วัฏจักรทำความเย็น

เรื่อง วฏั จกั รทำควำมเยน็ โดย นำยกษมำ ลำภบญุ อดุ ม รหสั 116310400037-2 วชิ ำ เธอรโ์ มไดนำมิกส์

คำนำ รายงานเล่มนีจ้ ัดทำข้นึ เพื่อเปน็ สว่ นหนึ่งของวิชาเทอร์โมไดนามิกส์เพ่ือให้ไดศ้ กึ ษาหาความรใู้ นเร่ืองวัฏ จักรทำความเยน็ และไดศ้ กึ ษาอยา่ งเขา้ ใจเพือ่ เปน็ ประโยชน์กับการเรียน ผจู้ ดั ทำหวงั ว่า รายงานเล่มนีจ้ ะเปน็ ประโยชนก์ ับผู้อ่าน หรอื นักเรยี น นักศึกษา ทีก่ ำลงั หาข้อมูลเร่ืองนี้ อยู่ หากมีข้อแนะนำหรือขอ้ ผิดพลาดประการใด ผจู้ ัดทำขอน้อมรับไวแ้ ละขออภยั มา ณ ทนี่ ้ีดว้ ย ผจู้ ดั ทำ นายกษมา ลาภบญุ อดุ ม วันท่ี 15 ตลุ าคม 2564

สารบัญ 1-2 3 วฏั จักรทำความเย็นและระบบทำความเยน็ แบบอดั ไอ 4-5 การทำงานของระบบทำความเย็น 6-7 ระบบทำความเย็นแบบอดั ไอ 8 9-12 เครือ่ งทำความเยน็ และปัม๊ ความรอ้ น 13 วัฏจกั รคารโ์ นตแ์ บบผันกลับ 14 วฏั จักรทำความเยน็ แบบอดั ไอในอดุ มคติ 15 วฏั จกั รทำความเยน็ แบบอดั ไอจรงิ 16 วิธีการเลอื กใชส้ ารทำความเย็นอยา่ งเหมาะสม 17 ระบบปมั๊ ความรอ้ น 18 ระบบทำความเย็นแบบอดั ไอทไี่ ด้มีการพฒั นาในเชงิ นวตั กรรม 19-22 ระบบทำความเยน็ โดยมกี ระบวนการอดั หลายขนั้ ตอน 23 24-28 ระบบทำความเยน็ ที่มีกระบวนการอดั ขัน้ ตอนเดยี วเพื่อวตั ถุประสงค์หลายประการ 29-32 การทำใหแ้ กส๊ เป็นของเหลว (Liquefaction of gases) วัฏจักรทำความเยน็ แก๊สท่ีมีกระบวนการรีเจนเนอเรชนั ระบบทำความเยน็ แบบดูดซึม ระบบทำความเยน็ และรบบกำเนิดกำลงั ไฟฟา้ เทอรโ์ มอเิ ล็กทรกิ

