส่วนประกอบของระบบ SOFC คือ เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิ ง (Reformer) โดย อุปกรณ์ SOFC เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งที่ผลิตกระแสไฟฟ้า จากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีโดยจะใช้ เชื้อเพลิงไฮโดรเจนซึ่งผลิตได้จากแก๊สมีเทนเป็นสารตั้งต้นสาหรับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีดังกล่าว จะเห็นได้ ว่าการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนผ่านกระบวนการปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reforming) เป็นขั้นตอนที่สาคัญใน การแยกไฮโดรเจนออกจากเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน โดยกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับองค์ความรู้ด้าน เทอร์โมไดนามิกส์และปฏิกิริยาทางเคมีที่ซับซ้อน รวมถึงต้องการการออกแบบและควบคุมที่แม่นยา เพื่อให้ได้ป ระสิทธิภาพสูงสุดในระบบ SOFC ทั้งนี้ประโยชน์ที่ได้จากการออกแบบโมดูลสาหรับ อุปกรณ์ดังกล่าวผ่านแบบจาลองทางคณิตศาสตร์ด้วยโปรแกรม OpenModelica นั้นจะช่วยเติมเต็ม การออกแบบระบบในภาพรวมสาหรับการใช้ประโยชน์จากเซลล์เชื้อเพลิงประเภท SOFC ให้สมบูรณ์ ยิ่งขึ้น และยังสามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายในการจัดหาโมดูลสาเร็จรูปผ่านฐานข้อมูล (Library) อีก ประการหนึ่งด้วย 1 1.2 แนวคิดหลักการในการแก้ปัญหา โครงการนี้อาศัยหลักการในการออกแบบและพัฒนาเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) สาหรับ ระบบ SOFC โดยเริ่มจากการศึกษาและวิเคราะห์ทางทฤษฎีเพื่อทาความเข้าใจเกี่ยวกับหลักการ ทางานของกระบวนการ Reforming จากนั้นทาการออกแบบเชิงวิศวกรรมโดยพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น ชนิดสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ , ปฏิกิริยาเคมี, ค่าคงที่ของปฏิกิริยา, อุณหภูมิ, ความดัน และ อัตราการไหลของสารตั้งต้น หลังจากการออกแบบเบื้องต้นจะทาการสร้างแบบจาลองเชิงตัวเลขโดย ใช้โ ปรแกรม OpenModelica ในการวิเคราะห์ผ ลลั พธ์ในระบบ 1 มิติ เพื่อศึกษาและวิ เคราะห์ พฤติกรรมของเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิงภายใต้เงื่อนไขต่าง ๆ จากนั้นสร้างแบบจาลองสาหรับการควบคุม การเปิด-ปิดวาล์วในการป้อนผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงให้กับอุปกรณ์ SOFC โดยสามารถนามาใช้ประโยชน์ ในการเดินอุปกรณ์เซลล์เชื้อเพลิง SOFC โดยที่ไม่จาเป็นต้องมีเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) เช่น กรณีที่ทดลองในห้องแลปที่จะสามารถต่อท่อจากถังบรรจุก๊าซประเภทต่างๆ โดยใช้วาล์วที่ออกแบบ ควบคุมอัตราการไหลของก๊าซแต่ละชนิดก่อนรวมเข้าระบบท่อเดียวกัน และส่งเข้าสู่อุปกรณ์เซลล์ เชื้อเพลิง SOFC ดังนั้นการจาลองทั้งหมดนี้ช่วยให้สามารถปรับปรุงการออกแบบและการควบคุ มใน การป้อนผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงให้กับอุปกรณ์ SOFC ได้อย่างเหมาะสม และสามารถประหยัดค่าใช้จ่าย ในการซื้อเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) ของจริง และการซื้อสิทธิ์การเข้าถึงฐานข้อมูลที่ใช้ในการ ออกแบบอุปกรณ์ส่วนควบต่างๆที่อยู่ภายในระบบเซลล์เชื้อเพลิง รูปที่ 1.1 แผนผังแนวคิดหลักการในการแก้ปัญหา 1.3 วัตถุประสงค์ 1) ศึกษาปริมาณสารผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ภายหลังจากการเกิดกระบวนการแตกตัวภายในอุปกรณ์ Reformer ตามขนาดและเงื่อนไขที่กาหนด 2) พัฒนาแบบจาลองสาหรับตัวควบคุม (Emulator) สาหรับอุปกรณ์ Reformer 2 1.4 ขอบเขตโครงงาน 1) สร้างแบบจาลองทางคณิตศาสตร์เพื่อออกแบบกระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ภายใน อุปกรณ์ Reformer เชิงตัวเลขแบบ 1 มิติด้วยโปรแกรม OpenModelica 2) สร้างแบบจาลองสาหรับควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วในการป้อนผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงให้กับ อุปกรณ์ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) 1.5 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ 1) สามารถเข้าใจกระบวนการทางานและการออกแบบของอุปกรณ์ Reformer 2) สามารถสร้างแบบจาลองและวิเคราะห์ผลลัพธ์โดยโปรแกรม OpenModelica ได้ 3) สามารถนาไปใช้เป็นแนวทางการศึกษาสาหรับผู้ที่สนใจ Reformer ได้อย่างมีประสิทธิภาพ 4) ประหยัดค่าใช้จ่ายในการซื้อสิทธิ์การเข้าถึงฐานข้อมูลที่ใช้ในการออกแบบอุปกรณ์ส่วนควบ ต่างๆที่อยู่ภายในระบบเซลล์เชื้อเพลิง 1.6 งบประมาณ ตารางที่ 1.1 งบประมาณ รายละเอียด 1. ค่าอุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกส์ 2.ค่าวัสดุที่ใช้ในการทดลอง งบประมาณรวม งบประมาณ (บาท) 3,000 3,000 6,000 3 1.7 แผนการดาเนินงาน ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงาน รายละเอียด ผูร้ับผิดชอบ P/A ก.ค. Proposal 1. กาหนดหัวข้อโครงงาน กฤษฏิช์ นัต 2. ศึกษาข้อมูลและทฤษฎีที่เกีย่ วข้อง กฤษฏิช์ นัต 3. กาหนดวัตถุประสงค์ ธิดาเนตร 4. กาหนดขอบเขตงาน ธิดาเนตร 5. ศึกษาและออกแบบการจาลองอุปกรณ์ Reformer ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ 6. ศึกษาการใช้งานโปรแกรมการจาลอง อุปกรณ์ Reformer Progress 1 7. สร้างการจาลองอุปกรณ์ Reformer ด้วยโปรแกรม 8. วิเคราะห์ผลจากการจาลองด้วย โปรแกรม และเปรียบเทียบกับงานวิจัย Progress 2 9. ศึกษาการใช้งานอุปกรณ์และ โปรแกรมสาหรับตัวควบคุม (Emulator) 10. ออกแบบและสร้างตัวควบคุม (Emulator) กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร P A P A P A P A P A P A หัวหน้าเฟส: กฤษฏิช์ นัต กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร กฤษฏิช์ นัต P A P A หัวหน้าเฟส: ธิดาเนตร กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร P A P A หัวหน้าเฟส: กฤษฏิช์ นัต Final 11. ทดสอบตัวควบคุม (Emulator) 12. สรุปผล 13. จัดทาเล่มปริญญานิพนธ์ พ.ศ.2567 ส.ค. ก.ย. ต.ค. พ.ย. หัวหน้าเฟส: ธิดาเนตร กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร ธิดาเนตร กฤษฏิช์ นัต,ธิดาเนตร P A P A P A 4 ธ.ค. ม.ค. พ.ศ.2568 ก.พ. มี.ค. บทที่ 2 ทฤษฎีทเี่ กีย่ วข้อง ในบทนี้จะกล่าวถึงการค้นคว้าหาข้อมูลพื้นฐานจากงานวิจัยที่เกี่ยวข้องเพื่อให้เข้าใจถึงประเภท ของไฮโดรเจน และกระบวนการผลิ ต ไฮโดรเจน รวมถึ ง ระบบสมการที่ ใ ช้ ใ นการออกแบบทาง คณิ ต ศาสตร์ ตลอดจนการสื บ หาข้ อ มู ล ในการสร้า งแบบจาลองทางคณิ ต ศาสตร์ เ พื่ อ ออกแบบ กระบวนการแตกตัวให้ได้สารผลิตภัณฑ์ (ก๊าซไฮโดรเจน) ในอุปกรณ์ Reformer เชิงตัวเลขแบบ 1 มิติ ด้วยโปรแกรม OpenModelica และศึกษาอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องในการสร้างแบบจาลองควบคุมการ เปิด-ปิดวาล์วในการป้อนเชื้อเพลิงให้กับอุปกรณ์ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) 2.1 ผลงานวิจยั ทีเ่ กีย่ วข้อง Umarul Imran Amrana และคณะ [1] เสนอการจาลองจลนศาสตร์ของกระบวนการปฏิรูป มีเทนด้วยไอน้า (SMR) และปฏิกิริยา Water Gas Shift (WGS) เพื่อผลิตไฮโดรเจน โดยใช้บล็อก แบบจาลอง RPLUG และใช้ โ มเดลจลนศาสตร์ Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) ที่ปรับรูปแบบใหม่ ในโปรแกรม Aspen Plus ซึ่งพบว่ามีผลการจาลองสอดคล้องกับข้อมูล วรรณกรรมเชิงวิชาการ และได้ทาการวิเคราะห์ผลกระทบของพารามิเตอร์ เช่น อุณหภูมิ, ความดัน, น้าหนักตัว เร่งปฏิกิริยา และอัตราส่วนของสารตั้งต้นที่เข้าสู่กระบวนการเพื่อปรับปรุงและเพิ่ม ประสิทธิภาพของกระบวนการ ซึ่งการจาลองกระบวนการโดยใช้โปรแกรม Aspen Plus จะต้องเสีย ค่าใช้จ่ายเพื่อได้สิทธิ์เข้าถึงฐานข้อมูล ทางผู้จัดทาจึง มีวัตถุประสงค์ในการสร้างแบบจาลองทาง คณิตศาสตร์เพื่อออกแบบกระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะสามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายใน การจั ด หาโมดู ล สาเร็ จ ของอุ ป กรณ์ ดั ง กล่า วผ่า นฐานข้ อ มู ล (Library) และยั ง สามารถจาลอง กระบวนการได้อย่างมีประสิทธิภาพ Ruoxuan Fan และคณะ [2] นาเสนอการจาลองระบบบูรณาการของเซลล์เชื้อเพลิงประเภท Proton Exchange Membrane (PEMFC) ในลักษณะระบบความร้อนร่วมโดยใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ที่ผลิตได้จากยูนิตรีฟอร์มเมอร์โดยใช้โปรแกรม Aspen และ MATLAB พร้อมทั้งประเมินประสิทธิภาพ ด้านเอกเซอร์ยีและด้านเศรษฐศาสตร์เพื่อปรับปรุงระบบในภาพรวม 5 Mohammad Irani [3] จาลองปฏิกิริยาของกระบวนการปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้า (SMR) ภายใน ตัวปฏิกรณ์แบบโมโนลิทถูกศึกษาและเปรียบเทียบโดยใช้สองแนวทาง โดยแนวทางแรกสมมติว่า ปฏิกิริยาเกิดขึ้นบนผิวผนังของตัวปฏิกรณ์ ส่วนแนวทางที่สองปฏิกิริยาเกิดขึ้นในชั้นบางๆใกล้ผนัง ซึ่ง การทดลอง SMR ถูกพัฒนาโดยแบบจาลอง CFD ทั้งสองแนวทาง ซึ่งการจาลอง CFD ถือเป็นการ ทดลองเชิงตัวเลขที่มีความแม่นยาสูง แต่ว่าการจาลอง CFD ในวรรณกรรมเชิงวิชาการนี้นั้นเป็นเพียง การศึกษาพฤติกรรมที่เกิดขึ้น ภายในตัวปฏิกรณ์แบบโมโนลิท จึงยังไม่สามารถสร้างโมดูลการจาลองที่ สามารถนาไปเชื่อมต่อกับโมดูลอื่นในระบบ SOFC เพื่อการจาลองแบบเป็นระบบได้ Zhihong Wu และคณะ [4] นาเสนอผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจาลองพฤติกรรมการเกิดปฏิกิริยาเคมี ภายในรีฟอร์มเมอร์ที่บรรจุโฟมโลหะ (Metal Foam) ที่สามารถช่วยให้การผลิตแก๊สไฮโดรเจนภายใน อุปกรณ์ทาได้ดีขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้พบว่าโฟมโลหะช่วยให้ความเร็วการไหลภายในอุปกรณ์เร็วขึ้น 7.69% และความดันลดลง 4.82% ส่งผลให้ประสิทธิภาพการไหลและการถ่ายเทความร้อนดีขึ้น ทาให้ ประสิทธิภาพโดยรวมในการผลิตไฮโดรเจนทาได้ดีขึ้น Thomas N. From และคณะ [5] ดาเนินการทดลองการแปรรูปแก๊สมีเทนด้วยไอน้าจากไฟฟ้า ของยูนิตรีฟอร์มเมอร์ซึ่งอยู่ภายในโรงงานต้นแบบขนาดเล็ก (Pilot Plant) โดยมุ่งเน้นศึกษาศักยภาพ ในส่วนของเวลาที่ใช้ระหว่างเริ่มต้นเดินเครื่องถึงสภาวะการทางานคงที่และศักยภาพในการการดักจับ แก๊ส คาร์บ อนไดออกไซด์ (CO2) ระหว่างกระบวนการแปรรู ปแก๊ ส มีเ ทน (Reforming Process) ดังกล่าว 2.2 เซลล์เชือ้ เพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid Oxide Cells) เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid Oxide Cells) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้สารเซรามิ กส์ อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสารที่ใช้มากคือ สารประกอบของเซอร์โคเนียม โดยให้ความร้อนอิเล็กโทรไลต์ 1,000 องศาเซลเซียส โดยมีไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนด