บทที่  1

                                                        บทนำ

ที่มาและความสำคัญของโครงงาน

ปัจจุบันโลกของเรานับว่าเปลี่ยนแปลงไปเป็นอย่างมาก  ซึ่งบางส่วนที่เปลี่ยนแปลงไปนั้นไม่ได้ส่งผลดีต่อโลกของเรานัก  ไม่ว่าจะเป็นในด้านสภาพอากาศ  สิ่งแวดล้อมหรือธรรมชาติ  ที่นับวันจะเลวร้ายลงไปทุกที              อันเห็นได้จากความเปลี่ยนแปลงที่เป็นผลกระทบต่อความเป็นอยู่ของเรา  เช่น  การเกิดภาวะโลกร้อนในปัจจุบัน  พลังงานที่นับวันจะหมดลง  ทางผู้จัดทำจึงเกิดแนวคิดสร้างสรรค์โครงงานนี้ขึ้น  เพื่อร่วมเป็นส่วนหนึ่งในการรักษาสภาพแวดล้อม  ภายใต้ขอบเขตการอนุรักษ์พลังงาน  จนเกิดเป็นโครงงาน  “เตารีไซเคิล”  ทั้งนี้เตารีไซเคิลเป็นเตาที่ออกแบบขึ้น  เพื่อให้ชุมชนได้นำวัสดุเหลือใช้ เช่น ปี้บ  กระป๋องสี  ฝาหม้อ มาทำเตารีไซเคิลที่มีต้นทุนต่ำ  สามารถใช้ประโยชน์ได้ในครัวเรือน  สำหรับการหุงต้มในครัวเรือน โดยนำเศษกิ่งไม้ ซังข้าวโพด กะลา ฯลฯ มาผ่านกระบวนการเผาไหม้สมบูรณ์ ทำให้ได้เชื้อเพลิงในการหุงต้ม แถมลดปริมาณควัน ไม่ก่อมลพิษ

เตารีไซเคิล มีประสิทธิภาพในการเผาไหม้สูงกว่าเตาทั่วไป  โดยใช้เชื้อเพลิงที่เป็นวัสดุเหลือทิ้ง           จากการเกษตร  เช่น กิ่งไม้  ซังข้าวโพด เหง้ามันสำปะหลัง และกะลามะพร้าว เป็นต้น โดยเปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์ ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซมีเทน จากปฏิกิริยาการเผาไหม้อย่างต่อเนื่อง ถึง 2 ครั้ง นำไปใช้เป็นแก๊สหุงต้มแทน

จุดมุ่งหมายของการศึกษาค้นคว้า

1. เพื่อนำวัสดุเหลือใช้มาทำให้เกิดประโยชน์สูงสุด

2. เพื่อลดต้นทุนค่าใช้จ่ายในการหุงต้มในครัวเรือน

3. เพื่อลดมลพิษที่เกิดจากการเผาไม้

สมมุติฐาน

ถ้าเตารีไซเคิลสามารถใช้แทนเตาทั่วไปได้

ตัวแปรที่เกี่ยวข้อง

ตัวแปรต้น  :  เตา

ตัวแปรตาม  :  อุณหภูมิ

ตัวแปรควบคุม  :  ระยะเวลาในการเผา

ขอบเขตการศึกษาค้นคว้า

          ศึกษาเตารีไซเคิลขนาด เซนติเมตร

          ใช้ถ่านตามท้องตลาด

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

1. สามารถนำวัสดุเหลือใช้มาทำให้เกิดประโยชน์

2. ลดต้นทุนค่าใช้จ่ายในการหุงต้มในครัวเรือน

3. สามารถลดมลพิษที่เกิดจากการเผาไม้ และอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมและธรรมชาติ

บทที่ 2

เอกสารที่เกี่ยวข้อง

          ในการทำโครงงานเรื่อง เตารีไซเคิล ผู้จัดทำได้ศึกษาค้นคว้าเอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้องโดยแยกเป็นหัวข้อดังต่อไปนี้ เหล็ก พลังงานชีวมวล น้ำ ความร้อนและอุณหภูมิ

ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับเหล็ก

เหล็ก คือ คำที่คนไทยทั่วไปนิยมใช้เรียกเหมารวมกันหมายถึง เหล็ก (iron) และ เหล็กกล้า (steel) ซึ่งในความเป็นจริงนั้น วัสดุทั้ง 2 อย่างนี้ไม่เหมือนกันหลายประการ อย่างไรก็ดี เหล็กเป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญยิ่งในการพัฒนาสังคมและความเป็นอยู่ของมนุษย์ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันและต่อไปในอนาคตอีกนานแสนนาน 

เหล็ก (iron) สัญลักษณ์ทางวิทยาศาสตร์ Fe คือแร่ธาตุโลหะชนิดหนึ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติ ส่วนใหญ่มีสีแดงอมน้ำตาล โดยปกติสามารถดูดติดแม่เหล็กได้ พบมากในชั้นหินใต้ดินบริเวณที่ราบสูงและภูเขา อยู่ในรูปก้อนสินแร่เหล็ก (iron ore) ปะปนกับโลหะชนิดอื่นๆ และหิน เมื่อนำมาใช้ประโยชน์จะต้องผ่านการทำให้บริสุทธิ์ด้วยกรรมวิธีการ "ถลุง" (ใช้ความร้อนสูงเผาให้สินแร่เหล็กกลายเป็นของเหลวในขณะที่กำจัดแร่อื่นที่ไม่ต้องการออกไป) นอกจากนี้ธาตุเหล็กยังเป็นสารอาหารที่ร่างกายคนเราต้องการ เนื่องจากเป็นองค์ประกอบสำคัญในเม็ดเลือดแดงของเราอีกด้วย กล่าวคือ คนที่ขาดธาตุเหล็กจะเป็นโรคโลหิตจางได้ง่าย