วฏั จักรทำความเย็น (Refrigeration Cycles) กระบวนการทำความเยน็ (refrigeration processes) เป็นกระบวนการหนึง่ ทม่ี ีความสำคญั ซง่ึ ขาดไม่ไดท้ ่ีจะไดก้ ล่าวในวิชาเทอร์โมไดนามกิ ส์ กระบวนการการทำความเย็นเปน็ กระบวนการถ่าย โอนความร้อนจากบริเวณทม่ี อี ุณหภูมติ ่ำกวา่ ไปยงั บริเวณท่มี อี ุณหภมู ิสงู กวา่ อุปกรณท์ ที่ ำหนา้ ทีถ่ ่าย โอนความรอ้ นลักษณะนี้คอื เครอ่ื งทำความเย็น (refrigerator) หรือ ปมั๊ ความร้อน (heat pump) เครื่องทำความเย็นจะทำงานเป็นวัฏจักร ทเ่ี รียกว่า วัฏจักรทำความเย็น วฏั จักรทำความเยน็ ส่วนใหญ่ เปน็ วัฏจกั รทำความเย็นแบบอดั ไอ (Vapor Compression Refrigeration Cycle) ซ่งึ สารทำความ เยน็ (refrigerant) จะระเหยและควบแน่นสลบั กันไปพร้อมทง้ั จะถูกอดั ในขณะทมี่ สี ถานะเป็นไอ นอกจากน้ยี งั มี วัฏจกั รทำความเย็นแกส๊ (gas refrigeration gas) ซึ่งสารทำความเย็นจะอยู่ในสถานะ เป็นแก๊สตลอดวัฏจกั ร ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (Vapor Compression System) ระบบทำความเย็นและ ปรับอากาศท่ใี ช้ในปจั จุบันอาศยั การทำงานแบบอดั ไอน้ำยาทำความ เย็นด้วยคอมเพรสเซอร์เพื่อนำน้ำยาท่ีทำความเย็นแล้วกลับมาใชอ้ กี น้ำยาทำความเย็นจะไหลเวียน ภายในระบบปดิ อยตู่ ลอดเวลา ในระบบทำความเยน็ แบบอดั ไอ ประกอบไปด้วยอปุ กรณห์ ลัก คือ คอยลเ์ ย็น คอมเพรสเซอร์ คอนเดนเซอร์ และอปุ กรณค์ วบคมุ การไหล ซงึ่ อปุ กรณแ์ ต่ละส่วนมีหนา้ ที่ ดังน้ี คอยล์เยน็ (Evaporator) ทา หนา้ ทด่ี ดู ความรอ้ นจากพืน้ ที่ หรอื วัตถุท่ีตอ้ งการทำความ เยน็ ไปใชใ้ นการเดอื ดกลายเป็นไอของน้ำยา คอมเพรสเซอร์ (Compressor) ทำหน้าท่ี ดูดนำ้ ยาใหไ้ หลเวียนภายในระบบพรอ้ มกับอัดไอ น้ำยาท่มี ีความดันตำ่ ใหเ้ ป็นไอนำ้ ยาท่มี คี วามดันสงู และอุณหภูมสิ งู คอนเดนเซอร์ (Condenser) ทำ 1

หนา้ ที่ระบายความรอ้ นให้กบั ไอนำ้ ยาท่มี ี อณุ หภูมิสูง ออกสอู่ ากาศภายนอกระบบ เมื่อไอน้ำยาได้รบั การระบายความร้อนจะเกิดการควบแน่นเป็นนำ้ ยาเหลว อุปกรณค์ วบคมุ การไหล (Expansion Valve) ทำหน้าทีค่ วบคุมการไหลของน้ำยาที่ไหลเข้า คอยลเ์ ย็น วัฎจกั รของการทำความเย็น (Refrigeration Cycle) ในระบบทำความเย็นแบบอดั ไอ น้ำยาทำความเย็นจะไหลเวียนผ่านสว่ นต่าง ๆ ของระบบอยู่ตลอดเวลา ในแตล่ ะรอบน้ำยาจะต้องผา่ น กระบวนการตอ่ ไปน้ี คือ การขยายตวั (Expansion) เกิดทอ่ี ุปกรณ์ควบคมุ การไหล การกลายเป็นไอ (Vaporization) เกดิ ท่คี อยลเ์ ย็น การอัดไอ (Compression) เกดิ ท่ีคอมเพรสเซอร์ การควบแน่น (Condensation) เกิดทคี่ อนเดนเซอร์ 2