ซึ่งก๊าซไฮโดรเจนอยู่ที่ขั้วไฟฟ้า แอโนดทาปฏิกิริยากับไอออนออกซิเจนให้น้าและอิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนจะทาให้เกิดกระแสไฟฟ้า และเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้มีความยืดหยุ่นในเรื่องความบริสุทธิ์ของก๊าซไฮโดรเจน 6 รูปที่ 2.1 เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid Oxide Cells) 2.3 ประเภทของเชือ้ เพลิงไฮโดรเจน การจาแนกประเภทของเชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้นสามารถจาแนกจากชนิดของแหล่งพลังงานและวิธี ในการผลิตไฮโดรเจน โดยแบ่งออกเป็น 8 สี ดังนี้ 2.3.1 ไฮโดรเจนสีเทา (Grey hydrogen) ไฮโดรเจนสีเทาคือไฮโดรเจนที่ผลิตขึ้นโดยใช้ก๊าซธรรมชาติ ซึ่งไฮโดรเจนสีเทาคิดเป็นประมาณ 95% ของไฮโดรเจนที่ผลิตในโลกในปัจจุบัน กระบวนผลิตนี้จะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา และถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ 2.3.2 ไฮโดรเจนสีนา้ เงิน (Blue hydrogen) ไฮโดรเจนสีน้าเงินคล้ายกับไฮโดรเจนสีเทา แต่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะถูกกักเก็บไว้ ในพื้นดิน โดยใช้เทคโนโลยีการดักจับและกักเก็บคาร์บอน(CCS: Carbon Capture and Storage) ซึง่ ไฮโดรเจนสีน้าเงินเป็นทางเลือกที่สะอาดกว่าไฮโดรเจนสีเทาแต่มีราคาแพงกว่า 7 2.3.3 ไฮโดรเจนสีนา้ ตาล (Brown hydrogen) ไฮโดรเจนสีน้าตาลคือไฮโดรเจนที่ผลิตโดยใช้ถ่านหินดา (Black Coal) หรือ ลิกไนต์ (Brown Coal) และผ่านกระบวนการ แก๊สซิฟิเคชัน (Gasification) ซึ่งเป็นวิธีการที่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม มากที่สุด 2.3.4 ไฮโดรเจนสีเขียว (Green hydrogen) ไฮโดรเจนสีเขียวคือไฮโดรเจนที่ผลิตขึ้นโดยใช้ การจ่ายไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานสะอาด เช่น ลม และแสงอาทิตย์ ซึ่งไฮโดรเจนสีเขียวจะเกิดขึ้นเมื่อน้า ถูกแบ่งออกเป็นไฮโดรเจน และออกซิเจน โดย กระบวนการแยกอะตอมของน้าเรียกอีกอย่างว่าอิเล็กโทรลิซิส (Electrolysis) ถือว่าเป็นกระบวนการ ที่มีราคาแพง แต่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าประเภทของเชื้อเพลิงไฮโดรเจนสีอื่น 2.3.5 ไฮโดรเจนสีฟา้ อมเขียว (Turquoise hydrogen) ไฮโดรเจนสีฟ้าอมเขียวเป็นแนวคิดใหม่ในการผลิตไฮโดรเจน และยังไม่ถูกนาไปผลิตในระดับ อุตสาหกรรม ซึ่งไฮโดรเจนประเภทนี้จะถูกผลิตผ่านกระบวนการ Methane Pyrolysis โดยจะได้ คาร์บอน (ของแข็ง) เป็นผลิตภัณฑ์ร่วมด้วย 2.3.6 ไฮโดรเจนสีชมพู (Pink hydrogen) ไฮโดรเจนสี ช มพู ผ ลิ ต จากการแยกไฮโดรเจนจากน้า ด้ ว ยพลั ง งานไฟฟ้า หรื อ ที่ เ รี ย กว่า กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส (electrolysis) โดยใช้พลังงานจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 2.3.7 ไฮโดรเจนสีเหลือง (Yellow hydrogen) ไฮโดรเจนสี เ หลื อ งผลิ ต จากการแยกไฮโดรเจนจากน้า ด้ ว ยพลั ง งานไฟฟ้า หรื อ ที่ เ รี ย กว่า กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส (electrolysis) เช่นเดียวกับ ไฮโดรเจนสีช มพู แต่ใช้แหล่งพลังงานที่ หลากหลาย เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ 8 2.3.8 ไฮโดรเจนสีขาว (White hydrogen) ไฮโดรเจนสีขาวเป็นไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากผลพลอยได้ของกระบวนการทาง อุตสาหกรรม (a) (b) รูปที่ 2.2 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเทา (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีน้าเงิน (b) (a) รูปที่ 2.3 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีน้าตาล (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว (a) (b) รูปที่ 2.4 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีฟ้าอมเขียว (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีชมพู (a) (b) รูปที่ 2.5 (a) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเหลือง (b) กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีขาว 2.4 เครือ่ งปฏิรปู เชือ้ เพลิง (Reformer) เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในกระบวนการเปลี่ยนเชื้อเพลิงให้ เช่น ก๊าซ ธรรมชาติ มีเทน หรือเชื้อเพลิงของเหลว ให้กลายเป็นก๊าซเชื้อเพลิงหรือสารประกอบทางเคมี ที่ สามารถใช้ในกระบวนการต่อเนื่องได้ เช่น การผลิตไฮโดรเจน ก๊าซสังเคราะห์ (syngas) โดยเครื่อง ปฏิรูปเชื้อเพลิงสามารถทางานได้ผ่านกระบวนการทางเคมีต่างๆ ขึ้นอยู่กับชนิดของเชื้อเพลิงและ ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ 9 รูปที่ 2.6 เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) 2.5 ประเภทของกระบวนการผลิต 2.5.1 การปฏิรปู สารประกอบไฮโดรคาร์บอนให้เป็นไฮโดรเจนด้วยไอนา้ (SR) การปฏิรูปด้วยไอน้าเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนด้วยไอน้าให้ กลายเป็นไฮโดรเจน และคาร์บ อนมอนอกไซด์ ซึ่ง กระบวนการนี้ประหยัดและใช้กันอย่างแพร่ห ลายในอุตสาหกรรม เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงในการผลิตไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก ซึ่งถือเป็นข้อเสียของกระบวนการนี้ 2.5.2 การออกซิเดชันบางส่วน (POX) การออกซิเดชันบางส่วนเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงและอากาศผสมกันในสัดส่วนที่ ไม่สมบูรณ์ จนเกิดการเผาไหม้บางส่วนในรีฟอร์มเมอร์ กระบวนการนี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นกระบวนการ ที่ ส่ ง ผลกระทบต่ อ สิ่ ง แวดล้ อ มมาก เนื่ อ งจากมี การปล่ อ ยก๊า ซคาร์ บ อนไดออกไซด์ แ ละ คาร์บอนมอนอกไซด์ในปริมาณมาก ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาด้านมลพิษทางอากาศมากที่สุด 2.5.3 กระบวนการออโตเทอร์มอลรีฟอร์มมิ่ง (ATR) กระบวนการออโตเทอร์มอลรีฟอร์มมิ่งเป็นการรวมกันระหว่างการแปรรูปด้วยไอน้า (Steam Reforming: SR) และการออกซิเดชันบางส่วน (Partial Oxidation: POX) ข้อดีคือสามารถเริ่มต้น และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในการดาเนินงานได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นประโยชน์ในอุตสาหกรรม 10 ที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้มีความซับซ้อนและต้องใช้ต้นทุนการลงทุนสูง เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ทันสมัยและต้องการการบารุงรักษาที่ละเอียดอ่อน (a) (b) (c) รูปที่ 2.7 (a) การปฏิรูปสารประกอบไฮโดรคาร์บอนให้เป็นไฮโดรเจนด้วยไอน้า (b) การออกซิเดชันบางส่วน (c) กระบวนการออโตเทอร์มอลรีฟอร์มมิ่ง 2.6 โปรแกรม OpenModelica Modelica เป็นภาษาโปรแกรมที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในการสร้างแบบจาลองและการจาลอง สถานการณ์ของระบบเชิงพลวัต ซึ่งรวมถึง โมดูลของระบบทางกายภาพที่มีความซับซ้อน เช่น ระบบ ไฟฟ้า, ระบบเครื่องกล, ระบบความร้อน, ระบบไฮดรอลิค และระบบการควบคุม เป็นต้น โปรแกรม OpenModelica มีความสามารถในการปรับขยายและรองรับการสร้างแบบจาลองเชิงคณิตศาสตร์ที่ ซับซ้อน โดยมี ฐานข้อมูล ของพารามิเตอร์ มาตรฐานที่ครอบคลุมหลายโดเมน ช่วยให้ผู้ใช้สามารถ นามาใช้สร้างแบบจาลองได้อย่างรวดเร็ว อีกทั้งยังสามารถทาการจาลองสถานการณ์เพื่อศึ ก ษา พฤติกรรมของระบบภายใต้เงื่อนไขต่าง ๆ และใช้ผลลัพธ์ในการปรับปรุงหรือออกแบบระบบ รูปที่ 2.8 ตัวอย่างระบบ Pumping ในโมดูล ประเภท Fluid 11 2.7 สมการทีเ่ กีย่ วข้อง สาหรับรูปแบบอุปกรณ์ที่จะทาการสร้างแบบจาลองทางคณิตศาสตร์นั้นจะเป็นลักษณะการแปร รูปด้วยไอน้า (Steam Reforming: SR) เนื่องจากเป็นกระบวนการที่ประหยัด และมี ประสิทธิภาพสูง ในการผลิตไฮโดรเจน โดยจะมีสมการที่เกี่ยวข้อง ดังนี้ 2.7.1 สมการทางเคมี (Chemical reaction equation) Steam reforming (R1) [6]. n Cm Hn Op + mH2 O ↔ (m − p)CO + pCO2 + (m + 2) H2 (2.1) Water gas shift reaction (R2) [6]. CO + H2 O ↔ CO2 + H2 (2.2) Reverse water gas shift reaction (R3) ผลรวมของสมการที่ (2.1) และสมการที่ (2.2) โดยขึน้ อยูก่ บั สารตัง้ ต้น (2.3) โดยแสดงตัวอย่างสมการทางเคมีทั้ง 3 ปฏิกิริยา โดยมีสารตั้งต้นคือก๊าซมีเทน ดังนี้ Steam Methane reforming (R1) CH4 + H2 O ↔ CO + H2 Water gas shift reaction (R2) CO + H2 O ↔ CO2 + H2 Reverse water gas shift reaction (R3) CH4 + 2H2 O ↔ CO2 + 4H2 2.7.2 สมการสมดุลมวล (Mass balance equations) dNi dz = 𝜌(1 − ε) ∑3j=1 𝜂j 𝑣j,i 𝑟j (2.4) สมการ (2.4) N คือ molar flux โดยที่ i แทนด้วยลาดับของส่วนประกอบก๊าซต่าง ๆ ได้แก่ CH4, H2O, H2, CO และ CO2 ส่วน j แทนด้วยกระบวนการเกิดปฏิกิริ ยา (R1-R3) ความหนาแน่นของ 12 ตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงด้วย 𝜌 ความพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงด้วย ε และปัจจัยประสิทธิผลของ กระบวนการปฏิกิริยา j คือ 𝜂j ในขณะที่ 𝑟j คืออัตราการเกิดปฏิกิริ ยา ส่วนค่าสัมประสิทธิ์ปริมาณ สัมพันธ์ของส่วนประกอบก๊าซต่าง ๆ ที่ระบุด้วย 𝑣j,i [8]. 2.7.3 สมการสมดุลพลังงาน (Energy balance equation) 4q dT dz = r 𝜌(1−ε)(∑3 j=1 −∆Hj rj 𝜂j ) + d (2.5) in ∑5 i=1 Ni Cp,i สมการ (2.5) ∆Hj, qr , din และ Cp,i คือพื้นที่หน้าตัดด้านในของท่อรีฟอร์มเมอร์ , ความร้อนของ ปฏิกิริยาที่ j, ฟลักซ์ความร้อนในแนวรัศมี, เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อรีฟอร์มเมอร์ และความจุ ความร้อนจาเพาะของส่วนประกอบที่ i ตามลาดับ [8]. 2.7.4 สมการสมดุลโมเมนตัม (Momentum balance equation) มีการลดลงของความดันเนื่องจากการสูญเสียจากแรงเสียดทานอย่างมีนัยสาคัญ ดังนั้น สมการ Ergun จึงถูกนามาใช้ในการคานวณการลดลงของความดันสาหรับสมดุลโมเมนตัมใน packed bed reactor [8]. dP dz = 𝑓Gμg,mix 𝜌g d2 p × (1−ε)2 (2.6) ε3 2.7.5 สมการแฟกเตอร์ความเสียดทาน (Friction factor equation) 1 𝐺𝑑𝑝 𝑓 = 150 + 1.75 (1−𝜀) (𝜇 𝑔,𝑚𝑖𝑥 (2.7) ) สมการ (2.7) 𝐺, 𝑑𝑝 และ 𝜇𝑔,𝑚𝑖𝑥 คือเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา , ฟลักซ์มวล และความหนืดของส่วนผสมของแก๊สที่ทาปฏิกิริยา ตามลาดับ [8]. 2.7.6 สมการความจุความร้อนจาเพาะ (Specific heat capacity equation) ค่าความจุความร้อนจาเพาะของแต่ละก๊าซสามารถหาได้จากสมการที่ (2.8) [8]. D Cp,i = 8.314 (A + BT + CT 2 + T2 ) , 13 kJ kmol K (2.8) 2.7.7 สมการความหนืดไดนามิก (Dynamic viscosity) ความหนืดของก๊าซรวม สามารถคานวณได้ด้วยสมการ (2.9) [8]. y i μi N c μg,mix = ∑i=1 0.5 Nc Mj ∑j=1 (M ) i kg , ms (2.9) สมการ (2.9) yi , μi , M และ Nc คือเศษส่วนโมล, ความหนืดขององค์ประกอบที่ i, น้าหนัก โมเลกุล และจานวนขององค์ประกอบทางเคมีในส่วนผสมของแก๊ส ตามลาดับ ความหนืดของแต่ละก๊าซ สามารถคานวณได้ด้วยสมการ (2.10) [8]. μi = A TB kg , C D 1+T+ 2 T (2.10) ms 2.7.8 สมการอัตราของปฏิกริ ยิา (Rate of reactions equation) r= (Kinetic rate term)(Equilibrium term) Adsorption term (2.11) โดยที่ kinetic parameter (𝑘j), Equilibrium parameter (𝐾p), Adsorption parameter (𝐾i ) หาได้จากสมการด้านล่าง ตามลาดับ ดังนี้ [7]. 