Research and Applications on the Heat Transfer Enhancement of Heat Exchangers for Electric Vehicles

โดยปกติกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchange Process) ระหว่างของไหล (Fluid) สองชนิดที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันสามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) ถ้าอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนถูกออกแบบมาอย่างดี การถ่ายเทความร้อนก็จะเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ การเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer Enhancement) ถือเป็นสิ่งหนึ่งที่จะช่วยเพิ่มสมรรถนะ (Performance) ของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งทำให้เกิดการประหยัดพลังงานหรือเป็นการใช้พลังงานอย่างคุ้มค่า รวมถึงการได้มาซึ่งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา และประหยัดเนื้อที่ในการติดตั้ง ในกรณีที่ถูกนำไปใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนถือเป็นอุปกรณ์พื้นฐานในอุตสาหกรรมหลายๆประเภท รวมถึงอุตสาหกรรมด้านยานยนต์ไฟฟ้า ที่ต้องอาศัยอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในงานระบบปรับอากาศ งานด้านการจัดการความร้อนในแบตเตอรี่ รวมถึงเป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่จัดการด้านความร้อนในส่วนอื่น ๆ ของระบบส่งกำลัง (Powertrain) ดังนั้น ความคาดหวังในการออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีสมรรถนะในการถ่ายเทความร้อนสูงและมีขนาดกะทัดรัด สามารถตอบสนองความต้องการการถ่ายเทความร้อนสำหรับพื้นที่ขนาดเล็ก เช่นในยานยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์พกพาขนาดเล็กที่ใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานได้ ที่มีค่าฟลักซ์ความร้อนสูงถึง 2500 W/m² [14] จึงถูกให้ความสำคัญ

     โครงการการวิจัยและประยุกต์การเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer Enhancement)  ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า มุ่งเน้นการเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อนด้วยวิธีแพสซีฟ (Passive) ที่ไม่ต้องอาศัยแรงจากภายนอก แต่อาศัยการออกแบบลักษณะพิเศษของรูปร่างและพื้นผิว และการจัดเรียงการไหลเป็นตัวช่วยในการเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อให้ได้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีสมรรถนะในการถ่ายเทความร้อนสูงและมีขนาดกะทัดรัด นอกจากนี้การศึกษาเทคโนโลยีกระบวนการผลิตที่ทำการกัดด้วยสารเคมี  (chemical etching) และการประสานกันด้วยการแพร่ (diffusion bonding) ซึ่งทำให้ได้พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนสูงและโครงสร้างโดยรวมถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งช่วยทำให้ยังคงความแข็งแรงของวัสดุเดิมไว้ได้ ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในงานวิจัยนี้ ในการศึกษาและพัฒนาการเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อน จะทำการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่มีความถูกต้องและแม่นยำสูงมาช่วยในการวิเคราะห์เชิงความร้อน ของไหลและโครงสร้าง จากนั้นผลวิเคราะห์จากแบบจำลองจะถูกนำมาใช้ในการออกแบบต้นแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนและดำเนินการทดสอบ เพื่อเปรียบเทียบความถูกต้องกับผลวิเคราะห์จากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ โดยในงานวิจัยนี้จะมุ่งเน้นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้า ตั้งแต่ระบบปรับอากาศ ระบบจัดการด้านความร้อนของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน รวมถึงอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนอื่น ๆ ในยานยนต์ไฟฟ้า ซึ่งในการออกแบบและพัฒนาจะครอบคลุมถึงการพิจารณาความเหมาะสมของการเลือกใช้แต่ละวิธีการออกแบบ

ผลการศึกษาในโครงการจะทำให้ได้วิธีการดัดแปลงอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเดิมที่มีอยู่ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และได้รูปแบบใหม่ของพื้นผิวที่ควรใช้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละประเภท นอกจากนั้นสมการสหสัมพันธ์ที่พัฒนาขึ้นจะถูกนำไปใช้ในการคำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนและแฟกเตอร์ความเสียดทาน ซึ่งสามารถนำไปดัดแปลงเพื่อการออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีลักษณะแตกต่างออกไปได้ ผลลัพธ์สุดท้ายที่จะได้จากโครงการ คือ หลักการทางวิชาการสำหรับการออกแบบและปรับปรุงอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนประเภทต่าง ๆ ให้มีสมรรถนะสูงขึ้น นอกจากนี้ผลลัพธ์จากการวิจัยสามารถนำไปประยุกต์ได้กับทุกอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุตสาหกรรมการปรับอากาศและการทำความเย็น และอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า ซึ่งผลงานที่ได้ถือเป็นองค์ความรู้ใหม่ เป็นผลงานทางวิชาการที่ก้าวหน้าทันสมัย อีกทั้งผลงานที่ได้จะถูกนำไปอ้างอิงโดยนักวิทยาศาสตร์ นักวิจัย นักวิชาการ วิศวกร ทั้งในประเทศและต่างประเทศจำนวนมาก โครงการนี้จะแสดงให้เห็นถึงการพัฒนาจากงานวิจัยพื้นฐานไปสู่งานวิจัยประยุกต์ และเพื่อให้บรรลุเป้าหมายสูงสุด ในการสร้างศักยภาพและความสามารถในการออกแบบและผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้เองภายในประเทศ เพื่อลดการพี่งพาการนำเข้าจากต่างประเทศ เป็นการยกระดับการแข่งขันของอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าในประเทศ