เหล็กกล้า (steel) คือโลหะผสมชนิดหนึ่ง โดยทั่วไปเหล็กกล้าหมายความถึง "เหล็กกล้าคาร์บอน (carbon steel)" ซึ่งประกอบด้วยธาตุหลักๆ คือ เหล็ก (Fe) คาร์บอน (C) แมงกานีส (Mn) ซิลิคอน (Si) และธาตุอื่นๆ อีกเล็กน้อย เหล็กกล้าเป็นวัสดุโลหะที่ไม่ได้มีอยู่ตามธรรมชาติ แต่ถูกผลิตขึ้นโดยฝีมือมนุษย์ (และเครื่องจักร) โดยตั้งอยู่บนพื้นฐานของการปรับปรุงเหล็ก (Fe/iron) ให้มีคุณสมบัติโดยรวมดียิ่งขึ้น เช่น แปรเปลี่ยนรูปได้ตามที่ต้องการ แข็งแรง ยืดหยุ่น ทนทานต่อแรงกระแทกหรือสภาวะทางธรรมชาติ สามารถรับน้ำหนักได้มาก ไม่ฉีกขาดหรือแตกหักง่าย เป็นต้น เหมาะสมในการใช้งานในด้านต่างๆ ในชีวิตประจำวันของคนเราได้อย่างหลากหลาย ด้วยต้นทุนที่ต่ำ เพื่อให้ขายได้ในระดับราคาที่คนทั่วไปซื้อหามาใช้ได้ ซึ่งนับว่ามีข้อได้เปรียบดีกว่าวัสดุอื่นๆ มาก

เนื่องจากเหล็กและเหล็กกล้าเป็นวัสดุที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ (recycle) ได้ 100% ในปัจจุบันการผลิตเหล็กกล้า อย่างที่โรงงาน "จี สตีล" ของเราได้ทำมาตั้งแต่เปิดโรงงานจวบจนทุกวันนี้ จึงนิยมใช้กระบวนการผลิตที่นำเศษเหล็กที่ไม่ใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่ โดยการหลอมด้วยเตาอาร์คไฟฟ้าที่เป็นเทคโนโลยีชั้นสูงสมัยใหม่เพื่อให้ได้น้ำเหล็กที่นำมาปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ ให้ตรงกับความต้องการของลูกค้าต่อไป ซึ่งกรรมวิธีนี้ถือเป็นการช่วยอนุรักษ์พลังงานและสิ่งแวดล้อมได้ดีกว่าการผลิตแบบดั้งเดิมที่ด้วยวิธีการถลุงสินแร่ด้วยเตาสูง (blast furnace) ในแง่ของการใช้พลังงานสะอาดด้วยไฟฟ้าเมื่อเทียบกับการใช้ถ่านหินที่ปล่อยคาร์บอนและก๊าซเรือนกระจกอื่นออกสู่ชั้นบรรยากาศ และการนำเศษเหล็กกลับมาใช้ใหม่เท่ากับเป็นการลดขยะของโลกลงอีกด้วย ส่วนน้ำดิบที่ใช้ในกระบวนการผลิตของโรงงาน "จี สตีล" นั้น เราใช้หมุนเวียนอยู่ภายในระบบปิด จึงไม่กระทบต่อระบบนิเวศของชุมชนแต่อย่างใดอีกด้วย

พลังงานชีวมวล

          ชีวมวล หมายถึง สิ่งที่ได้มาจากสิ่งมีชีวิต เช่น ต้นไม้ อ้อย มันสำปะหลัง ถ่ายฟืนแกลบ วัชพืชต่าง ๆ หรือแม้กระทั่ง ขยะและมูลสัตว์ ประเทศไทยมีแหล่งพลังงานอยู่มาก หากรู้จักนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพ เราจะสามารถลดการใช้พลังงานด้านอื่น อาทิ พลังงานจากน้ำมัน ไฟฟ้า แก๊ส ถ่านหิน ฯลฯ ซึ่งจะช่วยลดการใช้พลังงานที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และช่วยลดการสูญเสียเงินตราของประเทศ ในการนำเข้าเชื้อเพลิงดังกล่าวอีกด้วย ดังนั้นการคิดค้นและพัฒนาการนำชีวมวลมาใช้เป็นพลังงานทดแทนในรูปแบบต่าง ๆ จึงเป็นการแสวงหาหนทางใหม่ ในการใช้พลังงานเพื่ออนาคต ในขณะเดียวกันก็ต้องพยายาม ลดความสูญเสีย และเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานด้วยเช่นกัน 