𝑘j = 𝑘j , Tr ∙ exp [− 𝐾p = A ∙ exp (− Ej R EK R∙T 𝐾i = 𝐾i , Tr ∙ exp [− 1 1 T Tr ∙( − )] (2.13) ) ∆Hi R (2.12) 1 1 T Tr ∙( − )] (2.14) และ Adsorption term สามารถคานวณได้จากสมการที่ (2.15) Adsorption = 1 + 𝐾𝑖,1 [𝑖, 1] + 𝐾𝑖,2 [𝑖, 2] + 𝐾𝑖,3 [𝑖, 3] + 𝐾𝑖,4 [𝑖, 4] (2.15) 2.7.9 สมการปริมาณพลังงานความร้อนของปฏิกริ ยิา (Enthalpy of reactions equation) สมการปริมาณพลังงานความร้อนของปฏิกิริยาของส่วนประกอบก๊าซต่างๆ ในปฏิกิริยา ณ อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปของอุปกรณ์ reformer [8]. 𝑇 𝐻𝑖 (𝑇) = ∆𝐻298,𝑖 + ∫298 𝐶𝑝,𝑖 𝑑𝑇 14 (2.16) 2.8 โปรแกรมทีใ่ ช้สร้างและพัฒนาระบบควบคุม (Emulator) 2.8.1 โปรแกรม Arduino IDE เป็นโปรแกรมฟรี (Open Source) ใช้ได้ฟรี ไม่ต้องเสียค่าใช้จ่าย ใช้สาหรับเขียนโค้ด ด้วย ภาษา C/C++ และอัปโหลดโค้ดลงบนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็นที่นิยมใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์ และระบบควบคุมต่างๆ เช่น หุ่นยนต์ ระบบเซนเซอร์ อุปกรณ์ IoT และโปรเจ็กต์ทางวิศวกรรม 2.8.2 โปรแกรม Microsoft Visual Studio โปรแกรมสาหรับการพัฒนาซอฟต์แวร์ (Integrated Development Environment หรือ IDE) ถูกออกแบบและพัฒนาโดยบริษัท Microsoft เพื่อรองรับการสร้างแอปพลิเคชันหลายรูปแบบ เช่น แอปพลิเคชัน Windows, เว็บแอปพลิเคชัน, เกม, แอปมือถือ, IoT, และอีกมากมาย โดยรองรับภาษา เขียนโปรแกรมที่หลากหลาย เช่น C / C++, Python และJavaScript 2.9 อุปกรณ์ทใี่ ช้ สาหรับการสร้างชุดทดสอบเบื้องต้นเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจาลองทางคณิตศาสตร์ ในการควบคุมการเปิด -ปิดวาล์วควบคุมเชื้อเพลิงที่ป้อนให้กับเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ประกอบด้วย อุปกรณ์ดังต่อไปนี้ 2.9.1 Thermal Gas Mass Flowmeter อุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดอัตราการไหลของก๊าซโดยตรงในรูปแบบของมวล โดยใช้หลักการถ่ายเท ความร้อนระหว่างองค์ประกอบที่ถูกให้ความร้อนและก๊าซที่ไหลผ่าน รูปที่ 2.9 Thermal Gas Mass Flowmeter 15 2.9.2 Needle Valve อุปกรณ์ควบคุมการไหลที่ออกแบบมาเพื่อปรับการไหลของของไหล (ทั้งของเหลวและก๊าซ) อย่าง แม่นยา โดยการทางานอาศัยแกนวาล์วที่มีลักษณะเรียวแหลมเหมือนเข็มเพื่อควบคุมปริมาณการไหล ผ่านช่องเปิดขนาดเล็ก รูปที่ 2.10 Needle Valve 2.9.3 Modbus RS485 โปรโตคอลสื่อสารมาตรฐานที่ออกแบบมาให้ใช้ในระบบควบคุม เช่น PLC (Programmable Logic Controller) และ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) โดย Modbus ทาหน้าที่กาหนดรูปแบบการรับส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ รูปที่ 2.11 Modbus RS485 2.9.4 ESP32 30 Pin ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ 32 บิตที่มีความสามารถสูง โดยถูกออกแบบมาให้เหมาะสาหรับงาน IoT (Internet of Things) และโปรเจกต์ ที่ต้ อ งการการสื่ อ สารผ่า น Wi-Fi และ Bluetooth มี ขา เชื่อมต่อทั้งหมด 30 ขา ซึ่งช่วยให้ง่ายต่อการพัฒนาและใช้งานในโครงการที่หลากหลาย โดยในระบบ จะใช้ในการควบคุมระบบ Emulator 16 รูปที่ 2.12 ESP32 30 Pin 2.9.5 Stepper Motor Driver อุปกรณ์ที่ทาหน้าที่ควบคุมการทางานของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ซึ่งเป็นมอเตอร์ที่หมุนในลักษณะ เป็นขั้น (Step) เพื่อให้ได้ตาแหน่งที่แม่นยา โดยไดร์เวอร์ช่วยปรับกระแสไฟฟ้าและสัญญาณที่ส่งไปยัง ขดลวดของมอเตอร์ เพื่อควบคุมความเร็ว ทิศทาง และจานวนขั้นของการหมุน รูปที่ 2.13 Stepper Motor Driver 2.9.6 Stepper Motor มอเตอร์ชนิดพิเศษที่หมุนแบบเป็นขั้น (Step) โดยการเคลื่อนที่แต่ละขั้นเกิดจากการกระตุ้น ขดลวดในมอเตอร์ตามลาดับ ช่วยให้สามารถควบคุมตาแหน่ง ทิศทาง และความเร็วได้อย่างแม่นยา ทาให้เหมาะสาหรับงานที่ต้องการการควบคุมการหมุนที่ละเอียด เช่น เครื่องพิมพ์ 3D, CNC, หรือ หุ่นยนต์ 17 รูปที่ 2.14 Stepper Motor 18 บทที่ 3 ขัน้ ตอนการออกแบบ ในบทนี้จะกล่าวถึงความต้องการ, ข้อจากัด, ข้อกาหนด, มาตรฐาน, ภาพรวมแบบจาลองของ ระบบการปฏิรูปเชื้อเพลิงด้วยไอน้า , เลือกวิธีการที่เหมาะสม, ระบบสมการต่างๆที่ใช้ ในการสร้าง แบบจาลองทางคณิตศาสตร์เพื่อออกแบบกระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ (ก๊าซไฮโดรเจน) ใน อุปกรณ์ Reformer เชิงตัวเลขแบบ 1 มิติด้วยโปรแกรม OpenModelica , การใช้งานแบบจาลอง อุปกรณ์ Reformer, ภาพรวมแบบจาลองการออกแบบและพัฒนาอีมูเลเตอร์ , แบบโครงสร้างที่ใช้ใน การจาลองอีมูเลเตอร์ , การต่อวงจรอีมูเลเตอร์ และขั้นตอนการดาเนินงานการออกแบบและพัฒนา อีมูเลเตอร์ 3.1 ความต้องการของโครงงาน 1) ศึกษากระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ (ก๊าซไฮโดรเจน) ภายในอุปกรณ์ Reformer โดยต้องศึกษาสมการทางเคมี และสมการสมดุลที่เกี่ยวข้องโดยต้องเป็นไปตามหลักเทอร์โม ไดนามิกส์ 2) สร้างแบบจาลองกระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ (ก๊าซไฮโดรเจน) ภายในอุปกรณ์ Reformer โดยใช้โปรแกรม OpenModelica 3) ออกแบบและสร้างแบบจาลองสาหรับควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วชนิดเซอร์โววาล์วเพื่อปรับ อัตราการไหลของเชื้อเพลิงในการป้อนเชื้อเพลิงให้กับอุปกรณ์ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) โดยใช้บอร์ด Arduino สาหรับควบคุมการทางานของระบบ 3.2 ข้อจากัด 1) ศึกษาและออกแบบกระบวนการปฏิรูปด้วยไอน้า (Steam Reforming: SR) เพียงประเภท เดียวเท่านั้น เพราะเป็นกระบวนการเริ่มต้นที่ประหยัดและนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายใน อุตสาหกรรม 2) ศึกษาและออกแบบกระบวนการปฏิรูปด้วยไอน้า (Steam Reforming: SR) ของสารประกอบ ไฮโดรคาร์บอน โดยใช้ก๊าซมีเทนเป็นสารตั้งต้น 19 3) การสร้างแบบจาลองกระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ (ก๊าซไฮโดรเจน) การออกแบบ จะถูกวิเคราะห์ในระบบ 1 มิติ โดยพิจารณาเฉพาะการไหลของสสารในทิศทางเดียวเท่านั้น 4) ใช้อากาศในการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) เท่านั้น 3.3 ข้อกาหนด 1) ระบบสมการที่ใช้ในการวิเคราะห์เป็นระบบสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (Partial Differential Equation: PDE) ซึ่งเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ที่ผลเฉลยของสมการเป็นฟังก์ชันที่ขึ้นกับตัวแปร อย่างน้อยสองตัว โดยในที่นี้ ผู้จัดทาให้ความสนใจในผลเฉลยที่เป็นฟังก์ชันของระยะทางและ เวลา 2) เทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์ระบบสมการคือวิธีเชิงตัวเลข (Numerical Methods) โดยวิธีที่เลือกใช้คือวิธีการผลต่างจากัด (Finite Difference Method) ซึ่งถูก นามาใช้ ใ นการทาการจากั ด เชิง พี ช คณิ ต (Discretization) ของระบบสมการให้ เ ป็นรูป พีชคณิตที่ง่ายต่อการคานวณและแก้ไข 3) การวิเคราะห์ปัญหาของระบบประกอบด้วยเงื่อนไขเริ่มต้น (Initial Conditions) และเงื่อนไข ขอบเขต (Boundary Conditions) ซึ่งจาเป็นต่อการแก้ระบบสมการ เพื่อให้ได้ผลเฉลยที่ตรง กับการเปลี่ยนแปลง 3.4 มาตรฐาน 1) IEC 61131-3: Programmable Controllers: มาตรฐานนี้กาหนดข้อกาหนดสากลสาหรับ การเขียนโปรแกรมควบคุมอุปกรณ์ที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ และสามารถนามาประยุกต์ใช้ กับการพัฒนาบน Arduino 2) Modelica coding standard and Arduino Coding Standards: แนวทางปฏิ บั ติ ที่ ซึ่ ง กาหนดรูปแบบการเขียนโค้ดและการพัฒนาเพื่อให้โปรแกรมที่เขียนมีความสอดคล้องและ สามารถจาลองสถาณการณ์ได้ 3) CE Marking: ในกรณีที่อุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นด้วย Arduino ถูกใช้งานในเชิงพาณิชย์ในยุโรป จะต้องปฏิบัติตามมาตรฐาน CE เพื่อรับรองความปลอดภัยและความเข้ากันได้ทางไฟฟ้า 20 3.5 ภาพรวมแบบจาลองของระบบการปฏิรปู เชือ้ เพลิงด้วยไอนา้ ท่อของเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) ดังแสดงในรูปที่ 3.1 ซึ่งก๊าซมีเทนและไอน้าถูกเลือก เป็นสารตั้งต้นที่ใส่เข้าสู่ระบบ ซึ่งในกระบวนการให้ความร้อน ก๊าซมีเทนและน้าจะทาปฏิกิริยากันและ เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ก๊าซต่างๆ โดยภายในท่อจะมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งอยู่ในรูปของวัสดุที่มีรูพรุน เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสและช่วยเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยา ในการวิเคราะห์ครั้งนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้คือ นิกเกิล (Ni) โดยมีปริมาณ 6.7% โดยน้าหนัก บนตัวพา γ-Al₂O₃ (แกมมา-อะลูมินา) ซึ่งเป็นวัสดุที่ นิยมใช้เป็นตัวรองรับในกระบวนการเร่ งปฏิกิริยาหลายประเภท เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ช่วยเสริมการ กระจายตัวของนิกเกิลและเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการทางเคมี รูปที่ 3.1 แบบจาลองระบบท่อของเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) 3.6 เครือ่ งมือทีใ่ ช้ในการวิเคราะห์ โปรแกรม OpenModelica เป็นเครื่องมือที่สามารถออกแบบและปรับปรุงระบบได้ทั้งในรูปแบบ กราฟิก (Graphical) และการปรับแต่งเบื้องหลังผ่านการเขียนโค้ดภาษา Modelica ซึ่งมีความยืดหยุ่น ในการปรับแต่งสมการทางคณิตศาสตร์และการคานวณต่าง ๆ ผู้จัดทาได้เลือกใช้โปรแกรมนี้เพื่อ สร้าง โมดูล เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง (Reformer) สาหรับใช้งานในระบบเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFC) เพื่อให้โมดูลดังกล่าวสามารถทางานร่วมกับอุปกรณ์อื่น ๆ ในระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ การสร้างโมดูลที่เป็นของตัวเองยังช่วยลดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการซื้อลิ ขสิทธิ์โปรแกรม สาเร็จรูปอื่น ๆ มาใช้งาน ซึ่งทาให้โปรแกรม OpenModelica เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมและมีความ คุ้มค่าในการพัฒนาระบบ 21 3.7 แนวทางในการแก้ไขปัญหา 3.7.1 การออกแบบและวิเคราะห์ดว้ ยวิธี Exact Solution การแก้ปัญหาสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (PDE) ด้วยวิธี Exact Solution มีข้อดีและข้อเสียดังนี้ ข้อดีของวิธี Exact