การทำงานของระบบทำความเยน็ ระบบทำความเยน็ จะทำความเย็นได้ น้ำยาภายในระบบจะต้องไหลเวียนอุปกรณ์ทที่ ำให้ นำ้ ยาไหลเวียนใน ระบบคือ คอมเพรสเซอร์ซึ่งเปรยี บเสมือนเคร่ืองสบู ท่ีสบู น้ำยาใหไ้ หลเวียนอยู่ ตลอดท่ีระบบทำงาน น้ำยาท่ไี หลเขา้ อุปกรณ์ควบคุมการไหล จะอยู่ในสถานะของเหลวทมี่ คี วามดนั สูง อุณหภมู สิ งู อุปกรณ์ควบคุมการ ไหลจะลดความดนั ของน้ำยาลง ทำใหจ้ ุดเดือดของนำ้ ยาลดต่ำลง นำ้ ยาที่ออกจากอุปกรณ์ควบคมุ การไหล จะไหล เขา้ คอยล์เย็นเปน็ ละอองน้ำยา โดยน้ำยาจะมจี ดุ เดือดตำ่ กว่าอณุ หภมู ขิ องวัตถทุ แ่ี ชอ่ ยู่ในหอ้ งทำความเย็น ทำให้เกดิ การถ่ายเทความ ร้อนจากวัตถทุ แ่ี ช่ไปใหน้ ำ้ ยา ๆ เกดิ การเดอื ดกลายเปน็ ไอโดยท่ีอุณหภูมแิ ละความดนั ของนา้ ยา คงท่ี ความร้อนท่ใี ชใ้ นการเดือดกลายเป็นไอคือ ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ น้ำยาทอ่ี อกจากคอยลเ์ ยน็ จะอยใู่ นสถานะไอท่ีความดันตำ่ อุณหภมู ิตำ่ จะถูกสง่ ผ่านทางท่อดดู เขา้ คอมเพรสเซอรข์ ณะทีผ่ า่ นทอ่ ดูดไอของนำ้ ยาจะไดร้ บั ความรอ้ นจากอากาศ รอบ ๆ ทา ให้ไอน้ำยามีอุณหภมู สิ งู ขนึ้ แต่ความดนั ยังคงท่ี ความร้อนช่วงนี้คอื ความร้อนย่ิงยวด น้ายาที่เขา้ คอมเพรสเซอร์จะอยใู่ นสถานะไอที่ความดนั ต่ำ อุณหภมู ติ ำ่ จากนนั้ คอมเพรสเซอร์จะอดั ไอ น้ำยาใหม้ ีปรมิ าตรลดลง ทำใหค้ วามดนั และอุณหภูมิสงู ขึน้ โดยอณุ หภูมิของ ไอจะสงู กว่าอุณหภมู ิไออม่ิ ตัว ไอนำ้ ทีอ่ อกจากคอมเพรสเซอร์จะมอี ุณหภูมิสูงกว่าอากาศรอบๆทำใหเ้ กิดการระบาย ความรอ้ นให้กบั อากาศขณะถกู สง่ ผ่านท่อจ่ายไปยังคอนเดนเซอรท์ ำใหอ้ ุณหภมู ขิ องไอนำ้ ยาลดลง เทา่ กับอุณหภูมิไอน้ำอิ่มตัวแต่ ยงั คงสงู กว่าอุณหภูมิของอากาศรอบคอนเดนเซอร์ ไอนำ้ ทีเ่ ข้าคอนเดนเซอร์จะมีความดันสงู อุณหภูมเิ ท่ากับอุณหภูมิอ่ิมตวั แต่สูงกว่า อุณหภูมขิ องอากาศ รอบ ๆ คอนเดนเซอรท์ ำใหเ้ กดิ การถา่ ยเทความร้อน จากไอน้ำใหก้ ับอากาศ รอบ ๆ คอนเดนเซอร์ ผ่านพน้ื ผิว คอนเดนเซอร์ ไอน้ำเกิดการควบแน่นเปน็ ของเหลว โดยทค่ี วามดนั และอุณหภมู ิยังคงที่ ความร้อนทีถ่ ่ายเทให้กับ อากาศคือ ความร้อนแฝงของการควบแนน่ น้ำยาทีอ่ อกจากคอนเดนเซอร์ จะอยใู่ นสถานะของเหลวอุณหภูมิสูง, ความดนั สงู จะ ไหลเข้าถงั รบั นำ้ ยา ภายในถงั รับนำ้ ยาจะประกอบด้วยน้ำยาทอ่ี ย่ใู นสถานะของเหลวกับน้ำยาที่อยู่ใน สถานะไอซง่ึ ยังไม่ควบแน่นลอย อยู่ดา้ นบน น้ำยาเหลวจะถกู ปล่อยออกจากถงั รบั น้ำยาส่งผา่ นทางท่อของเหลวเขา้ อุปกรณ์ ควบคุมการไหล ระหว่าง ทางนำ้ ยาซงึ่ เป็นของเหลวอิ่มตวั จะมอี ุณหภูมอิ ิ่มตวั สงู กว่าอากาศรอบ ๆ ท่อ ทำใหเ้ กิดการถา่ ยเทความร้อนจาก น้ำยาไปยังอากาศทำให้อุณหภมู ิของน้ำยาลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิ อ่มิ ตัว ซง่ึ กระบวนการนคี้ ือการซับคลู ล์ และเรยี ก ของเหลวท่ีมีอณุ หภูมติ ่ำ กวา่ อณุ หภูมิอิม่ ตัววา่ ของเหลวซับคลู ล์ ต่อจากน้ีการไหลเวยี นของน้ำ ยาทำความเย็นก็ จะเร่มิ รอบใหม่ซ่งึ จะ ผา่ นกระบวนการขยายตวั กระบวนการเดอื ดเป็นไอ กระบวนการอดั ไอและกระบวนการ ควบแนน่ กลับเปน็ ของเหลวตามเดมิ โดยจะหมุนเวยี นไปเร่ือย ๆ ตลอดเวลาของการทำงาน 3