                 เชื้อเพลิงเขียวอัดแท่ง ได้มีการพัฒนาเพื่อผลิตก้อนชีวมวล หรือที่เรียกว่าเชื้อเพลิงเขียวอัดแท่ง โดยวัสดุเหลือทิ้ง เช่น แกลบ ชานอ้อย มันสำปะหลัง ผักตบชวามาใส่เครื่องสับ เพื่อสับให้ละเอียด ผสมคลุกเคล้ากันให้ได้สัดส่วน และมีความชื้นที่พอเหมาะ นำไปอัดเป็นแท่ง จากนั้นจึงนำไปตากแดด หรือเข้าตู้อบให้แห้ง แท่งอัดชีวมวลที่ได้จะมีรูพรุนมาก จึงมีพืนผิวสำหรับให้เผาไหม้มาก ทำให้จุดติดไฟได้ง่าย และให้ความร้อนสูง

                 เตาหุงต้มซุปเปอร์อั้งโล่ประสิทธิภาพสูง เตาเป็นอุปกรณ์สำคัญที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการใช้พลังงานชีวภาพมากยิ่งขึ้น เรานำเตาหุงต้มที่ใช้กันทั่วไป หรือเรียกว่า "เตาอั้งโล่" มาพัฒนาเป็นเตาหุงต้มซูเปอร์อั้งโล่ ให้มีลักษณะรูปร่างเพรียว น้ำหนักเบา สะดวกในการเคลื่อนย้าย ปากเตาลาดเอียง สามารถวางหม้อได้ถึง 9 ขนาด     ตั้งแต่เบอร์ 16-32 ปรับปรุงให้ช่องใส่ถ่านมีขนาดพอเหมาะสำหรับการปรุงอาหาร เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงมากเกินความจำเป็น ส่วนขอบเตาเสมอกันโดยรอบ มีฉนวนกันความร้อนอย่างหนาอยู่ระหว่างตัวเตากับเปลือกเตา เพื่อลดการสูญเสีย ความร้อนไปยังอากาศภายนอกโดยเปล่าประโยชน์ รวมทั้งออกแบบและผลิตรูรังผึ้งให้มีขนาดเล็ก และเรียว เพื่อให้สามารถดูดอากาศได้ดี ช่วยให้ไฟติดง่ายและเร็ว เผาไหม้สมบูรณ์ ให้ความร้อนสูงอย่างต่อเนื่อง

ข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับน้ำ

น้ำ เป็นสารประกอบเคมีชนิดหนึ่ง มีสูตรเคมีคือ H₂O โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยออกซิเจน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอมเชื่อมติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์ น้ำเป็นของเหลวที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน แต่พบบนโลกที่สถานะของแข็ง (น้ำแข็ง) และสถานะแก๊ส (ไอน้ำ) น้ำยังมีในสถานะของผลึกของเหลวที่บริเวณพื้นผิวที่ขอบน้ำ

น้ำปกคลุม 71% บนพื้นผิวโลก และเป็นปัจจัยสำคัญต่อชีวิต^[4] น้ำบนโลก 96.5% พบในมหาสมุทร 1.7%      ในน้ำใต้ดิน 1.7% ในธารน้ำแข็งและชั้นน้ำแข็งของทวีปแอนตาร์กติกาและเกาะกรีนแลนด์ ซึ่งเป็นเศษส่วนเล็กน้อย  บนผิวน้ำขนาดใหญ่ และ 0.001% พบในอากาศเป็นไอน้ำ ก้อนเมฆ(ก่อตัวขึ้นจากอนุภาคน้ำในสถานะของแข็งและของเหลวแขวนลอยอยู่บนอากาศ) และหยาดน้ำฟ้า น้ำบนโลกเพียง 2.5% เป็นน้ำจืด และ 98.8% ของน้ำจำนวนนั้นพบในน้ำแข็งและน้ำใต้ดิน น้ำจืดน้อยกว่า 0.3% พบในแม่น้ำ ทะเลสาบ และชั้นบรรยากาศ และน้ำจืดบนโลก         ในปริมาณที่เล็กลงไปอีก (0.003%) พบในร่างกายของสิ่งมีชีวิตและผลิตภัณฑ์

สถานะ

น้ำเป็นของเหลวที่อุณหภูมิและความดันที่มีเพียงพอต่อชีวิตมากที่สุด โดยเฉพาะที่ความดันบรรยากาศปกติที่    1 บาร์ (0.98692 บรรยากาศ 100 กิโลปาสกาล 14.5 พีเอสไอ) และอุณหภูมิ 373.15 เคลวิน (100 องศาเซลเซียส 212 องศาฟาเรนไฮต์) การเพิ่มความดันบรรยากาศจะลดจุดหลอมเหลวลงเล็กน้อย อยู่ที่ประมาณ −5 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 600 บรรยากาศ −22 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 2100 บรรยากาศ ผลลัพธ์นี้สัมพันธ์กับหลายสิ่ง ตัวอย่างเช่น สเกตน้ำแข็ง ทะเลสาบแช่แข็งในทวีปแอนตาร์กติกา และการเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็ง (ที่ความดันสูงกว่า 2100 บรรยากาศ จุดหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วอีกครั้ง และน้ำแข็งจะมีรูปร่างแปลกที่จะไม่เกิดขึ้นที่ความดันต่ำ)