Solution 1) ผลลัพธ์ที่ถูกต้องและชัดเจน: วิธี Exact Solution ให้ผลลัพธ์ที่แน่นอนและแม่นยา เพราะไม่มี การประมาณค่าเชิงตัวเลขหรือข้อผิดพลาดที่เกิดจากการตัดสินใจของวิธีการเชิงตัวเลข 2) เข้าใจปรากฏการณ์เชิงกายภาพได้ชัดเจน: การมีสมการที่เป็นคาตอบสมบูรณ์ช่วยให้เราเข้าใจ ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์หรือระบบที่กาลังศึกษาได้ดีขึ้น 3) ไม่ต้องพึ่งพาการคานวณทางตัวเลข: ไม่ต้องใช้เวลาในการรันโปรแกรมหรือเขียนโค้ดเพื่อแก้ สมการ ทาให้สะดวกถ้าสามารถหาคาตอบได้ 4) การใช้งานได้ในหลายเงื่อนไข: Exact Solution สามารถใช้งานในขอบเขตของเงื่อนไขที่สมมติ ไว้ในสมการได้อย่างดีและเป็นประโยชน์ ข้อเสียของวิธี Exact Solution 1) ความยากในการหาสมการ: สมการ PDE บางประเภทอาจไม่สามารถหา Exact Solution ได้ ง่าย หรือบางกรณีอาจไม่มีวิธีหาที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี 2) ข้อจากัดของรูปแบบสมการ: การหาคาตอบแบบ Exact Solution มักใช้ได้เฉพาะในสมการที่ มีรูปแบบเฉพาะเจาะจงและมีเงื่อนไขเฉพาะที่ตรงกับรูปแบบการแก้ 3) ไม่สามารถปรับใช้ในสถานการณ์ทั่วไปได้: Exact Solution มักใช้งานได้เฉพาะกับปัญหาที่มี ขอบเขตหรือสมมติฐานบางอย่าง ซึ่งในปัญหาที่ซับซ้อนหรือมีขอบเขตที่เปลี่ยนแปลงบ่อย อาจ ไม่สามารถใช้วิธีนี้ได้ 4) ไม่รองรับสมการที่ซับซ้อน: สมการ PDE ที่มีการผสมของเงื่อนไขหรือฟังก์ชันที่ซับซ้อนมักไม่ สามารถหาคาตอบ Exact Solution ได้ อาจต้องพึ่งพาวิธีการเชิงตัวเลขแทน 5) ไม่เหมาะสมกับปัญหาที่โดเมนมีรูปทรงซับซ้อน 3.7.2 ตัวอย่างการแก้ปญั หาของวิธี Exact Solution การแก้ปัญหาด้วยวิธี Exact Solution สาหรับสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (PDE) สมการที่เป็นที่ รู้จักกันดีคือ สมการความร้อน (Heat Equation) ซึ่งเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยที่อธิบายการถ่ายเท ความร้อนในวัตถุ ตัวอย่างสมการความร้อนในรูปแบบหนึ่งมักเขียนได้ดังนี้ 22 ∂u ∂2 u =k 2 ∂t ∂x โดยที่ u(x, t) คืออุณหภูมิในตาแหน่ง x และเวลา t และ k เป็นค่าคงที่ (ค่านาความร้อน) รูปที่ 3.2 Insulated wire มีเงื่อนไขขอบเขต (Boundary Conditions) ดังนี้ 1. u(0, t) = 0 2. u(L, t) = 0 3. เงื่อนไขเริ่มต้น u(x, 0) = f(x) โดยที่ f(x) คือฟังก์ชันอุณหภูมิเริ่มต้นที่ทราบ ซึง่ คาตอบ Exact Solution สามารถเขียนในรูปแบบอนุกรมฟูเรียร์ได้ดังนี้ ∞ −n2 π2 nπ kt u(x, t) = ∑ bn sin ( x) e L2 L n=1 โดยที่ 𝑏𝑛 คือสัมประสิทธิ์ของอนุกรมฟูเรียร์ ซึ่งคานวณได้จากเงื่อนไขเริ่มต้น f(x) ดังนี้ 2 L nπx bn = ∫0 f(x)sin ( ) dx L L 3.7.3 การออกแบบและวิเคราะห์ดว้ ยวิธี Laplace Transform การแก้ปัญหาสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (PDE) ด้วย Laplace Transform มีข้อดีและข้อเสียดังนี้ ข้อดีของวิธี Laplace Transform 1) ลดความซับซ้อนของสมการ: การใช้ Laplace Transform สามารถแปลงสมการเชิงอนุพันธ์ที่ ซับซ้อนให้อยู่ในรูป ของสมการพีช คณิต (Algebraic Equation) ที่แก้ได้ง่ายกว่าในโดเมน Laplace 2) เหมาะกั บ ปั ญ หาแบบขอบเขต (Boundary Value Problems): Laplace Transform มั ก ใช้ได้ดีในการแก้ปัญหาที่มีเงื่อนไขขอบเขตและเงื่อนไขเริ่มต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งปัญหาที่มี การเริ่มต้นตั้งแต่เวลา t=0 23 3) การจัดการกับเงื่อนไขเริ่มต้นได้ง่าย: วิธีนี้ช่วยจัดการกับเงื่อนไขเริ่มต้นที่กาหนดไว้ได้อย่าง สะดวก เพราะเงื่อนไขเริ่มต้นจะแสดงผลในรูปแบบของค่าคงที่ในโดเมน Laplace โดยตรง 4) ใช้แก้สมการทางวิศวกรรมได้อย่างกว้างขวาง: Laplace Transform ถูกใช้อย่างแพร่หลายใน ปัญหาทางวิศวกรรม เช่น ปัญหาการสั่นสะเทือนของโครงสร้าง การถ่ายเทความร้อน และการ ไหลของของไหล 5) ช่วยในการทางานร่วมกับฟังก์ชันที่ไม่ต่อเนื่องหรือมีการกระตุ้น: Laplace Transform จัดการ กับฟังก์ชันขั้นบันได (Step Functions) หรือฟังก์ชันที่มีลักษณะเป็นการกระตุ้นชั่วขณะได้ดี เช่น การใช้ Dirac delta function ข้อเสียของวิธี Laplace Transform 1) เหมาะกับระบบเชิงเส้นเท่านั้น: Laplace Transform ใช้ได้ดีในสมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้น แต่ ถ้าสมการเป็น ไม่เชิงเส้น การใช้งานจะซับซ้อนขึ้นมากและอาจจะไม่สามารถใช้ได้อย่าง ตรงไปตรงมา 2) การกลับ Laplace (Inverse Laplace Transform) อาจซับซ้อน: หลังจากแปลงสมการไปอยู่ ในโดเมน Laplace แล้ว การแก้สมการอาจทาได้ง่ายขึ้น แต่การกลับ Laplace เพื่อหาผลลัพธ์ ในโดเมนเวลาเดิมอาจเป็นขั้นตอนที่ซับซ้อนและยาก โดยเฉพาะเมื่อมีการแปลงที่ซับซ้อนหรือ ผลลัพธ์ที่ไม่เป็นฟังก์ชันพื้นฐาน 3) ไม่สามารถแก้ปัญหาที่มีเงื่อนไขขอบเขตซับซ้อนเกินไปได้: Laplace Transform มักจะมี ข้อจากัดเมื่อใช้แก้ปัญหาที่มีเงื่อนไขขอบเขตหรือเงื่อนไขเริ่มต้นที่ซับซ้อนมาก หรือในกรณีที่ ฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องไม่มีฟอร์มปกติที่รองรับการแปลง 4) ข้อจากัดในการใช้กับสมการหลายมิติ: ในกรณีที่สมการ PDE มีหลายตัวแปร เช่นสมการที่ ขึ้นกับทั้งเวลาและตาแหน่ง การแปลง Laplace อาจใช้ได้กับตัวแปรเวลาเท่านั้น การแก้ สมการสาหรับตัวแปรอื่น ๆ อาจจะต้องใช้วิธีอื่นร่วมด้วย 3.7.4 ตัวอย่างการแก้ปญั หาของวิธี Laplace Transform สมการที่ นามาเป็ น ตั ว อย่า งของวิ ธี Laplace Transform คื อ สมการนาพาความร้ อ น (Convection Equation) หรือบางครั้งเรียกว่าสมการการขนส่ง (Transport Equation) โดยจะมี รูปแบบสมการทั่วไปคือ yt = −αyx 24 มีเงื่อนไข ดังนี้ 1. y(0, t) = C 2. y(x, 0) = 0 รูปที่ 3.3 สมการการขนส่งบนเส้นครึ่งเส้น พิจารณาฟังก์ชันของตัวแปรสองตัว y(x, t) ให้เรากาหนดค่า x ไว้และแปลงตัวแปร t เพื่อความ สะดวก โดยจะใช้ตัวแปร s เป็นพารามิเตอร์ ดังนี้ ∞ Y(x) = ℒ{y(x, t)} = ∫ y(x, t)e−st ds 0 โดยการแปลงอนุพันธ์ของฟังก์ชัน yx (x, t) ตาม x จะได้ว่า ∞ ℒ {yx (x, t)} = ∫ yx (x, t)e 0 −st ∞ d ds = [∫ y(x, t)e−st ] ds = Y′(x) dx 0 และเพื่อที่จะแปลงอนุพันธ์ของฟังก์ชัน 𝑦𝑡 (𝑥, 𝑡) จะใช้กฎของ Laplace Transform ได้ดังนี้ ℒ {yt (x, t)} = sY(x) − y(x, 0) ซึง่ ในกรณีเฉพาะของเราที่ y(x, 0) = 0 จะได้ว่า ℒ{yt (x, t)} = sY(x) ดังนั้นเราจะสามารถแปลงสมการได้ ดังนี้ sY(x) = −αY′(x) ซึง่ สมการเชิงอนุพันธ์นี้ต้องการเงื่อนไขเริ่มต้น โดยที่เงื่อนไขเริ่มต้นนี้คืออีกด้านหนึ่งของเงื่อนไข สมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (PDE) ซึ่งขึ้นอยู่กับ x นั่นแปลว่าทุกอย่างจะถูกแปลง ดังนั้นเราต้องแปลง เงื่อนไขนี้ด้วย โดยสามารถแปลงเงื่อนไขได้ดังนี้ Y(0) = ℒ {y(0, t)} = ℒ {C} = C s จากนั้นจะแก้ปัญหาสมการเชิงอนุพันธ์ sY(x) = −αY′(x) โดยที่ Y(0) = Cs เพื่อที่จะหา Y(x) = C −sx e α s 25 เมื่อมี Y(x) แล้วสิ่งต่อไปที่ต้องการจริงๆคือ y(x, t) โดยเราจะทาแปลงตัวแปร s กลับไปเป็น t โดยกาหนดให้ u (t ) = { ถ้า t < 0, กรณีอื่น 0 1 จากนั้นให้ 𝑢(𝑡) เป็นฟังก์ชัน Heaviside ดังนี้ ∞ ∞ ℒ {u(t − a)} = ∫ u(t − a)e −st dt = ∫ e 0 a −st e−as dt = s ดังนั้น จะได้ว่า C s y(x, t) = ℒ −1 { e−αx } = Cu(t − x⁄α) s จึงสรุปได้ว่า y(x, t) = { 0 C x , α กรณีอื่น ถ้า t < ซึ่งหมายความว่า ณ เวลา t < αx ความเข้มข้นจะเป็นศูนย์ แต่เมื่อเวลาเกิน αx ความเข้มข้นจะ คงที่ที่ค่า C 3.7.5 การออกแบบและวิเคราะห์ดว้ ยวิธี Numerical Methods การแก้ปัญหาสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (PDE) ด้วยวิธี Numerical Methods เป็นวิธีที่ใช้กัน อย่างแพร่หลาย มีข้อดีและข้อเสียดังนี้ ข้อดีของวิธี Numerical Methods 1) สามารถใช้ได้กับสมการที่ซับซ้อน: วิธีเชิงตัวเลขสามารถแก้ปัญหา PDE ที่ซับซ้อนมากๆ ซึ่ง อาจไม่มีคาตอบ Exact Solution เช่น สมการที่ไม่เชิงเส้นหรือมีเงื่อนไขขอบเขตที่ซับซ้อน 2) ประยุกต์ใช้ได้กับหลายมิติ: สามารถใช้แก้สมการ PDE ที่มีตัวแปรหลายมิติ เช่น พื้นที่ 2D หรือ 3D ได้ โดยวิ ธี การเชิ ง ตั ว เลข เช่ น Finite Difference Method (FDM), Finite Element Method (FEM), และ Finite Volume Method (FVM) เป็นที่นิยมในการคานวณเชิงตัวเลข หลายมิติ 26 3) ปรับใช้กับสมการที่มีเงื่อนไขขอบเขตที่ซับซ้อนได้ดี : Numerical Methods สามารถใช้กับ ปัญหาที่มีเงื่อนไขขอบเขตซับซ้อน เช่น การเปลี่ยนแปลงของเงื่อนไขขอบเขตในเวลา (Timedependent boundary conditions) 4) ยืดหยุ่นและปรับแต่งได้: สามารถปรับแต่งวิธีการคานวณ เช่น ความละเอียดของกริด (Grid Resolution) และช่วงเวลาของการคานวณ (Time Steps) ตามความต้องการของปัญหาได้ ทาให้สามารถควบคุมความแม่นยาของผลลัพธ์ได้ 5) ใช้แก้สมการ PDE ในระบบจริง: สามารถใช้ Numerical Methods แก้ปัญหาสมการที่เกิดขึ้น ในระบบทางกายภาพที่ซับซ้อน เช่น การถ่ายเทความร้อน, การไหลของของไหล และสมการ Maxwell ในวิศวกรรมไฟฟ้า ข้อเสียของวิธี Numerical Methods 1) ข้อผิดพลาดจากการประมาณค่า (Approximation Error): เนื่องจาก Numerical Methods ต้องทาการแยกตัวแปรต่อเนื่องออกเป็นช่วงย่อยๆ เช่น แบ่งเวลาเป็นช่วงเล็กๆ หรือแบ่งพื้นที่ ออกเป็ น กริ ด ทาให้ เ กิ ด ข้ อ ผิ ด พลาดจากการประมาณค่า และข้ อ ผิ ด พลาดสะสม (Accumulation of Error) ในการคานวณ 2) ต้องการทรัพยากรคอมพิวเตอร์สูง : ปัญหาที่ต้องการความละเอียดสูง เช่น ปัญหาหลายมิติ ต้องใช้หน่วยความจาและพลังงานการประมวลผลคอมพิวเตอร์มาก เพื่อให้ผลลัพธ์มีความ แม่นยา 3) ความแม่นยาขึ้นอยู่กับกริดและเวลาที่ใช้แบ่ง : ความแม่นยาของการคานวณเชิงตัวเลขขึ้นอยู่ กับการเลือกขนาดของกริด (Grid Size) และช่วงเวลาย่อย (Time Step) หากเลือกขนาด ใหญ่เกินไป อาจทาให้ผลลัพธ์ไม่แม่นยา แต่หากเลือกขนาดเล็กเกินไปก็จะเพิ่มภาระในการ คานวณและทาให้โปรแกรมทางานช้าลง 4) การจัดการกับเงื่อนไขขอบเขตที่ซับซ้อนบางกรณีอาจยุ่งยาก : แม้ว่า Numerical Methods จะยืดหยุ่น แต่บางครั้งการจัดการกับเงื่อนไขขอบเขตที่ซับซ้อนมากๆ เช่น ขอบเขตที่ไม่ ต่อเนื่อง อาจต้องใช้เทคนิคพิเศษหรือทาให้การคานวณซับซ้อนยิ่งขึ้น 5) ความไม่เสถียร (Instability): หากการเลือกกริดหรือช่วงเวลาย่อยไม่เหมาะสม วิธีเชิงตัวเลข อาจเกิดความไม่เสถียร (Instability) ส่งผลให้ผลลัพธ์ที่ได้ไม่สมเหตุสมผล เช่น ค่าผลลัพธ์มี การแกว่งหรือเติบโตโดยไม่มีขอบเขต 27 3.7.6 ตัวอย่างการแก้ปญั หาของวิธี Numerical Methods สมการที่ นามาเป็ น ตั ว อย่า งของวิ ธี Numerical Methods คื อ สมการความร้ อ น (Heat Equation) เช่นเดียวกับวิธี Exact Solution โดยรูปแบบสมการทั่วไปมีดังนี้ ∂u ∂2 u =k 2 ∂t ∂x เงื่ อ นไขขอบ (Boundary Conditions) และเงื่ อ นไขเริ่ ม ต้ น (Initial Condition) จะนามา ประยุกต์ใช้ในสมการทีหลัง