ระบบทำความเยน็ แบบอัดไอ (Vapor Compression System) แบง่ เปน็ 2 ประเภท 1.ระบบอัดน้ำยาชนั้ เดยี ว (Single Stage) ระบบอัดนำ้ ยาช้นั เดยี ว (Single Stage) เหมาะสำหรับห้องอณุ หภมู ิ ตัง้ แต่ -25 C ข้นึ ไป หรือ ใช้ทำน้ำเย็น คอมเพรสเซอรท์ ีใ่ ช้ เช่น Bitzer รุ่น 4G.2, 6G.2, 6F.2 เป็นต้น หลกั การทำงาน เมอ่ื คอมเพรสเซอรท์ ำงาน จะดดู ไอนำ้ ยามาทางท่อทางดูดจากคอยลเ์ ย็น และอัด ไอน้ำยาออกทางท่อสง่ ผา่ นหม้อดกั น้ำมัน (Oil Separator) เขา้ ส่คู อนเดนเซอร์ หม้อดกั นำ้ มัน จะแยก นำ้ มนั ออกจากไอน้ำยา แล้วส่งน้ำมนั กลับเขา้ คอมเพรสเซอร์ เพอ่ื ใช้หลอ่ ลืน่ ในคอมเพรสเซอร์ ส่วนของ น้ำมันทดี่ ักไวไ้ ม่หมดจะไปกับนำ้ ยา และคา้ งตามทอ่ นำ้ ยาจะเปน็ ตัวพาน้ำมนั ส่วนน้ไี หลกลบั คนื เขา้ คอมเพรสเซอรต์ อ่ ไป ไอนำ้ ยารอ้ นจะถกู อดั เขา้ คอนเดนเซอร์ และถูกนำ้ ทะเลระบายความร้อนออก จนกลายเปน็ นำ้ ยาเหลว และไหลผา่ นไส้กรองเพ่อื ดดู ความชน้ื และกรองส่งิ สกปรกออกจากน้ำยาและนำ้ มนั เคร่ือง น้ำยาจะถกู ดันไปที่วาล์วเอ็กแปนช่ัน (Expansion Valve) ซง่ึ จะมรี ูเล็กๆ ท่ีปรับขนาดได้ คอยปลอ่ ยให้ 4

น้ำยาผ่านเขา้ ไประเหยในคอยล์เยน็ (Evaporator) ในปริมาณท่ีพอเหมาะที่จะระเหยได้หมดพอดี กอ่ นทีจ่ ะถูกดูดผา่ น Accumulator แล้วดูดเขา้ คอมเพรสเซอร์ แล้วอดั ออกตอ่ ไป 2.ระบบอัดน้ำยา 2 ช้นั (Two Stage) ระบบอดั น้ำยา 2 ชน้ั (Two Stage) เหมาะสำหรับใชง้ านห้องท่ีเยน็ จดั (ฟรีส) อุณหภมู ติ ัง้ แต่ - 25 C ลงไป คอมเพรสเซอรท์ ่ีใช้ เชน่ Bitzer รุน่ S6G.2, S6F.2 เป็นต้น 5