การเพิ่มความดันมีผลกระทบที่สำคัญต่อจุดเดือด นั่นคือที่อุณหภูมิ 374 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 220 บรรยากาศ มีผลสำคัญต่อปล่องแบบน้ำร้อนใต้ทะเลลึกและไกเซอร์ การทำอาหารแบบใช้ความดัน และการออกแบบเครื่องจักรไอน้ำ บนยอดเขาเอเวอเรสต์ ที่ความดันประมาณ 0.34 บรรยากาศ น้ำเดือดที่อุณภูมิ 68 องศาเซลเซียส (154 องศาฟาเรนไฮต์)

ที่ความดันบรรยากาศต่ำ (ต่ำประมาณ 0.006 บรรยากาศ) น้ำไม่อาจอยู่ในสถานะของเหลวได้ และจะเปลี่ยนสถานะโดยตรงจากของเหลวเป็นแก๊สโดยการระเหิด ปรากฏการณ์ที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการทำอาหารแห้งเยือกแข็ง ที่ความดันบรรยากาศสูง (เหนือ 221 บรรยากาศ) สถานะของเหลวและแก๊สของน้ำไม่อาจแยกความแตกต่างได้ สถานะนี้เรียกว่า ไอน้ำเหนือวิกฤต

น้ำยังแตกต่างจากของเหลวส่วนใหญ่ เนื่องจากน้ำหนาแน่นน้อยลงเมื่อน้ำแข็งตัว ความหนาแน่นสูงสุดของน้ำที่ 1,000 กก./ลบ.ม. (62.43 ปอนด์/ลบ.ฟุต) เกิดที่อุณหภูมิ 3.98 องศาเซลเซียส (39.16 องศาฟาเรนไฮต์) ขณะที่ความหนาแน่นของน้ำแข็งคือ 917 กก./ลบ.ม. (57.25 ปอนด์/ลบ.ฟุต)^[12][13] ดังนั้น ปริมาตรของน้ำขยายตัวร้อยละ 9 เมื่อแข็งตัว รองรับความจริงที่ว่า น้ำแข็งลอยได้ในน้ำที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิตั้งแต่ 30 องศาเซลเซียส ถึง 60 องศาเซลเซียส น้ำมีสถานะของเหลว 2 สถานะ

น้ำจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสารต่างๆ ที่ละลายปะปนอยู่ในน้ำการที่มีสารต่าง ๆ ละลายปะปนอยู่ในน้ำ คุณสมบัติของน้ำมีรายละเอียดดังนี้

1. คุณสมบัติทางกายภาพของน้ำ   คือ ลักษณะทางภายนอกที่แตกต่างกัน เช่นความใส ความขุ่น กลิ่น สี เป็นต้น

- อุณหภูมิ (temperature) อุณหภูมิของน้ำมีผลในด้านการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งจะส่งผลต่อการลดปริมาณออกซิเจนที่ละลายน้ำ

- สี (color) สีของน้ำเกิดจากการสะท้อนแสงของสารแขวนลอยในน้ำ เช่น น้ำตามธรรมชาติจะมีสีเหลืองซึ่งเกิดจากกรดอินทรีย์ น้ำในแหล่งน้ำที่มีใบไม้ทับถมจะมีสีน้ำตาล หรือถ้ามีตะไคร่น้ำก็จะมีสีเขียว

- กลิ่นและรส กลิ่นและรสของน้ำจะมีคุณสมบัติแตกต่างกันขึ้นอยู่กับปริมาณสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำ เช่น ซากพืช ซากสัตว์ที่เน่าเปื่อยหรือสารในกลุ่มของฟีนอล เกลือโซเดียมคลอไรด์ซึ่งจะทำให้น้ำมีรสกร่อยหรือเค็ม

- ความขุ่น (turbidity) เกิดจากสารแขวนลอยในน้ำ เช่น ดิน ซากพืช ซากสัตว์

 - การนำไฟฟ้า (electical conductivity) บอกถึงความสามารถของน้ำที่กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่าน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของอิออนโดยรวมในน้ำ และอุณหภูมิขณะทำการวัดค่าการนำไฟฟ้า 

- ของแข็งทั้งหมด (total solid: TS) คือ ปริมาณของแข็งในน้ำ สามารถคำนวณจากการระเหยน้ำออก ได้แก่ ของแข็งละลายน้ำทั้งหมด (Total Dissolved Solids: TDS) จะมีขนาดเล็กผ่านขนาดกรองมาตรฐาน คำนวณได้จากการระเหยน้ำที่กรองผ่านกระดาษกรองออกไป ของแข็งแขวนลอย (Suspended Solids: SS) หมายถึง ของแข็งที่อยู่บนกระดาษกรองมาตรฐานหลังจากการกรอง แล้วนำมาอบเพื่อระเหยน้ำออก ของแข็งระเหยง่าย (Volatile Solids: VS) หมายถึง ส่วนของแข็งที่เป็นสารอินทรีย์แต่ละลายน้ำ สามารถคำนวณได้โดยการนำกระดาษกรองวิเคราะห์เอาของแข็งที่แขวนลอยออก แล้วนำของแข็งส่วนที่ละลายทั้งหมดมาระเหยอุณหภูมิประมาณ 550 องศาเซลเซียส นำน้ำหนักน้ำที่ชั่งหลังการกรองลบด้วยน้ำหนักหลังจากการเผา น้ำหนักที่ได้คือ ของแข็งส่วนที่ระเหยไป