เมื่อสมการถูกประมาณค่าด้วยวิธี Numerical Methods เสร็จแล้ว โดย ∂u ในส่วนแรกคือ ∂t จะสามารถถูกเรียกใช้ในรูปแบบตามสมการด้านล่างดังนี้ ∂u u(x, t + ∆t) − u(x, t) = lim ∂t ∆t→∞ ∆t ซึ่งจะสามารถถูกประมาณค่าโดยวิธีการ Forward Difference ได้ว่า ∂u u(x, t + ∆t) − u(x, t) ≈ ∂t ∆t ∂2 u และในการประมาณค่าของ ∂x2 จะใช้ Central Difference ในการประมาณค่าได้ดังนี้ ∂2 u u(x + ∆x, t) − 2u(x, t) + u(x − ∆x, t) ≈ ∂x 2 (∆x)2 ดังนั้นเมื่อรวมสมการแล้วจะได้ว่า u(x, t + ∆t) − u(x, t) u(x + ∆x, t) − 2u(x, t) + u(x − ∆x, t) = ∆t (∆x)2 รูปที่ 3.4 Stencil indicates the four types of terms in the finite difference 28 3.8 วิธกีารและระบบสมการทีใ่ ช้ในการวิเคราะห์ 3.8.1 วิธกีารทีเ่ ลือกใช้ในการวิเคราะห์ วิธีการที่เลือกใช้ในการวิเคราะห์ คื อ วิธี Numerical Methods เนื่องจากระบบสมการเชิ ง อนุ พั น ธ์ ย่ อ ย (Partial Differential Equation: PDE) มี ค วามซั บ ซ้ อ นและมี ระบบไม่ เ ป็ น เชิงเส้ น (Nonlinear System) รวมถึง ในเรื่องของการนามาเขียนโปรแกรมจะต้องมีความยืดหยุ่นในการ เปลี่ยนไปของเงื่อนไขขอบ (Boundary Conditions) และเงื่อนไขเริ่มต้น (Initial Condition) แต่ใน วิธีการนี้จะมีข้อเสียในเรื่องของอาจจะมีค่าที่ผิดพลาดจากการประมาณค่า แต่โปรแกรมที่เขียนจะ สามารถตั้งความละเอียดของ ขนาดของกริด (Grid Size) และช่วงเวลาย่อย (Time Step) ตามความ เหมาะสมเพื่อให้ค่าออกมาถูกต้องที่สุด ดังนั้นวิธีการนี้จึงเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดในการนามาเขียน โปรแกรม 3.8.2 ระบบสมการทีใ่ ช้ในการวิเคราะห์ 1) สมการอัตราการเปลี่ยนแปลง (Conversion Equation) โดยสมการนี้จะเป็นสมการอัตราการเปลี่ยนแปลงของสารประกอบต่างๆในปฏิกิริยา ซึ่งจะถูก เปรียบเทียบระหว่างอัตราการไหลของโมลของก๊าซประกอบต่างๆ (Fi ; i = CH4 , H2, H2O, CO และ CO2) ที่เปลี่ยนไปตามระยะทางและระยะเวลาเทียบกับ อัตราการไกลเริ่มต้นของโมลของก๊าซ 0 มีเทน FCH โดยจะมีสมการดังนี้ [10]. 4 FCH X CH4 = 1 − 0 4 (3.1) X H2 O = 1 − 0 2 FH O (3.2) FH (3.3) FCH4 FCH4 X H2 = 0 2 FCH4 F X CO = 0CO (3.4) FCO (3.5) FCH4 X CO2 = 0 2 FCH4 2) สมการความดันย่อย (Partial Pressure Equation) โดยสมการนี้ จะเป็ น สมการความดั น ย่ อ ยของสารประกอบต่า งๆในปฏิ กิ ริ ยา (Pi ; i = CH4 , H2 O, H2 , CO และ CO2 ) เปลี่ยนไปตามระยะทางและระยะเวลาด้วย โดยมีสมการดังนี้ [9]. 29 1−XCH4 PCH4 = (3.6) σ PH2O = (θH2 O −XCH4 −XCO2 ) (3.7) σ FH FCH 4 (θH2 +3XCH4 −XCO2 − 0 2 ) PH2 = PCO = PCO2 = (3.8) σ (θCO +XCH4 −XCO2 ) (3.9) σ (θCO2 +XCO2 ) (3.10) σ จากสมการ (3.11) σ คือ Corrected Pressure และ Pop. คือ ความดันรวมของปฏิกิริยา σ= 1+θH2 O +θCO +θCO2 +θH2 (3.11) Pop. โดยที่ θj = Fin j Fin H4 ; j = CH4 , H2 O, CO และ CO2 3) สมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา (Reaction Rate Equation) [9]. R1 = R2 = R3 = P3 k1 H PCO (PCH4 PH2O − 2 ) 2.5 Keq,1 PH 2 Den2 (3.12) PH PCO k2 2) (PCO PH2O − 2 PH Keq,2 2 Den2 (3.13) P4 k3 H PCO2 (PCH4 PH2 O − 2 ) 3.5 Keq,3 PH 2 Den2 (3.14) โดยที่ Fin H O Fin H KCH4 PCH4 FCH4 FCH4 PH2 Den = 1 + in2 + in 2 + K CO PCO + K H2 PH2 + K CH4 PCH4 + (3.15) ในส่ ว นของค่า คงที่ ต่า งๆ ได้ แ ก่ ค่า ki คื อ ค่า คงที่ อั ต ราการเกิ ด ปฏิ กิ ริ ยา (Kinetic Rate Constants) ที่ i(i = 1, 2 และ 3) ตามลาดับ หาได้จาก Arrhenius equation (3.16), ค่า K i คือ ค่าคงที่การดูดซับของสารเคมี (Adsorption Constants) ชนิดที่ i(i = CH4 , H2, H2O และ CO) ตามลาดับ หาได้จาก Van’t Hoff equation (3.17) และค่า K eq,i คือค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constants) ที่ i(i = 1, 2 และ 3) ตามลาดับ หาได้จากสมการ (3.18) - (3.20) 30 k i = Ai exp ( −Ei RT (3.16) ) 0.5 −1 kmol.bar จากสมการ (3.16) ค่า 𝐴𝑖 คื อ Pre-exponential factor (kmol.bar , kg .h ) โดยที่ kgcat .h cat J i = 1, 2 และ 3 ตามลาดับ แสดงไว้ในตารางที่ 3.1, ค่า Ei คือ Activation energy (mol) โดยที่ J i = 1, 2 และ 3 ตามลาดับ แสดงไว้ในตารางที่ 3.1, ค่า R คือ ค่าคงที่ของก๊าซ (mol.K) และ T อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะท่อและเวลา [10]. K i = Bi exp ( −Hi RT (3.17) ) จา ก ส ม กา ร (3.17) ค่า Bi คื อ Pre-exponential factor (bar−1, −) โ ด ย ที่ 𝑖 = CH4 , H2 , H2 O และ CO ตามลาดับ แสดงไว้ในตารางที่ 3.2, ค่า Hi คือ Adsorption enthalpy J change (mol ) โดยที่ i = CH4 , H2 , H2 O และ CO ตามลาดับ แสดงไว้ในตารางที่ 3.2, ค่า R คือ J ค่าคงที่ของก๊าซ (mol.K ) และ T อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะท่อและเวลา [10]. ตารางที่ 3.1 ค่าคงที่ของ Arrhenius equation Rate constant for Arrhenius equation 1 3 2 Activation energy, 240.1 67.13 243.9 −1 (𝑘 ) 𝑖 𝑘 0. 𝑘 −1 𝐴3 (𝑘 𝐴1 (𝑘 𝑘 0 . 𝐴2 (𝑘 Pre-exponential −1 −1 −1 −1 −1 −1 𝑘 𝑡 ) 𝑘 𝑡 ) 𝑘 𝑡 ) factor, 4 16 𝐴𝑖 (𝑑𝑖 𝑖 𝑓 𝑘𝑖 ) 4.3 0 × 10 2.2 0 × 1016 .4 0 × 10 ตารางที่ 3.2 ค่าคงที่ของ Van’t Hoff equation Absorption enthalpy, −1 ) change, 𝐻𝑖 ( 𝑘 Pre-exponential factor, 𝑖 𝑓 𝐾𝑖 ) 𝑖 (𝑑𝑖 Constant for Van't Hoff equation 𝐻 2 𝐻 4 𝐻 88.68 -38.28 -70.65 2 1.77 × 10 K eq,2 = exp ( , 4, −1 −1 (𝑘 ) (𝑘 ) 6.65 × 10−6 8.23 × 10− K eq,1 = 10266.76exp ( 4400 T −26830 T − 4.063) K eq,3 = K eq,1 × K eq,2 𝐻 2 -82.9 2 , −1 (𝑘 ) 6.12 × 10−11 + 30.114) (3.18) (3.19) (3.20) จากสมการ (3.18) – (3.20) ค่า T คือ อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะท่อและเวลา [14]. 31 4) สมการรวมอัตราการเกิดปฏิกิริยา (Net Rates Equation) (3.21) ri = ∑3j=1 ηj υij R j จากสมการ (3.21) i แทนด้วยลาดับของส่วนประกอบก๊าซต่าง ๆ ได้แก่ CH4, H2O, H2, CO และ CO2 ส่วน j แทนด้วยกระบวนการเกิดปฏิกิริยา (1, 2 และ 3) โดย η คือค่าประสิทธิภาพของ ปฏิ กิ ริ ยา (Effectiveness factor of reactions) และ υij คื อ ค่า สั ม ประสิ ท ธิ์ ข องปฏิ กิ ริ ยา (Stoichiometric coefficient) ดังแสดงในตารางที่ 3.3 [9]. ตารางที่ 3.3 ค่าสัมประสิทธิ์ของปฏิกิริยา (Stoichiometric coefficient) ( , ) for reaction components Stoichiometric coefficients Reaction Stoichiometric coefficients (𝑣 ,𝑖 ) 𝐻2 𝐶 2 CO 𝐶𝐻4 𝐻2 R1 R2 R3 -1 0 -1 -1 -1 -2 1 -1 0 3 1 4 0 1 1 5) สมการความจุความร้อนจาเพาะ (Specific Heat Capacity Equation) D (3.22) Cp,i = 8.314 (A + BT + CT 2 + 2) T จากสมการ (3.22) ค่า A, B, C และ D คือค่าคงที่ของความจุความร้อนจาเพาะของก๊าซต่างๆ ดังแสดงไว้ในตารางที่ 3.4 [8]. ตารางที่ 3.4 ค่าคงที่ของความจุความร้อนจาเพาะของก๊าซต่างๆ Constants for specific heat capacity of the gas components Component 𝐶𝐻4 𝐶 2 𝐻2 𝐻2 CO A B C D 1.702 5.457 3.470 3.249 3.376 9.081E-03 1.045E-03 1.450E-03 0.422E-03 0.557E-03 -2.164E-06 0 0 0 0 0 -1.157E05 0.121E05 0.083E05 -0.031E05 6) สมการปริมาณพลังงานความร้อนของปฏิกิริยา (Enthalpy of Reactions Equation) T Hi (T) = ∆H298,i + ∫298 Cp,i dT จากสมการ (3.23) T คือ อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะและเวลา [8]. 32 (3.23) 7) สมการสมดุลพลังงาน (Energy Balances Equation) สมการสมดุลพลังงานประกอบไปด้วย การสมดุลพลังงานสถานะของก๊าซ (Energy balance of the gas phase) ดังแสดงในสมการ (3.24) [14]. εext ρg Cp,g ∂Tg ∂t + 4qg ρg Cp,g ∂Tg 𝜋d2shell ∂z = ah hgs (Ts − Tg ) (3.24) จากสมการ (3.24) εext , ρg , Cp,g , qg , hgs , ah และ dshell คือ สัดส่ว นช่องว่าง (Void fraction of bed), ความหนาแน่นของก๊าซผสม (Gas Density), ค่าคงที่ความจุความร้อนของก๊าซ ผสม (Specific heat of gas), อัตราการไกลก๊าซ(Gas flow rate), ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความ ร้อนของฟิล์มระหว่างสถานะของก๊าซและสถานะของของแข็ง (Film heat transfer coefficient between the gas and the solid phase), พื้นที่การถ่ายเทความร้อนต่อปริมาตรของชั้นตัว เร่ง ปฏิกิริยา (Heat transfer area per volume of catalyst bed) และเส้นผ่านศูนย์กลางภายในด้าน ปฏิกิริยา (Inner diameter of the reaction side) ตามลาดับ โดย Ts คืออุณหภูมิของสถานะของ ของแข็ง และ Tg คืออุณหภูมิของสถานะของก๊าซ โดยสมการ (3.24) มี เ งื่ อ นไขเริ่ ม ต้ น (Initial condition) และเงื่ อ นไขขอบ (Boundary conditions) ดังนี้ Tg | t=0 = Tg,0 ; for all z; Tg | + = Tg,ent ; for t ≥ 0; z=0 ∂Tg | = 0; for t ≥ 0 ∂z z=L และการสมดุลพลังงานสถานะของของแข็ง (Energy balance of the solid phase) ดังแสดง ในสมการ (3.25) [14]. ρb Cp,b ∂Ts ∂t = k s,eff ∂2 Ts ∂z2 + ah hgs (Tg − Ts ) + ρcat ∑3j=1 −∆Hj ηj R j (3.25) จากสมการ (3.25) k s,eff , ρcat , ρb , Cp,b, hgs และ ah คื อ ค่า คงที่ การนาความร้ อ น (Thermal conductivity), ความหนาแน่นของตัว เร่งปฏิกิริยา (Density of the Catalyst),ความ หนาแน่นของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst bed density), ค่าคงที่ความจุความร้อนของชั้นตัวเร่ง ปฏิกิริยา (Specific heat of catalyst bed), ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของฟิล์มระหว่าง สถานะของก๊าซและสถานะของแข็ง (Film heat transfer coefficient between the gas and the solid phase) และพื้นที่การถ่ายเทความร้อนต่อปริมาตรของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา (Heat transfer area per volume of catalyst bed) ตามลาดับ โดย Ts คืออุณหภูมิของสถานะของของแข็ง และ Tg คือ อุณหภูมิของสถานะของก๊าซ อีกทั้ง Hj คือปริมาณพลังงานความร้อนของปฏิกิริยา (Enthalpy of 33 Reactions), ηj คือค่าประสิทธิภาพของปฏิกิริยา (Effectiveness factor of reactions) และ Rj คือ อัตราการเกิดปฏิกิริยา (Reaction Rate) โดยที่ j แทนด้วยกระบวนการเกิดปฏิกิริยา (1, 2 และ 3) โดยสมการ (3.25) มี เ งื่ อ นไขเริ่ ม ต้ น (Initial condition) และเงื่ อ นไขขอบ (Boundary conditions) ดังนี้ Ts |t=0 = Ts,0 ; for all z; Ts |z=0+ = Ts,ent ; for t ≥ 0; ∂Ts | = 0; for t ≥ 0 ∂z z=L 8) สมการสมดุลมวล (Mass Balances Equation) เป็นระบบสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (Partial differential equation : PDE) ซึ่งมีผลเฉลยเป็น ฟังก์ชันที่ขึ้นอยู่กับระยะทาง และเวลา ดังแสดงในสมการ (3.25) [14]. Vsg ∂Fi g ∂t + 4qg ∂Fi πSsp d2shell ∂z = 1 Ssp