เครอ่ื งทำความเย็นและปม๊ั ความรอ้ น เคร่อื งทำความเยน็ เป็นอุปกรณ์ทำงานแบบวัฏจกั ร ของไหลทำงานที่ใชใ้ นเครื่องทำความเยน็ จะ เรียกว่า สารทำความเย็น การทำงานของเครอื่ งทำความเย็นมีลกั ษณะดงั นี้ จากรปู ������������หมายถึง ปรมิ าณความรอ้ นท่มี กี ารถา่ ยโอนออก จากบริเวณทำความเยน็ ที่มีอณุ หภูมิ������������แล้ว������������ หมายถงึ ปริมาณความรอ้ นทีม่ ีการถ่ายโอนใหแ้ ก่ส่งิ แวดลอ้ มทม่ี ี อุณหภูมสิ ูง������������และ������������������������,������������เป็นปริมาณท่ีเปน็ บวก อุปกรณอ์ กี ชนิดมกี ารถ่ายโอนความรอ้ นจากบริเวณที่มี อุณหภูมิต่ำไปส่บู ริเวณทมี่ ีอุณหภูมิสูงคอื ปั๊มความร้อน เครื่องทำความเย็นและป๊มั ความรอ้ นเป็นอุปกรณท์ ่มี ีสว่ นประกอบ เหมือนกันสิ่งทแี่ ตกต่างกนั ระหว่างอปุ กรณท์ ง้ั 2 ชนิด คือ จุดประสงค์ในการใชง้ านกลา่ วคือ เครือ่ งทำความเย็นเป็นอุปกรณ์ ท่ที ำงานเพอ่ื รักษาอุณหภูมขิ องบริเวณทำความเยน็ ให้มอี ุณหภมู ิตำ่ โดยการกำจดั ความรอ้ นออกจากบรเิ วณดังกลา่ ว 6

สมรรถนะในการทำงานของเคร่อื งทำความเยน็ และป๊ัมความรอ้ นแสดงอยู่ในรูปสัมประสิทธ์สิ มรรถนะ (coefficient of performance , COP) มสี มการดงั น้ี ������������������������ = สงิ่ ทปี่ รารถนาจะไดอ้ อกมา = ผลของการทำความเยน็ = ������������ ส่ิงท่ีจำเปน็ ต้องปอ้ นเข้าไป งานท่ปี ้อนให้แก่อุปกรณ์ ������������������������,������������ ������������������������������ = ส่ิงที่ปรารถนาจะไดอ้ อกมา = ผลของการทำความเย็น = ������������ สง่ิ ทจ่ี ำเปน็ ตอ้ งปอ้ นเข้าไป งานท่ปี อ้ นใหแ้ กอ่ ุปกรณ์ ������������������������,������������ นอกจากนี้ สมการข้างตน้ ยังอาจสามารถแทนคา่ อยใู่ นรูปของอัตรา โดยการแทนค่า ������������,������������ และ ������������������������,������������ ดว้ ยตัวแปร ขอ้ สังเกตคือ ������������������������ และ ������������������������������ สามารถมีค่ามากกวา่ 1 ได้และเมอื่ พจิ ารณาเปรียบเทียบสมการ ������������������������������ = ������������������������ + 1 เม่อื กำหนดคา่ ������������ และ ������������ สมการบอกให้ทราบค่าว่า ������������������������������ > 1 เพราะว่า ������������������������ เปน็ ปริมาณทม่ี คี ่าเป็นบวก หมายความวา่ ในสภาวะทแี่ ย่ท่ีสุด คา่ ������������������������������ มีคา่ ต่ำสุดคือค่าเทา่ กบั 1 (������������=������������������������,������������) เปรียบเสมือนว่าปม๊ั ความร้อนทำงานเป็น ขดลวดความรอ้ น (resistance heater) สำหรับตัวเลขทใ่ี ชบ้ อกขนาดของเคร่ืองทำความเยน็ คอื อัตราการถ่ายโอนความรอ้ นออกจากบริเวณ ทำความเยน็ ในระบบ SI จะใช้หน่วยเป็น kW แต่พ้นื ฐานของหนว่ ยทำความเย็นโดยท่ัวไปมักจะระบุ อยู่ในหนว่ ยอังกฤษ คือ ตันของการทำความเย็น (tons of refrigeration) เครอ่ื งทำความเย็น 1 ตัน หมายถงึ เครือ่ งทำความเย็นทส่ี ามารถทำใหน้ ้ำอยู่ในสถานะของเหลวท่อี ณุ หภมู ิ 0 องศาเซลเซียส 7

วัฏจักรคารโ์ นต์แบบผนั กลับ เน่ืองจากวฏั จกั รคารโ์ นต์เปน็ วัฏจกั รทีผ่ ันกลับได้ ดงั นัน้ กระบวนการท้งั ส่ใี นวัฏจักรของคาร์ โนตก์ ็จะสามารถผันกลบั ได้และในการผันกลบั ของวัฏจักร ทิศทางของการถา่ ยโอนความรอ้ นและงานก็ ผันกลับเช่นกนั ผลทไี่ ด้จากการผันกลบั วัฏจักรทท่ี ำงานในทศิ ทางทวนเข็มนาฬิกา ซง่ึ เรยี กวฏั จกั รนีว้ ่า วฏั จักรคารโ์ นตแ์ บบผนั กลับ (reversed carnot cycle) เครือ่ งทำความเยน็ หรือปั๊มความรอ้ นที่ทำงาน ในลักษณะวฏั จักรคาร์โนต์แบบผันกลับน้ีเรียกวา่ เครื่องทำความเย็นคาร์โนต์ (Carnot refrigerator) หรือ ป๊มั ความรอ้ นคารโ์ นต์ (Carnot heat pump) วฏั จักรคาร์โนตเ์ ปน็ วัฏจกั รผนั กลับได้โดยรวม (totally reversible cycle) ซ่งึ ประกอบไปดว้ ย กระบวนการผนั กลับไดแ้ บบไอโซเทอร์มอล 2 กระบวนการ และ กระบวนการไอเซนโทรปกิ 2 กระบวนการ วัฏจกั รคาร์โนตเ์ ป็นวฏั จกั รที่มปี ระสิทธิภาพเชิงความรอ้ นสงู สุด และใช้เป็นมาตรฐานใน การเปรียบเทียบกับวัฏจักรกำลังจริง 8

วฏั จักรทำความเย็นแบบอดั ไอในอดุ มคติ วฏั จักรทำความเยน็ แบบอัดไอในอดุ มคติ เปน็ วฏั จกั รท่ีได้รับการพฒั นามาจากวัฏจักรทำความ เยน็ คาร์โนตใ์ หม้ ลี กั ษณะใกล้เคยี งกบั การทำงานในทางปฏิบตั มิ ากขนึ้ โดยแนวทางในการปรบั ปรุงวฏั จกั ร คือ ทำการระเหยสารทำความเย็นอยา่ งสมบูรณ์ก่อนท่ีจะทำการอัด และแทนกังหันด้วยทรอ ตทลง่ิ วฏั จักรนีถ้ ูกใชเ้ ปน็ ตน้ แบบสำหรบั เครื่องทำความเย็น เคร่ืองปรบั อากาศ และปม๊ั ความร้อน อย่างกวา้ งขวาง ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการตา่ งๆดังนี้ กระบวนการ 1-2 การอดั ตวั แบบไอเซนโทรปกิ ในเคร่ืองอัด กระบวนการ 2-3 การคายความรอ้ นโดยความดนั คงทใ่ี นเครอื่ งควบแนน่ กระบวนการ 3-4 การขยายตัวในอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง กระบวนการ 4-1 การดูดความรอ้ นโดยความดนั คงท่ีในเคร่อื งระเหย ในวฏั จกั รนี้ สารทำความเย็นไหลเข้าเคร่อื งอัดทีส่ ภาวะท่ี 1 ในสถานะไออ่มิ ตวั และถูกบีบอัดแบบไอ เซนโทรปิกจนกระทง่ั มคี วามดนั เทา่ กบั เคร่อื งควบแน่น ในชว่ งนีก้ ระบวนการอัดแบบไอเซนโทรปกิ อณุ หภูมจิ ะเพิม่ สงู กว่าอุณหภูมขิ องตัวกลางส่ิงแวดล้อมและออกจากเคร่ืองควบแนน่ ในสถานะ ของเหลวอ่มิ ตัวที่สภาวะที่ 3 เน่อื งจากผลของการคายความร้อนสู่สงิ่ แวดล้อมอณุ หภูมิของการคาย ความรอ้ นสสู่ ่งิ แวดลอ้ มอุณหภมู ิของสารทำความเย็นทสี่ ภาวะนี้ยังคงสูงกว่าอุณหภมู ิของสิง่ แวดลอ้ ม 9