2. สมบัติทางด้านเคมีของน้ำ คือ ลักษณะทางเคมีของน้ำ เช่น ความเป็นกรด - เบส ความกระด้าง ปริมาณออกซิเจนที่ละลายน้ำ เป็นต้น

 - pH แสดงความเป็นกรดหรือเบสของน้ำ ( น้ำดื่มควรมีค่า pH ระหว่าง 6.8-7.3) โดยทั่วไปน้ำที่ปล่อยจากโรงงานอุตสาหกรรมมักจะมีค่า pH ที่ต่ำ (PH < 7) ซึ่งหมายถึงมีความเป็นกรดสูงมีฤทธิ์กัดกร่อน การวัดค่า pH ทำได้ง่าย โดยการใช้กระดาษลิตมัสในการวัดค่าความเป็นกรด – เบส ซึ่งให้สีตามความเข้มข้นของ [H⁺] หรือการวัดโดยใช้ pH meter เมื่อต้องการให้มีความละเอียดมากขึ้น สภาพเบส (alkalinity) คือสภาพที่น้ำมีสภาพความเป็นเบสสูงจะประกอบด้วยไอออนของ OH^-, CO₃^- , H₂CO₃ของธาตุแคลเซียม โซเดียม แมกนีเซียม โพแทสเซียม หรือแอมโมเนีย ซึ่งสภาพเบสนี้จะช่วยทำหน้าที่คล้ายบัฟเฟอร์ต้านการเปลี่ยนแปลงค่า pH ในน้ำทิ้ง สภาพกรด ( acidity) โดยทั่วไปน้ำทิ้งจากแหล่งชุมชนจะมีบัฟเฟอร์ในสภาพเบสจึงไม่ทำให้น้ำมีค่า pH ที่ต่ำเกินไป แต่น้ำทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรมมักจะมีค่า pH ต่ำกว่า 4.5 ซึ่งมาจาก CO₂ ที่ละลายน้ำ

- ความกระด้าง (hardness) เป็นการไม่เกิดฟองกับสบู่และเมื่อต้มน้ำกระด้างนี้จะเกิดตะกอน น้ำกระด้างชั่วคราว เกิดจากสารไบคาร์บอเนต (CO₃^2-) รวมตัวกับ ไออออนของโลหะเช่น Ca²⁺, Mg²⁺ ซึ่งสามารถแก้ได้โดยการต้ม นอกจากนี้แล้วยังมีความกระด้างถาวรซึ่งเกิดจากอิออนของโลหะและสารที่ไม่ใช่พวกคาร์บอเนต เช่น SO₄^2-- ,NO₃^- , CI^- รวมตัวกับ Ca²⁺, Fe²⁺,Mg²⁺เป็นต้น ความกระด้างจึงเป็นข้อเสียในด้านการสิ้นเปลืองทรัพยากร คือต้องใช้ปริมาณสบู่หรือผงซักฟอกในการซักผ้าในปริมาณมาก ซึ่งก็จะเกิดตะกอนมากเช่นกัน 

- ปริมาณออกซิเจนที่ละลายน้ำ (dissolved oxygen, DO) แบคทีเรียที่เป็นสารอินทรีย์ในน้ำต้องการออกซิเจน (aerobic bacteria) ในการย่อยสลายสารอนินทรีย์ ความต้องการออกซิเจนของแบคทีเรียนี้จะทำให้จะทำให้ปริมาณออกซิเจนที่ละลายในน้ำลดลง ดังนั้นในน้ำที่สะอาดจะมีค่า DO สูง และน้ำเสียจะมีค่า DO ต่ำ มาตรฐานของน้ำที่มีคุณภาพดีโดยทั่วไปจะมีค่า DO ประมาณ 5-8 ppm หรือปริมาณ O₂ ละลายอยู่ปริมาณ 5-8 มิลลิกรัม / ลิตร หรือ 5-8 ppm น้ำเสียจะมีค่า DO ต่ำกว่า 3 ppm ค่า DO มีความสำคัญในการบ่งบอกว่าแหล่งน้ำนั้นมีปริมาณออกซิเจน

ความร้อนและอุณหภูมิ

สสารทั้งหลายประกอบด้วย อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอะตอม หรือการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” (Heat) เราพิจารณาพลังงานความร้อน (Heat energy) จากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร 
          อุณหภูมิ (Temperature) หมายถึง การวัดค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์ซึ่งเกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละตัว หรือแต่ละโมเลกุลของสสาร เมื่อเราใส่พลังงานความร้อนให้กับสสาร อะตอมของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดพลังงานความร้อน อะตอมของสสารจะเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง 
          หากเราต้มน้ำด้วยถ้วยและหม้อบนเตาเดียวกัน จะเห็นได้ว่าน้ำในถ้วยจะมีอุณหภูมิสูงกว่า แต่จะมีพลังงานความร้อนน้อยกว่าในหม้อ เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ดังนั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก (ชั้นเทอร์โมสเฟียร์) จึงมีอุณหภูมิสูง แต่มีพลังงานความร้อนน้อย เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่อย่างเบาบาง

สเกลอุณหภูมิ
           องศาฟาเรนไฮต์
            ในปี ค.ศ.1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Gabrial Fahrenheit) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ซึ่งบรรจุปรอทไว้ในหลอดแก้ว เขาพยายามทำให้ปรอทลดต่ำสุด (0°F) โดยใช้น้ำแข็งและเกลือผสมน้ำ      

เขาพิจารณาจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ  32°F และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ  212°F
           องศาเซลเซียส
            ในปี ค.ศ.1742 แอนเดอส์ เซลเซียส (Anders Celsius) นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ออกแบบสเกลเทอร์มอมิเตอร์ให้อ่านได้ง่ายขึ้น โดยมีจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 0°C และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100°C
           เคลวิน (องศาสัมบูรณ์) 
            ต่อมาในคริสศตวรรษที่ 19 ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบความ
สัมพันธ์ระหว่างความร้อนและอุณหภูมิว่า ณ อุณหภูมิ -273°C อะตอมของสสารจะไม่มีการเคลื่อนที่ และ
จะไม่มีสิ่งใดหนาวเย็นไปกว่านี้ได้อีก เขาจึงกำหนดให้ 0 K = -273°C (ไม่ต้องใช้เครื่องหมาย ° กำกับ
หน้าอักษร K) สเกลองศาสัมบูรณ์หรือเคลวิน เช่นเดียวกับองศาเซลเซียสทุกประการ เพียงแต่ +273 
เข้าไปเมื่อต้องการเปลี่ยนเคลวินเป็นเซลเซียส

ภาพเปรียบเทียบสเกลอุณหภูมิทั้ง 3 ระบบ

ภาพที่ 2 การถ่ายเทความร้อน

กลไกการถ่ายเทความร้อน

 เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก

1 การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว 

2 การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสสารซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซ ส่วนของแข็งนั้นจะมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน และการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนจึงมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศ และมหาสมุทร รวมทั้งภายในโลก และดวงอาทิตย์ 

ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว ความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ทำให้น้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า “วัฏจักรการพาความร้อน” (Convection circulation)

 3 การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว

งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

          ฐิติวัจน ผุนลาวงษ์ และคณะ (2550:บทคัดย่อ) การศึกษาพฤติกรรมการเผาไหมชีวมวลในเตาเผาฟลูอิดไดซเบดแบบหมุนเวียน โดยบทความนี้ไดนำเสนอถึงการศึกษาในเชิงทดลองเกี่ยวกับ พฤติกรรม การเผาไหมในเตาเผาแบบฟลูอิดไดซเบด และการศึกษาถึงอิทธิพลของผนังเตาเผาที่เป็นแบบผิวเรียบ และฟรีบอรดใหญ่โดย นำไซโคลนใสไวด้านใน กรณีของการทดลองไดทำการทดลองที่อัตรา การไหลเชิงมวลของแกลบที่ 6-12 kg/hr โดยทำการปรับเปอรเซ็นต ของอากาศสวนเกิน 3 คา คือ 20%, 40% และ 60% โดยทำการวัด และสังเกตการณ์กระจายอุณหภูมิในตำแหนงต่าง ๆภายในเตา, ขี้เถ้า, ควันที่ออกมากับก๊าซไอเสีย จากการทดลองอัตราการไหลเชิงมวล ของแกลบที่ 9 kg/hr และอากาศส่วนเกินที่ 60% มีการเผาไหมดีที่สุด หลังจากนั้นทำการปรับท่อลมหลัก 3 คา คือ 50%, 40% และ 30% ของอากาศทั้งหมด ตามลำดับ จากการทดลองพบว่าที่อากาศ 40% มีการเผาไหมดีที่สุด ซึ่งจะมีอุณหภูมิไอเสียระหว่าง 700- 750°C สวนอุณหภูมิในห้องเผาไหมอยู่ที่ 950°C จากการวิเคราะห์ ก๊าซไอเสียปริมาณของก๊าซ CO อยู่ระหว่าง 100–300 ppm ก๊าซ NO อยู่ระหว่าง 100-300 ppm และประสิทธิภาพการเผาไหม้อยู่ระหว่าง 97-99%