Dax,i ∂2 Fi ∂z2 2 ± ρcat rshell Lz (1 − εext )ri (3.26) โดยที่ i แทนด้วยลาดับของส่วนประกอบก๊าซต่าง ๆ ได้แก่ CH4, H2O, H2, CO และ CO2 ส่วน Vsg , g, Ssp , Dax,i , rshell และ Lz คื อ ความเร็ ว ผิ ว (Superficial velocity), แรงโน้ ม ถ่ ว ง (Gravity acceleration), Space velocity, ค่า สั ม ประสิ ท ธิ์ การกระจายมวลตามแนวแกน (Axial mass dispersion coefficient), รัศมีภายในด้านปฏิกิริยา (Inner diameter of the reaction side) และ ความยาวของเครื่องปฏิกรณ์ (Reactor length) โดย ri คือการรวมอัตราการเกิดปฏิกิริยา (Net rate reaction) ซึง่ i แทนด้วยลาดับของส่วนประกอบก๊าซต่าง ๆ ได้แก่ CH4, H2O, H2, CO และ CO2 โดยสมการ (3.26) มี เ งื่ อ นไขเริ่ ม ต้ น (Initial condition) และเงื่ อ นไขขอบ (Boundary conditions) ดังนี้ Fi |t=0 = Fi,0 ; for all z; Fi |z=0+ = Fi,int ; for t ≥ 0; ∂Fi | = 0; for t ≥ 0 ∂z z=L 3.9 วิธใี ช้งานแบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ พืน้ ฐาน จากการสร้างแบบจาลองจะมีหน้าต่างสาหรับกรอกค่าอินพุตจากผู้ใช้งานโดยแบ่งออกเป็น ทั้งหมด 3 หน้าต่าง ได้แก่ inputMethane, inputSteamWater และ OperateTempOePressure ดังในรูปที่ 3.5, 3.6 และรูปที่ 3.7 34 รูปที่ 3.5 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะทางเข้าของสารตั้งต้นมีเทน รูปที่ 3.6 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะทางเข้าของไอน้า รูปที่ 3.7 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะของอุณหภูมิและความดันของเครื่องปฏิรูปด้วยไอน้า 35 3.10 วิธใี ช้งานแบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ ในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่ จากการสร้างแบบจาลองจะมีหน้าต่างสาหรับกรอกค่าอินพุตจากผู้ใช้งานโดยแบ่งออกเป็น ทั้งหมด 4 หน้าต่าง ได้แก่ Operate Condition, Rate of Reaction, Geometric Parameter และ Specific Parameter ดังในรูปที่ 3.8 และรูปที่ 3.9 รูปที่ 3.8 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะขาเข้าต่างๆและตัวแปรของสมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา รูปที่ 3.9 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าขนาดของเครื่องและตัวแปรเฉพาะสาหรับการคานวณ 36 3.11 วิธใี ช้งานแบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ ในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ จากการสร้างแบบจาลองจะมีหน้าต่างสาหรับกรอกค่าอินพุตจากผู้ใช้งานโดยแบ่งออกเป็น ทั้งหมด 4 หน้าต่าง ได้แก่ Operate Condition, Rate of Reaction, Geometric Parameter และ Specific Parameter ดังในรูปที่ 3.10 และรูปที่ 3.11 รูปที่ 3.10 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าสภาวะขาเข้าต่างๆและตัวแปรของสมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา รูปที่ 3.11 หน้าต่างสาหรับการตั้งค่าขนาดของเครื่องและตัวแปรเฉพาะสาหรับการคานวณ 37 3.12 ภาพรวมแบบจาลองการออกแบบและพัฒนาอีมูเลเตอร์ ภาพรวมแบบจาลองการออกแบบและพัฒนาอีมูเลเตอร์ จะมีหลักการโดยนาผลลัพธ์ปริมาณสาร ทีท่างออก ณ เวลาต่างๆ จากการจาลองอุปกรณ์เครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิงด้วยไอน้า (Steam Reformer) มาเป็นค่าที่ต้องการใช้งาน (Setpoint value) เพื่อทาการควบคุมการเปิด-ปิดวาล์ว ซึ่งค่าที่ต้องการใช้ งานจะถูกส่งออกมาเป็นในรูปแบบไฟล์ csv. โดยแบบจาลองนี้เพื่อความปลอดภัยในการจาลองจะใช้ อากาศแทนการใช้ก๊าซไฮโดรเจนในการควบคุม จากรูปที่ 3.12 จะแสดงถึงอุปกรณ์ของอีมูเลเตอร์ที่ใช้ ในการควบคุม โดยเริ่มจาก Modbus RS485 รับค่าจาก Thermal Gas Mass Flowmeter ซึ่งทา หน้าที่วัดปริมาณสารปัจจุบันที่วิ่งผ่านท่อ จากนั้นส่งค่าไปยัง ESP32 เพื่อที่จะควบคุมปริมาณสาร ปั จ จุ บั น ผ่า น Stepper Motor Driver ที่ เ ป็ น ตั ว ขั บ องศาการหมุ น ของ Stepper Motor โดยใช้ โปรแกรม Arduino IDE ในการควบคุม และ Stepper Motor จะเชื่อมติดอยู่กับ Needle Valve ซึง่ จะควบคุมจนกว่าปริมาณสารปัจจุบันจะมีค่าเท่ากับค่าที่ต้องการใช้งาน โดย ESP32 จะทาการอ่าน ค่าที่ต้องการใช้งาน จากไฟล์ csv. ผ่านโปรแกรม Microsoft Visual Studio รวมทั้งใช้โปรแกรม Microsoft Visual Studio ในการสร้างหน้าต่างการใช้งานสาหรับผู้ใช้งานด้วย รูปที่ 3.12 แบบจาลองการออกแบบและพัฒนาอีมูเลเตอร์ 3.13 แบบโครงสร้างทีใ่ ช้ในการจาลองอีมเู ลเตอร์ โครงสร้างที่ใช้ในการจาลองอีมูเลเตอร์ สร้างขึ้นโดยประกอบอุปกรณ์ต่างๆเข้าด้วยกันเพื่อที่จะ ทาการทดลองระบบควบคุมของอีมูเลเตอร์ โดยจะมีขนาดโครงสร้างโดยรวมอยู่ที่ 420 x 1000 x 640 มิลลิเมตร ดังแสดงในรูปที่ 3.13 38 รูปที่ 3.13 ขนาดโครงสร้างที่ใช้ในการจาลองอีมูเลเตอร์ 3.14 การทดสอบความเทีย่ งตรงของ Gas Mass Flow Meter เนื่องจากก่อนนา Gas Mass Flow Meter มาใช้งานจริงได้นาไปทาการทดสอบความเที่ยงตรง ของค่า Flowrate ที่ต้องการใช้งานโดยนาไปสอบเทียบกับ Flow Meter ที่เชื่อถือได้ ดังแสดงในรูปที่ 3.14 รูปที่ 3.14 การติดตั้งการทดสอบความเที่ยงตรงของ Gas Mass Flow Meter 39 และได้ผลลัพธ์ดังแสดงในตารางที่ 3.5 และรูปที่ 3.15 จากนั้นพบว่าค่า Flowrate มีค่าที่ไม่ เที่ยงตรง จึงทาการปรับเทียบโดยตั้งค่า Flow Coefficient ใน Gas Mass Flow Meter เป็น 1.255 และได้ผลลัพธ์ดังแสดงในตารางที่ 3.6 และรูปที่ 3.16 ตารางที่ 3.5 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter ก่อนปรับเทียบ การสอบเทียบ Gas Mass Flowmeter ก่อนปรับเทียบ เงือ่ นไข: 1 บาร์ การทดลอง Thermal Gas Mass Flowmeter Flowmeter ทีน่ามาใช้เทียบ Diff Error 1 4.86 10.28 -5.42 -52.72% 2 13.05 20.24 -7.19 -35.52% 3 22.95 30.85 -7.9 -25.61% 4 31.89 40.05 -8.16 -20.37% 5 41.47 50.31 -8.84 -17.57% 6 51.11 60.17 -9.06 -15.06% 7 59.07 70.12 -11.05 -15.76% 8 68.86 80.09 -11.23 -14.02% ตารางที่ 3.6 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter หลังปรับเทียบ การทดลอง 1 2 3 4 5 6 7 8 การสอบเทียบ Gas Mass Flowmeter หลังปรับเทียบ เงือ่ นไข: 1 บาร์ และปรับ Flow Coefficient เท่ากับ 1.255 Thermal Gas Mass Flowmeter Flowmeter ทีน่ามาใช้เทียบ 6.41 10.73 16.36 20.21 28.18 30.32 39.95 40.29 51.08 50.11 63.28 60.45 74.36 70.49 85.04 80.35 Diff Error -4.32 -40.26% -3.85 -19.05% -2.14 -7.06% -0.34 -0.84% 0.97 1.94% 2.83 4.68% 3.87 5.49% 4.69 5.84% รูปที่ 3.15 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter ก่อนปรับเทียบ 40 รูปที่ 3.16 ผลลัพธ์การสอบเทียบ Gas Mass Flow Meter หลังปรับเทียบ 3.14.1 ข้อมูลสาหรับการเทียบ Gas Mass Flow Meter ในการใช้งานจริง นาเอาข้อมูลจากการปรับเทียบแล้วมาทาการ Curve fitting เพื่อเป็นข้อมูลสาหรับผู้ใช้งานใน การหาค่า Flowrate ที่แท้จริงจาก Gas Mass Flow Meter โดยสร้างดูได้จากจุดตัดของกราฟหรือ คานวณจากสมการได้ รูปที่ 3.17 กราฟเทียบ Gas Mass Flow Meter ในการใช้งานจริง 41 3.15 วิธกีารอ่านข้อมูลดิบจาก Gas Mass Flow Meter ดาวน์โหลดโปรแกรม Modbus Poll ทาการเชื่อม RS485-USB ระหว่างคอมพิวเตอร์กับ Gas Mass Flow Meter จากนั้นทาตามขั้นตอนตามหัวข้อ 3.16.1 และ 3.17.1 3.15.1 การดึงค่า Address ของค่า Flowrate จาก Gas Mass Flow Meter กดเข้าไปที่เมนู Display เพื่อทาการการเปิดหน้าต่าง Communication จากนั้นนา Address ที่ได้ไปใช้ในการเขียนโค้ดควบคุมต่อไป รูปที่ 3.18 หน้าต่างแสดง Address ของค่า Flowrate จาก Gas Mass Flow Meter 3.15.2 การหาประเภทของข้อมูลดิบ 1) ทาการเลือก Connection จากนั้นเลือก Connect 2) ทาการเลือก Connection เป็น Serial Port จากนั้นตั้งค่า Serial Settings ตามชื่อพอร์ต คอมที่เราทาการเสียบ RS485-USB จากนั้นตั้งค่าการสื่อสารเป็น 9600 Baud และขนาด ข้อมูลเป็น 8 Data bits 3) หาประเภทของตัวเลขข้อมูลเพื่อนาเอาไปแปลงค่าในส่วนของการเขียนโค้ดควบคุม พบว่าได้ ประเภทของข้อมูลคือ 32 Bit Float และ Little-endian byte swap ดังแสดงในรูปที่ 3.19 42 รูปที่ 3.19 หน้าต่างแสดงประเภทของข้อมูลดิบ 3.15 วิธกีารใช้งานระบบควบคุม (Emulator) 1) เปิดหน้าต่าง CSV_Serial จากนั้นทาการเลือกพอร์ตของคอม และกด Connect 2) หลังจากกด Connect ระบบจะสามารถทางานได้ 2 ระบบ คือ - ระบบ Manual โดยจะสามารถพิมพ์จานวน Step ที่ต้องการเปิด ซึ่ง 1 Step เท่ากับ 0.225 องศา และสามารถกดปุ่ม ON+ และ OFF- ได้ตามที่ต้องการ จากนั้นถ้าต้องการให้วาล์ว กลับมาที่จุดเริ่มต้นสามารถกดปุ่ม Home ได้ - ระบบ Auto จะให้เลือกอัปโหลดไฟล์ CSV. ที่ใช้ระบุค่า Flowrate ที่ต้องการใช้งาน รูปที่ 3.20 หน้าต่างการใช้งานระบบควบคุม (Emulator) 43 3) เมื่อจะใช้งานระบบ Auto ให้ทาการกดตรง CSV เพื่อเลือกไฟล์ ซึ่งไฟล์ CSV. จะเป็นเพียง การจาลองผลลัพธ์เหมือนเป็นการ Export ค่าผลลัพธ์จากการจาลองเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิง ด้วยไอน้า โดยเราจะสามารถกรอกค่า Flowrate ที่ต้องการตามช่องของโปรแกรม Excel ดัง แสดงในรูปที่ 3.21 รูปที่ 3.21 ไฟล์ csv. สาหรับการกรอกค่า Flowrate ที่ต้องการ 4) หลั ง จากอั ป โหลดไฟล์ CSV. ที่ ต้ อ งการสาเร็ จ แล้ ว จะสามารถตั้ ง เวลาที่ ต้ อ งการจะ เปลี่ยนแปลงค่า Flowrate แต่ละค่าที่กรอกไว้ และเริ่มระบบการควบคุมอัตโนมัติได้โดยกด ปุ่ม Start 5) เมื่อระบบควบคุมอัตโนมัติเริ่มทางาน ตรงหน้าต่างตรงกลางจะแสดงค่า Flowrate ที่ต้องการ ตามจานวนที่กรอกไว้ในไฟล์ โดยจะค่อยๆแสดงค่าเมื่อถึงเวลาเปลี่ยนค่า ดังแสดงในรูปที่ 3.20 44 บทที่ 4 ผลการทดลอง ในบทนี้จะกล่าวถึงผลลัพธ์แบบจาลองของการปฏิรูปด้วยไอน้าพื้นฐาน, ผลลัพธ์แบบจาลองการ ปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่, ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ พร้อมทั้งตรวจสอบความถูกต้องของผลลัพธ์ และผลลัพธ์จากการทดลอง ระบบควบคุม (Emulator) 4.1 ผลลัพธ์แบบจาลองของการปฏิรปู ด้วยไอนา้ พืน้ ฐาน การศึกษาพื้นฐานของกระบวนการปฏิรูปด้วยไอน้า (Steam Reforming) มีหลักการพื้นฐานที่ คือการใช้สมดุลวัสดุ (Material Balance) โดยเน้นการวิเคราะห์ปริมาณสารตั้งต้นที่ทางเข้าและการ เปลี่ยนแปลงปริมาณสารที่ทางออกภายใต้สภาวะที่อุณหภูมิหรือความดันเปลี่ยนแปลง โดยในขั้นตอน นี้ยังไม่ได้พิจารณาลักษณะทางกายภาพของท่อเครื่องปฏิรูป เช่น ความยาวของท่อและเส้นผ่าน ศูนย์กลางของท่อ กระบวนการนี้จะคานึงถึงปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้อง ซึ่งมีบทบาทสาคัญในการ วิเคราะห์ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการสร้างแบบจาลองเพื่อ ใช้ในการวิเคราะห์และพยากรณ์พฤติกรรมของสารต่าง ๆ ในกระบวนการปฏิรูปด้วยไอน้า ดังรูปที่ 4.1 รูปที่ 4.1 แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าแบบพื้นฐาน จากนั้นได้ทาการเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจาลองกับข้อมูลจากงานวิจัยก่อนหน้า พบว่า แบบจาลองที่สามารถทางานได้อย่างถูกต้องและสอดคล้องกับผลการวิจัย ดังรูปที่ 4.2 และรูปที่ 4.3 45 รูปที่ 4.2 ปริมาณสารที่เปลี่ยนภายใต้สภาวะของความดันที่เปลี่ยนไปในปฏิกิริยาการปฏิรูปมีเทนด้วย ไอน้าที่อุณหภูมิ 700°C สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 โมล ต่อไอน้า 3 โมล โดยเส้นตรงแสดงถึงปริมาณ สารที่จาลองจากโปรแกรม และเส้นประแสดงถึงค่าจากผลงานวิจัย รูปที่ 4.3 ปริมาณสารที่เปลี่ยนภายใต้สภาวะของความดันที่เปลี่ยนไปในปฏิกิริยาการปฏิรูปมีเทนด้วย ไอน้าที่อุณหภูมิ 900°C สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 โมล ต่อไอน้า 3 โมล โดยเส้นตรงแสดงถึงปริมาณ สารที่จาลองจากโปรแกรม และเส้นประแสดงถึงค่าจากผลงานวิจัย 46 4.2 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ ในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมคิ งที่ การออกแบบเครื่องปฏิรูป ในขั้นตอนนี้ได้คานึงถึงลักษณะทางกายภาพของท่อ เช่น ความยาว และเส้นผ่านศูนย์กลาง ซึ่งส่งผลต่อการไหลของก๊าซและการกระจายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาภายในท่อ การที่ท่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ภายในนั้นทาให้ต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น อัตราการไหล และการ ถ่ายเทความร้อน แต่ในขั้นตอนนี้ ได้มกีารกาหนดค่าอุณหภูมิให้คงที่ทั้งระบบเพื่อช่วยลดความซับซ้อน ในการคานวณ อีกทั้งยังเป็นการทดสอบประสิทธิภาพเบื้องต้นของเครื่องปฏิรูป โดยจะวิเคราะห์การ ปริมาณสารที่ทางออกในแต่ช่วงระยะของท่อและช่วงเวลาต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 4.4, รูปที่ 4.5, รูปที่ 4.6 และรูปที่ 4.7 โดยได้กาหนดให้มีอุณหภูมิคงที่อยู่ที่ 900 °C , ความดัน 6.5 บาร์ และอัตราส่วนโม ลาร์ของน้าต่อมีเทน 3.86 รูปที่ 4.4 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.18 m) ณ เวลาต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/ 47 รูปที่ 4.5 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ 45 วินาที ณ ตาแหน่งต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/s รูปที่ 4.6 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.4 m) ณ เวลาต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/s 48 รูปที่ 4.7 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ 45 วินาที ณ ตาแหน่งต่างๆ , อุณหภูมิที่ 900 °C และความดัน 6.5 บาร์ สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 mol/s ต่อไอน้า 3.86 mol/s 4.3 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ ในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมไิ ม่คงที่ การออกแบบเครื่องปฏิรูป ในขั้นตอนนี้ได้คานึงถึงลักษณะทางกายภาพของท่อ เช่น ความยาว และเส้นผ่านศูนย์กลาง ซึ่งส่งผลต่อการไหลของก๊าซและการกระจายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาภายในท่อ การที่ท่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ภายในนั้นทาให้ต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น อัตราการไหล และการ ถ่ายเทความร้อน โดยการถ่ายเทความร้อนในขั้นตอนนี้ เกิดจากการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิระหว่าง อุณหภูมิของก๊าซกับอุณหภูมิของของแข็ง จากนั้นจะนาอุณหภูมิของก๊าซที่เปลี่ยนแปลงไปในแต่ช่วง ระยะของท่อและช่วงเวลาต่างๆ มาใช้วิเคราะห์ ปริมาณสารที่ทางออกในแต่ช่วงระยะของท่อและ ช่วงเวลาต่างๆ โดยได้กาหนดให้มี ความดันอยู่ที่ 450 กิโลปาสคาล และอัตราส่วนโมลาร์ของน้าต่อ มีเทน 2.13 จากงานวิจัยอ้างอิงในการคานวณจะต้องใช้ขอบเขตซ้ายที่ถูกคานวณด้วยสมการ แต่ เนื่องจากข้อมูลของสมการในการหาขอบเขตเงื่อนไขด้านซ้ายของวิจัยอ้างอิงไม่ครบถ้วน จึงได้ทาทั้ง 2 กรณี ดังแสดงในหัวข้อ 4.3.1 และ 4.3.2 49 รูปที่ 4.8 แบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าแบบพื้นฐานในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ 4.3.1 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ ในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมไิ ม่คงที่ โดยกาหนดให้ เงือ่ นไขขอบเขตซ้ายคงที่ พบว่าผลลัพธ์ของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิของก๊าซกับอุณหภูมิของของแข็งของยังไม่เป็นไป ตามงานวิจัยอ้างอิงก่อนหน้าแต่เพิ่มขึ้นเป็นไปตามกฎสมดุลพลังงาน ดังแสดงในรูปที่ 4.9 และ4.10 และผลลัพธ์ของปริมาณสารที่ทางออกยังไม่เป็นไปตามงานวิจัยอ้างอิงก่อนหน้าเช่นกัน ถึงแม้ผลลัพธ์ ยังค่อนข้างที่ต่างจากงานวิจัยอ้างอิงอยู่มากแต่โดยรวมแล้วผลลัพธ์เป็นไปตามกฎสมดุลมวล ดังแสดง ในรูปที่ 4.11 รูปที่ 4.9 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของก๊าซที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายคงที่ 50 รูปที่ 4.10 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของแข็งที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายคงที่ รูปที่ 4.11 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโล ปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไขขอบเขต ซ้ายคงที่ 4.3.2 ผลลัพธ์แบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ ในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมไิ ม่คงที่ โดยกาหนดให้ เงือ่ นไขขอบเขตซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอืน่ เพิม่ เติม พบว่าผลลัพธ์ของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิของก๊าซกับอุณหภูมิของของแข็งของยังไม่เป็นไป ตามงานวิจัยอ้างอิงก่อนหน้าแต่เพิ่มขึ้นเป็นไปตามกฎสมดุลพลังงาน และค่าต่างจากงานวิจัยอ้างอิง 51 มากกว่ากรณีแรก ดังแสดงในรูปที่ 4.12 และ4.13 และผลลัพธ์ของปริมาณสารที่ทางออกยังไม่เป็นไป ตามงานวิจัยอ้างอิงก่อนหน้าเช่นกัน แต่โดยรวมแล้วผลลัพธ์เป็นไปตามกฎสมดุลมวล และค่าค่อนข้าง ใกล้เคียงกับงานวิจัยอ้างอิงเพิ่มขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4.14 รูปที่ 4.12 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของก๊าซที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม รูปที่ 4.13 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของแข็งที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโลปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไข ขอบเขตซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม 52 รูปที่ 4.14 การเปลี่ยนแปลงของปริมาณสารที่ทางออก (0.16 m) ณ เวลาต่างๆ ที่ความดัน 450 กิโล ปาสคาล สาหรับอัตราส่วนมีเทน 1 kmol/h ต่อไอน้า 2.13 kmol/h โดยกาหนดให้เงื่อนไขขอบเขต ซ้ายถูกคานวณด้วยสมการจากแหล่งข้อมูลอื่นเพิ่มเติม 4.4 ผลลัพธ์ระบบควบคุม (Emulator) จากการทดสอบแบบค่า Flowrate ทีต่ อ้ งการทีละ 1 ค่า การทดสอบระบบควบคุม (Emulator) มีเงื่อนไขในการปรับความดันคงที่ไว้ที่ 1 บาร์ จากนั้น จะทาการกรอกค่า Flowrate ที่ต้องการลงไปในไฟล์ csv. ทีละค่า โดยเราจะทาการทดสอบที่ Flowrate เท่ากับ 10, 20, 30, 40 และ 50 L/min ตามลาดับ จานวนทั้งหมด 3 ครั้งสาหรับแต่ละ Flowrate และทาการบันทึกค่าที่ระบบสามารถควบคุมได้จริงพร้อมทั้งจับเวลาในการควบคุม พบว่า ได้ผลลัพธ์ดังแสดงในตารางที่ 4.1 และรูปที่ 4.15 ตารางที่ 4.1 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละ 1 ค่า การทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบทีละ 1 ค่า เงือ่ นไข ความดัน 1 บาร์ ครั ง้ ที่ Flowrate ทีต่้องการ Flowrate วัดได้ครั ง้ ที่ 1 Flowrate วัดได้ครั ง้ ที่ 2 Flowrate วัดได้ครั ง้ ที่ 3 เวลาครั ง้ ที1่ เวลาครั ง้ ที2่ เวลาครั ง้ ที3่ Flowrate วัดได้โดยเฉลีย่ เวลาโดยเฉลีย่ 1 10 10.35 10.17 10.15 0:01:59 0:01:56 0:02:05 10.22 0:02:00 2 20 20.38 20.37 20.32 0:02:15 0:02:08 0:01:34 20.36 0:01:59 3 30 30.37 30.40 30.42 0:02:35 0:02:05 0:02:11 30.40 0:02:17 4 40 40.29 40.45 40.42 0:01:26 0:01:30 0:02:12 40.39 0:01:43 5 50 50.31 50.36 50.35 0:02:30 0:02:11 0:02:20 50.34 0:02:20 53 รูปที่ 4.15 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละ 1 ค่า ผลลัพธ์จากตารางที่ 4.1 และรูปที่ 4.15 แสดงให้เห็นว่าในแต่ละค่า Flowrate ที่กาหนดไว้ ระบบสามารถควบคุมได้ตามช่วงที่ยอมรับได้โดยมีค่าผิดพลาดไม่เกิน 0.5 และจะสังเกตเห็นได้ว่าเวลา ที่ใช้ควบคุมโดยเฉลี่ยจะใช้เวลาประมาณ 2 นาที จากนั้นจะนาข้อมูลเวลาที่ ใช้ในการควบคุมระบบไป กาหนดเวลาในการเปลี่ยน Flowrate ที่ต้องการทีละหลายค่าแบบอัตโนมัติในการทดลองถัดไป 4.5 ผลลัพธ์ระบบควบคุม (Emulator) จากการทดสอบแบบค่า Flowrate ทีต่ อ้ งการทีละหลายค่า การทดสอบระบบควบคุม (Emulator) มีเงื่อนไขในการปรับความดันคงที่ไว้ที่ 1 บาร์ จากนั้น จะทาการกรอกค่า Flowrate ที่ต้องการลงไปในไฟล์ csv. ทีละ 10 ค่า โดยเราจะทาการทดสอบที่ Flowrate เท่ากับ 10, 20, 30, 50, 10, 70, 60, 30, 40 และ 20 L/min ตามลาดับ แบบอัตโนมัติ เพื่อเป็นการจาลองการป้อนสารในการเดินระบบจริงแบบขั้นบันได รวมถึงมีการตั้งค่าแบบปั่นป่วนเพื่อ ทดสอบว่าระบบสามารถควบคุมได้ทุกสถานการณ์ ซึ่งได้ตั้งค่าเวลาที่จะเปลี่ยน Flowrate อัตโนมัติไว้ ที่ 2 นาที 30 วินาที โดยอ้างอิงจากข้อมูลเวลาที่ใช้ในการทบคุมมาจากการทดลองครั้งที่แล้ว และทา การบันทึกค่าที่ระบบสามารถควบคุมได้จริงพร้อมทั้งจับเวลาในการควบคุม พบว่าได้ผลลัพธ์ดังแสดง ในตารางที่ 4.2 และรูปที่ 4.16 54 ตารางที่ 4.2 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละหลายค่า ครั ง้ ที่ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 การทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบทีละหลายค่า เงือ่ นไข ความดัน 1 บาร์ Flowrate ทีต่้องการ Flowrate วัดได้ 10 10.34 20 20.28 30 30.24 50 50.12 10 10.21 70 70.28 60 60.37 30 30.11 40 40.29 20 20.07 เวลาทีใ่ ช้ 0:02:01 0:01:55 0:01:40 0:02:02 0:02:21 0:02:05 0:01:48 0:02:04 0:01:47 0:02:06 รูปที่ 4.16 ผลการทดสอบระบบควบคุม (Emulator) แบบค่า Flowrate ที่ต้องการทีละหลายค่า ผลลัพธ์จากตารางที่ 4.2 และรูปที่ 4.16 แสดงให้เห็นว่าในแต่ละค่า Flowrate ที่กาหนดไว้ให้ เปลี่ยนอัตโนมัติ สามารถควบคุมได้ตามช่วงที่ยอมรับได้โดยมีค่าผิดพลาดไม่เกิน 0.5 และจะสังเกตเห็น