สารทำความเยน็ ในสถานะของเหลวอิ่มตัวทีส่ ภาวะ 3 จะถกู บีบผ่านทรอตทลิง่ จนกระทั่งความดัน เท่ากับความดันของเครอื่ งระเหยในชว่ งนี้อุณหภูมขิ องสารทำความเย็นจะลดลงกวา่ อณุ หภมู ิปกตขิ อง บรเิ วณทำความเย็น หลังจากน้ันสารจะไหลเขา้ สู่เคร่ืองระเหยในสภาวะท่ี 4 ในสถานะของผสมอ่ิมตัวท่ี มคี ุณภาพไอตำ่ สารทำความเย็นจะระเหยอยา่ งสมบูรณโ์ ดยการดดู ความรอ้ นออกจากบรเิ วณทำความ เย็นและออกจากเครอ่ื งในสถานะไออิม่ ตวั หลังจากนั้นจะไหลเขา้ สเู่ ครอื่ งอกี ครั้ง ตูเ้ ยน็ ในบา้ นเรือนทวั่ ไป เครื่องระเหยจะอย่บู ริเวณทีเ่ ป็นชอ่ งแชง็ โดยมกี ารดดู ซมึ ความร้อน ออกจากชอ่ งแชแ่ ขง็ นี้ ส่วนท่อท่ขี ด (coils) อย่หู ลังต้เู ย็นทำหนา้ ทีเ่ ปน็ เครื่องควบแนน่ โดยมีการคาย ความรอ้ นออกสอู่ ากาศ 10

แผนภาพมักถูกนยิ มใชใ้ นการวเิ คราะห์วฏั จกั รทำความเยน็ ในอดุ มคติ คือ แผนภาพ P-h จากแผนภาพ มกี ระยวนการ 3 ใน 4 กระบวนการแสดงเสน้ ตรงของและปริมาตรความรอ้ นท่ีถูกถ่ายโอนภายใน เคร่อื งควบแนน่ และเครื่องระเหยจะเป็นสัดสว่ นตรงกับความยาวของเส้นโคง้ โดยอุปกรณ์กรทงั้ 4 ตวั ในวฎั จักรนีเ้ ปน็ การไหลแบบคงตัว จึงสามารถวเิ คราะหอ์ ุปกรณ์ท้งั 4 ท่ี ประกอบขึ้นเปน็ วฏั จกั รน้ีในลกั ษณะการไหลแบบคงตัวและมกี ารเปล่ียนแปลงพลงั งานจลน์และลงั งาน ศักย์ของสารทำความเยน็ โดยปกตจิ ะมีค่าน้อยเมื่อทยี บกบั เทอมของงานของการถ่ายโอนความรอ้ น สมการอนุรกั ษพ์ ลังงานของระบบการไหลแบบคงตัวที่ใช้ มีดังนี้ 11

เนอ่ื งจากการทำงานของเคร่อื งระเหยและเครื่องควบแนน่ ไม่มกี ารถ่ายโอนพลังงานในรูปงาน และ เม่ือ พจิ ารณาการทำงานของเคร่อื งอัดใหเ้ ป็นแบบแอเดยี เบติก สามารถหาค่าสัมประสิทธิส์ มรรถนะของ เคร่ืองทำความเย็นและปัม๊ ความรอ้ นในลักษณะวฏั จักรทำความเย็นแบบอัดไออุดมคตไิ ด้มี ความสมั พนั ธด์ งั น้ี เม่อื และ สำหรับกรณที ่ีเป็นอดุ มคติ 12

วฏั จักรทำความเยน็ แบบอัดไอจรงิ วฏั จักรแบบอดั ไอจริงมกี ารทำงานต่างจากวัฏจกั รอดุ มคติหลายประการ เน่ืองจากสภาวะการ ทำงานที่ผนั กลบั ไมไ่ ด้ในอุปกรณ์หลายสว่ น โดยส่วนหลกั ๆ ไดแ้ ก่ สภาพผันกลับไม่ได้ท่ีเกิดจากความ ต้านทานการไหลในท่อ และการถ่ายโอนความร้อนระหวา่ งระบบและสิง่ แวดล้อม วฏั จักรทำความเยน็ แบบอัดไออดุ มคติ ของไหลจะทำงานออกจากเครื่องระเหยและเข้าสู่เครื่องอัดใน สถานะไออิ่มตัว ซง่ึ ลกั ษณะดงั กลา่ วไม่สามารถเกิดขึ้นจริงในทางปฏิบัติ เนื่องจากไม่สามารถควบคมุ สารทำความเยน็ เกิดสภาวะไดอ้ ยา่ งแมน่ ยำ 13