          ชิตมงคล พงษ์สิงห์ (2557:บทคัดย่อ) การเพิ่มประสิทธิภาพเตาเผาเชื้อเพลิงแข็งโดยใช้วัสดุวิทยานิพนธ์นี้ ได้เสนอวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพของเตาเผาเชื้อเพลิงแข็ง ที่ใช้ในการผลิต น้ำร้อนโดยใช้วัสดุพรุนมาช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพการส่งผ่านทางความร้อนระหว่างปฏิกิริยาการเผาไหม้และกลุ่มท่อน้ำร้อน นอกจากนี้อากาศที่จะไหลเข้าสู่ห้องเผาไหม้จะถูกอุ่นให้มีอุณหภูมิสูงขึ้น อีกด้วย ซึ่งส่งผลท้าให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้สูงมากขึ้นกว่าเตาเผาแบบดั้งเดิม วัสดุพรุนที่ใช้ใน การศึกษานี้ คือ นอตตัวเมียที่มีขนาดต่างๆกัน คือ 8, 10, และ12 mm โดยใช้ถ่านไม้เป็นเชื้อเพลิง การทดลองครั้งนี้ ได้ทำการเปรียบเทียบระหว่างเตาเผาแบบดั้งเดิม กับ แบบบรรจุวัสดุพรุน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน โดยใช้สภาวะการทำงานของเตาเผาแบบดั้งเดิมที่ให้ค่าสมรรถนะ ที่สูงที่สุดมาเป็นกรณีเบื้องต้นและได้ทำการบรรจุวัสดุพรุนเข้าไปภายในกลุ่มท่อน้ำ เพื่อทดลองด้วย สมมุติฐานที่ว่าวัสดุพรุนช่วยส่งเสริมประสิทธิภาพเชิงความร้อนได้ จากนั้นได้ทำการเปลี่ยนแปลง ขนาดของวัสดุพรุน เพื่อหาค่าของวัสดุพรุนที่ดีที่สุด ที่ทำให้ได้ค่าประสิทธิภาพทางความร้อน ของน้ำร้อนที่สูงที่สุด ผลการทดลองพบว่า การใช้วัสดุพรุนสามารถส่งเสริมประสิทธิภาพทางความร้อนของน้ำร้อนได้จริง และขนาดของวัสดุพรุนที่นำมาใช้มีผลต่อการส่งเสริมประสิทธิภาพทางความร้อนโดย การศึกษาวัสดุพรุนทั้ง 3 ขนาด คือ 8, 10 และ12 mm พบว่าวัสดุพรุนขนาด 10 mm สามารถทำให้ค่า ประสิทธิภาพทางความร้อนของน้ำสูงที่สุด โดยมีค่าอุณหภูมิเฉลี่ยของห้องเผาไหม้สูงถึง1,020 ◦C มีค่า ประสิทธิภาพทางความร้อนอยู่ที่ 60% และความร้อนที่ได้อยู่ที่ 45 kw

หลักการทางวิทยาศาสตร์

          เปลี่ยนจากพลังงานเชื้อเพลิงเป็นพลังงานความร้อน

          พลังงานชีวมวลหรือ Biomass คือ สารอินทรีย์ที่เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานจากธรรมชาติ และสามารถนำมาใช้ผลิตพลังงานได้ สารอินทรีย์เหล่านี้ได้มาจากพืชและสัตว์ต่างๆ เช่น เศษไม้ ขยะ วัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร การใช้งานชีวมวลเพื่อทำให้ได้พลังงาน อาจจะทำโดยนำมาเผาไหม้เพื่อนำพลังงานความร้อนที่ได้ไปใช้ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าทดแทนพลังงานจากฟอสซอล เช่น น้ำมัน ซึ่งมีอยู่อย่างจำกัดและอาจหมดลงได้ 

บทที่ 3

อุปกรณ์ และวิธีการศึกษา

วัสดุและอุปกรณ์

อุปกรณ์

1.       ปี๊บรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส ขนาด 23.50 เซนติเมตร มีความสูง 34 เซนติเมตร     2 ใบ

2.   แกนกลางกระติกน้ำร้อนด้านใน                                1        ถัง      

     3.   สว่านไฟฟ้า                                                       1        ตัว

     4.   ดีวิด                                                              1        ตัว

     5.   ลูกหมู และใบเจียร                                              1        ตัว

     6.   กรรไกรตัดอลูมิเนียม                                            1        อัน

     7.   จานรองเตาแก๊ส                                                 1        อัน

     8.   หูหิ้วถังสีขนาด 9.460 ลิตร                                     1        อัน

     9.   มือจับหม้ออลูมิเนียม                                            1        อัน

     10  อุปกรณ์อื่นๆ ได้แก่ น๊อต ค้อน ตะปู คีม กระดาษทราย ตลับเมตร ปากกาเคมี   

วิธีการดำเนินการ

ตอนที่ 1 ขั้นตอนการประดิษฐ์เตารีไซเคิล

          1. นำปี๊บใบที่ 1 มาตัดฝาด้านบนออกให้เป็นรูปทรงกลม

2. ตัดปี๊บด้านข้าง (ด้านตรงข้ามกับกระจก) 1 ด้าน ให้เป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า เพื่อใช้เพิ่มและลดแรงดันออกซิเจน

3. เจาะปี๊บด้านข้าง 2 ด้าน ขนาด  2 เซนติเมตร  แล้วพับให้ตั้งฉากทั้ง 2 ด้าน เพื่อใช้เป็นที่รองแผ่นกันความร้อน

4. นำปี๊บใบที่ 2 มาตัดด้านบน (ด้านที่มีฝา) แล้วตัดหัวมุมทั้ง 4 ด้าน ให้ขาดจากกัน ตัดข้างละ 1 เซนติเมตร ตกแต่งมือจับสำหรับใช้เป็นลิ้นชัก เพื่อใส่เชื้อเพลิง

5. นำแกนกลางกระติกน้ำร้อน มาเจาะด้านล่างให้เป็นวงกลมเล็กๆ ให้ทั่ว โดยเว้นระยะห่างพอเหมาะ สำหรับใช้ระบายออกซิเจนภายในเตา

6. นำแกนกลางกระติกน้ำร้อนที่เจาะเรียบร้อยแล้ว มาใส่ในปี๊บตัวที่ 1 ที่เจาะเป็นรูปทรงกลมตั้งไว้

7. ตัดเศษปี๊บเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสเล็กๆ จำนวน 4 อัน แล้วพับครึ่งให้เท่ากัน ใช้กรรไกรตัดเหล็กมาตกแต่งให้เป็นหยัก เพื่อเป็นขาตั้งอุปกรณ์หุงต้ม