ได้ว่าเวลาที่ใช้ควบคุมโดยเฉลี่ยจะใช้เวลาประมาณ 2 นาทีทุกการเปลี่ยนแปลง 55 บทที่ 5 สรุปผล 5.1 สรุปผลการดาเนินงาน โครงงานนี้มีวัตถุป ระสงค์ในการศึกษาปริมาณสารผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ภายหลังจากการเกิ ด กระบวนการแตกตัว ภายในอุป กรณ์ Reformer ตามขนาดและเงื่อนไขที่กาหนด ผ่านการสร้า ง แบบจาลองทางคณิตศาสตร์เพื่อออกแบบกระบวนการแตกตัวของสารผลิตภัณฑ์ภายในอุปกรณ์ Reformer เชิงตัวเลขแบบ 1 มิติด้วยโปรแกรม OpenModelica โดยในการสร้างแบบจาลองการ ปฏิรูปด้วยไอน้า (Reformer) แบ่งออกเป็น 3 แบบได้แก่ การปฏิรูปด้วยไอน้าแบบพื้นฐาน, การปฏิรูป ด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่ และการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่ คงที่ ซึ่งทางผู้จัดทาสามารถสร้างแบบจาลองจนสาเร็จ ถึงแม้จะมีแบบจาลองบางชนิดที่ยังไม่สามารถ ตรวจสอบความถูกต้องของผลลัพธ์ได้เพราะเงื่อนไขบางประการ แต่พบว่า ผลลัพธ์ทั้ง 3 แบบมี แนวโน้มเป็นไปตามหลักทฤษฎี ตามที่ได้ทาการศึกษา หลังจากได้ผลลัพธ์จากแบบจาลองการปฏิรูป ด้วยไอน้าแล้ว ทางผู้จัดทาได้นาเอาข้อมูลค่าผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงที่ต้องการป้อนให้กับอุปกรณ์ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) จากอุปกรณ์ Reformer มาใช้ในการพัฒนาแบบจาลองสาหรับตัวควบคุม (Emulator) โดยสร้างแบบจาลองสาหรับ ควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วในการป้อนผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิง ให้ กั บ อุ ป กรณ์ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ผ่า นโปรแกรม Arduino IDE รวมถึ ง ต้ อ งต่ อ วงจรไฟฟ้าต่างๆเพื่อให้ระบบสามารถควบคุมได้ และใช้โปรแกรม Microsoft Visual Studio ช่วยใน การสร้างหน้าต่างการใช้งานของระบบควบคุม (Emulator) อีกทั้งยังต้องออกแบบโครงสร้างการ ทดลองจริงให้เหมาะสมกับสภาวะที่ใช้ในการทดลองจริง ด้วย หลังจากพัฒนาเสร็จแล้ว ตามขั้นตอน ดังกล่าวพบว่าระบบควบคุมสามารถควบคุมการเปิด -ปิดวาล์ว ตอบสนองได้จริงตามเงื่อนไขของ ผู้ใช้งานในการป้อนผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงที่ต้องการ 5.2 ปัญหาที่เกิดขึน้ จากการสร้างแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิ ไม่คงที่พบว่าไม่ สามารถที่จะทาการเทียบผลลัพธ์กับผลงานวิจัยได้เนื่องจากติดปัญหาเรื่องของเงื่อนไขขอบเขตซ้าย (Left boundary condition) ที่จะต้องถูกคานวณด้วยสมการ แต่ในงานวิจัยไม่ได้มีการระบุถึงสมการ ที่จะต้องใช้คานวณอย่างแน่ชัด จึงยังไม่สามารถที่จะหาเล่มวิจัยที่จะเทียบผลลัพธ์ได้ตรง รวมถึงอาจจะ มีในบางส่วนของการเขียนอัลกอริทึมการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิที่ยังมีข้อผิดพลาดบางจุดที่ทางผู้จัดทายัง 56 ไม่สามารถแก้ไขได้ และในส่วนของการสร้างระบบควบคุม (Emulator) พบว่าเนื่องจาก Gas Mass Flowmeter มีการอ่านค่า Flowrate ที่วิ่งผ่านได้ช้า เนื่องจากเป็นมิเตอร์ประเภทแบบ Hot wire ซึ่ง อาจจะไม่เหมาะสมแก่การนามาอ่านค่าเพื่อที่จะใช้ในการควบคุมแบบเรียลไทม์ จึงส่งผลให้การ ควบคุมต้องใช้เวลาสักระยะถึงจะได้ค่าตรงตามที่ต้องการ 5.3 ข้อเสนอแนะ 1) สาหรับ การพั ฒ นาแบบจาลองการปฏิรู ป ด้ว ยในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภู มิ ไม่ ค งที่ ต่ อ สามารถที่ จะหาข้ อ มู ล เพิ่ ม เติ ม เกี่ ย วกั บ สมการเงื่ อ นไขขอบเขตซ้า ย (Left boundary condition) ที่แน่ชัดเพื่อที่จะสามารถนาเอามาประยุกต์เพิ่มแบบจาลอง และสามารถที่จะ เทียบผลลัพธ์กับงานวิจัยได้ 2) ตรวจสอบหาข้อผิดพลาดในส่ว นของอัล กอริทึมการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิที่อาจจะยัง มี ข้อผิดพลาดอยู่ 3) สาหรับการพัฒนาแบบจาลองตัวควบคุม (Emulator) สามารถที่จะใช้มิเตอร์ประเภทอื่น เพื่อที่จะเพิ่มความไวต่อการวัดค่า Flowrate และสามารถควบคุมได้รวดเร็วขึ้น 57 เอกสารอ้างอิง [1] Umarul Imran Amrana, Arshad Ahmadb and Mohamad Rizza Othman, “Kinetic Based Simulation of Methane Steam Reforming and Water Gas Shift for Hydrogen Production Using Aspen Plus,” Chemical Engineering Transactions, Vol. 56, No. 1, 2017, pp. 1681-1686. [2] Ruoxuan Fan, Zeng-Qun Li, Hui-Ming Zhang, Wen-Quan Tao, “Analysis of a combined heating and power system based on high-temperature proton exchange membrane fuel cell and steam methane reforming: From energy, exergy and economic point of views,” Applied Thermal Engineering, vol. 247, 2024, pp. 1-19. [3] Mohammad Irani, “Resolving a Challenge in the Modeling of Hydrogen Production Using Steam Reforming of Methane in Monolith Reactors Using CFD Methods,” Advances in Materials Physics and Chemistry, Vol. 2, 2012, pp. 248252. [4] Zhihong Wu, Jian Yang, Qiuwang Wang, “Numerical Investigation of Methane Steam Reforming in the Packed Bed Installed with Metal Foam,” CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, vol. 103, 2023, pp. 67 – 72. [5] Thomas N. From, Behzad Partoon, Marene Rautenbach, Martin Ostberg, Anders Bentien, Kim Aasberg-Petersen, Peter M. Mortensen, “Electrified steam methane reforming of biogas for sustainable syngas manufacturing and nextgeneration of plant design: A pilot plant study,” Chemical Engineering Journal, vol. 479, 2024, pp. 1-9. [6] Barbir, F., PEM Fuel Cells: Theory and Practice, 2nd edition, Academic Press (Elsevier), Waltham, Massachusetts, 2013. [7] Al-Malah, K. I. M., Aspen Plus: Chemical Engineering Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2017. [8] Kantilal Chouhan, Shishir Sinha, Shashi Kumar and Surendra Kumar, “Simulation of steam reforming of biogas in an industrial reformer for hydrogen production,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 46, No. 46, 2021, pp. 2680926824. 58 [9] Fernando Antôniode Araújo Silva, Kenia Carvalho Mendes, Jornandes Dias da Silva, "A Simulation Study of the Steam Reforming of Methane in a Fixed-Bed Reactor," Engineering, vol. 8, 2016, pp. 245-256. [10]Esmail M. A. Mokheimer, Muhammad Ibrar Hussain, Shakeel Ahmed, M. A. Habib, Amro A. Al-Qutub, "On the Modeling of Steam Methane Reforming,” Journal of Energy Resources Technology, vol. 137, 2015, pp. 1-9. [11]T. Bazett, Solving PDEs with the Laplace transform [Online], Available: https://web.uvic.ca/~tbazett/diffyqs/laplacepde_section.html. [October 11, 2024]. [12]R.L. Herman, Introduction to Partial Differential Equations [Online], Available: https://math.libretexts.org/Bookshelves/Differential_Equations/Introduction_to _Partial_Differential_Equations_(Herman)/10%3A_Numerical_Solutions_of_PDE s/10.02%3A_The_Heat_Equation [October 11, 2024]. [13]Doan Pham Minh, Tan Ji Siang, Dai-Viet N. Vo, Thanh Son Phan, Cyrille Ridart, Ange Nzihou, Didier Grouset, “Hydrogen Production From Biogas Reforming: An Overview of Steam Reforming, Dry Reforming, Dual Reforming, and TriReforming of Methane,” in Hydrogen Supply Chain, Elsevier, 2018, pp. 111-138. [14]Jornandes Dias Silva, Cesar Augusto Moraes de Abreu, "Modelling and Simulation in Conventional Fixed-Bed and Fixed-Bed Membrane Reactors for the Steam Reforming of Methane,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, 2016, pp. 11660-11674. 59 ภาคผนวก ก. การเขียนอัลกอริทมึ แบบจาลองการปฏิรปู ด้วยไอนา้ 60 รูปที่ ก.1 อัลกอริทึมส่วนหลักแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าพื้นฐาน รูปที่ ก.2 อัลกอริทึมส่วนหลักแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิคงที่ รูปที่ ก.3 อัลกอริทึมส่วนหลักทึมแบบจาลองการปฏิรูปด้วยไอน้าในระบบ 1 มิติ แบบอุณหภูมิไม่คงที่ 61 ภาคผนวก ข. การเขียนอัลกอริทมึ แบบจาลองระบบควบคุม 62 รูปที่ ข.1 อัลกอริทึมบางส่วนของระบบควบคุมผ่านโปรแกรม Arduino IDE รูปที่ ข.2 อัลกอริทึมบางส่วนของระบบควบคุมผ่านโปรแกรม Microsoft Visual Studio 63 ภาคผนวก ค. การออกแบบและต่อวงจรระบบควบคุม (Emulator) 64 รูปที่ ค.1 การออกแบบวงจรระบบควบคุม (Emulator) รูปที่ ค.2 การต่อวงจรระบบควบคุม (Emulator) 65 ภาคผนวก ง. การออกแบบและสร้างโครงสร้างระบบควบคุมทีใ่ ช้จริง (Emulator) 66 รูปที่ ง.1 การออกโครงสร้างระบบควบคุม (Emulator) รูปที่ ง.2 โครงสร้างระบบควบคุมทีใ่ ช้จริง 67

Abstract

This project focuses on the design and development of a mathematical model for a reformer device and a control system (emulator) within a one-dimensional framework. Utilizing OpenModelica as the primary simulation tool, the model replicates the behavior of converting hydrocarbon fuel into hydrogen for use in solid oxide fuel cells (SOFC). The simulation incorporates fundamental equations of mass balance, energy balance, and chemical reaction rates pertinent to steam reforming, while also accounting for factors such as temperature, pressure, and inlet flow rates to ensure theoretical consistency. Additionally, the project has developed an emulator to control valve operations for fuel delivery to the SOFC. Preliminary experiments demonstrate that the developed model and control system effectively simulate the device, thereby reducing the cost of real-world experiments and offering potential applications in the design of clean energy systems.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

TF-2567-010

ชื่อเรื่อง

การออกแบบและพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ สำหรับรีฟอร์มเมอร์และอีมูเลเตอร์ในระบบ 1 มิติด้วยโปรแกรม OpenModelica / Design and Development of a Mathematical Model for a Reformer and Emulator in a 1D System Using OpenModelica

ผู้จัดทำ

กฤษฏิ์ชนัต การมงคลวณิชย์, ธิดาเนตร เกยูรวงศ์

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.ชยานนท์ เสริฐธิกุล

ปีการศึกษา

2567 (C.E. 2024)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2o4iq007d0gyrn3wdbts1