8. ใช้กระดาษทรายขัดรอยตัด รอยเจาะ เพื่อลบมุมไม่ให้เกิดอันตราย

9. นำหูหิ้วถังสีขนาด 9.460 ลิตร มาประกอบ สำหรับยกเตารีไซเคิลขณะร้อนๆ

ตอนที่ 2 ศึกษาขั้นตอนการเผาไหม้

         เตรียมเตารีไซเคิลและเตาถ่านตามท้องตลาด นำถ่านมาชั่งให้ได้ 400 กรัม 2 ชุด จุดเชื้อเพลิงลงไปในเตาทั้ง สองชนิด แล้วนำถ่านที่ชั่งแล้วมาใส่ในเตาเพื่อให้ถ่านติดไฟ เมื่อไฟเริ่มติดแล้วให้นำกาน้ำที่มีน้ำ 1000 มิลลิลิตร มาต้ม บนเตาทั้ง 2 ชนิด จากนั้นทำการวัดอุณหภูมิทุกๆ 5 นาที แล้วบันทึกข้อมูลจนกว่าถ่านจะมอด   

บทที่ 4

ผลการศึกษา

ผลการศึกษา

เตารีไซเคิลประหยัดพลังงานและอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม  สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ  คือ                   ประหยัดงบประมาณ ลดปริมาณควันพิษที่ลอยขึ้นสู่อากาศได้เป็นอย่างดี  โดยการเปลี่ยนการใช้เชื้อเพลิงในรูป แบบเดิมคือ ฟืน ไม้แห้ง มาเป็นถ่านที่สามารถลดปริมาณการใช้ฟืนลงได้ และกระบวนการในการเผาไหม้ยังเกิดควันน้อยมาก  รวมถึงใช้หลักการอบความร้อนในถัง ช่วยเพิ่มให้เกิดพลังงานความร้อนเร็วขึ้น ทำให้ลดระยะเวลาในการหุง ต้มลงได้  เพราะความร้อนที่อยู่ในถัง

ตารางที่ 4.1 ตารางแสดงการเปรียบเทียบการเผาไหม้ระหว่างเตารีไซเคิลกับเตาถ่าน

ภาพที่ 4.1 ภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับเวลาที่ใช้ในการเผาไหม้จากเตารีไซเคิลและเตาถ่านตามท้องตลาด

          จากกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับเวลาที่ใช้ในการเผาไหม้จากเตารีไซเคิลและเตาถ่านตามท้องตลาด พบว่า เตาถ่านจุดไฟได้เร็ว แต่ถ่านมอดเร็ว ส่วนเตารีไซเคิลถ่านจะมอดช้าและจะเก็บความร้อนได้ดีกว่า

บทที่ 5

สรุปผล และอภิปรายผล

สรุปผล

จากการที่ผู้จัดทำได้ดำเนินการสร้างเตารีไซเคิล เพื่อเป็นการประหยัดงบประมาณ ประหยัดพลังงานและอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม ตามรูปแบบที่วางไว้  โดยใช้วัสดุที่สามารถหาได้ทั่วไปในครัวเรือน  หรือวัสดุที่ใช้แล้วมาดัดแปลงทำเป็นเตา  และทดลองทำการก่อไฟ หลังจากการทดลองก่อไฟ พบว่า เมื่อระยะเวลาเพิ่มขึ้นอุณหภูมิของเตารีไซเคิลจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และเก็บความร้อนได้นาน เพราะไม่ถูกรบกวนจากสภาพแวดล้อมภายนอก ส่วนเตาถ่านจะมีอุณหภูมิสูงอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาแรก พอเวลาผ่านไประยะหนึ่งอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นทีละน้อยจนถ่านมอดอุณหภูมิก็ยังไม่คงที่

ประโยชน์ที่ได้รับจากโครงงาน

-  ลดปริมาณควันพิษที่ลอยขึ้นสู่อากาศ 

-  ลดปริมาณการใช้ฟืนจากต้นไม้

-  ลดการทำลายธรรมชาติและอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม

-  ใช้ต้นทุนหรือค่าวัสดุอุปกรณ์ในการจัดทำน้อย

-  นำวัสดุที่ใช้แล้วมาดัดแปลงเข้ากับชิ้นงานตามแบบที่วางไว้ได้

บรรณานุกรม

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน  กระทรวงพลังงาน,  คู่มือการผลิตและ  การใช้งานเตาเผาผลิตถ่าน      แบบถัง  200  ลิตร,  2554.

สำนักถ่ายทอดและเผยแพร่เทคโนโลยี กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. พลังงานชีวมวล. จากเว็ปไซต์ http://www.ku.ac.th. 2551.

The LESA Project All rights reserved. ความร้อนและอุณหภูมิ. จากเว็บไซต์http://portal.edu.chula.ac.th. 2003-2010.

ฐิติวัจน์ ผุนลาวงศ์ และคณะ. การศึกษาพฤติกรรมการเผ้าไหม้ชีวมวลในเตาเผาฟลูอิดไดซ์เบดแบบหมุนเวียน. กรุงเทพฯ : คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง. 2550.

ชิตมงคล พงษ์สิงห์. การเพิ่มประสิทธิภาพเตาเผาเชื้อเพลิงแข็งโดยใช้วัสดุพรุน.ปทุมธานี :วิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาวัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี. 2557.

ภาคผนวก