วิธีการเลือกใชส้ ารทำความเย็นอย่างเหมาะสม ในการออกแบบระบบทำความเยน็ เราสามารถเลือกใช้สารทำความเยน็ ได้หลายชนดิ เชน่ คลอโรฟลอู อโรคารบ์ อน (chlorofluorocarbons , CFCs) , แอมโมเนยี ไฮโดรคารบ์ อน (เช่น โพรเพน, อีเทน, เอทิลลีน เป็นต้น) คาร์บอนไดออกไซน์ อากาศ และ นำ้ ดงั นนั้ วิธีการเลือกใชอ้ ยา่ ง เหมาะสมจงึ ข้นึ อย่กู บั สภาวะในการใชง้ าน ถ้าเราไม่สามารถหาสารทำความเยน็ ทมี่ ีคณุ ลักษณะตามทต่ี ้องการได้ เราอาจจำเปน็ ต้องมกี าร ใช้วฏั จกั รทำความเย็นมากกวา่ 2 วฏั จักรทมี่ ีชนิดของสารทำความเย็นท่ีแตกต่างกันมาทำงานรว่ มกนั เรยี กระบบทำความเยน็ แบบนวี้ ่า ระบบหลนั่ (Cascade system) ในกรณขี องปมั๊ ความร้อน อุณหภูมิตำ่ สดุ และความดัน ของสารทำความเย็นอาจจะสูงกว่า อยา่ งเหน็ ได้ชดั เนือ่ งจากความร้อนทักจะถกู ดดู จากตวั กลางทีม่ ีอณุ หภูมสิ ูงกวา่ อณุ หภูมิในระบบทำ ความเยน็ 14

ระบบปม๊ั ความรอ้ น แหลง่ พลงั งานของปั๊มความรอ้ นส่วนใหญ่ คอื อากาศท่ีอยรู่ อบๆแตก่ ็อาจจะมกี ารใชน้ ำ้ และดิน บา้ ง ปัญหาหลักของระบบท่ใี ช้อากาศเป็นแหล่งให้ความร้อน source (air source system) คอื การ เกิดน้ำค้างแขง็ (frosting) ท่มี ักจะเกิดขึ้นในบรรยากาศที่มคี วามชนื้ เมอ่ื มอี ุณหภมู ติ ่ำกวา่ 2-5 องศา เซลเซียส น้ำค้างแขง็ จะสะสมบนคอยลข์ องเครือ่ งระเหยซึ่งเปน้ ปรากฏการณท์ ี่ไมต่ อ้ งการใหเ้ กิดขึน้ เพราะมีผลขัดขวางต่อการถ่ายโอนความรอ้ น แตป่ ญั หาน้สี ามารถแกไ้ ด้โดยการทำให้วฏั จกั รปั๊มความ รอ้ นทำงานย้อนกลับ(ใหท้ ำในลกั ษณะทำความเย็น) เป็นบางช่วงจะทำให้น้ำค้างแข็งบนคอยลเ์ กิด ละลาย แตก่ ารทำแบบน้ปี ระสิทธภิ าพจะลดลง โดยปกติระบบทใ่ี ชน้ ้ำเป็นแหล่งใหค้ วามรอ้ น (water source system) ในการแกป้ ัญหาการเกิดน้ำคา้ งแข็งนไี้ ด้ นำน้ำที่ใชใ้ นระบบจากบ่อทมี่ คี วาม ลึกมากกว่า 80 เมตร ซ่ึงมีอุณหภมู ริ ะหวา่ ง 5-12 องศาเซลเซยี ส ระบบน้จี ะให้ค่า COPs สูงแต่มคี วาม สลับซับซ้อนมากกว่า และตอ้ งการบอ่ น้ำขนากใหญ่ สว่ นระบบทใ่ี ชด้ ินเปน็ แหล่งพลังงาน (soil source system) จำเป็นต้องใช้ท่อท่ยี าวมากฝังลึก ลงในดินทม่ี ีอุณหภมู ิคงท่ี ค่า COP ของปัม๊ ความร้อนมกั จะอยใู่ นชว่ ง 1.5-4 ป๊ัมความร้อนและเครอื่ งทำความเย็นมีสว่ นประกอบทเ่ี หมอื นกัน ดังนั้นจงึ ไม่คุ้มค่าในเชงิ เศรษฐศาสตร์ ทจ่ี ะมี2ระบบแยกกนั ในบ้านเรือนหรอื อาคาร เราสามารถทำให้ปั๊มความร้อนทำหน้าท่ี เป็นปมั๊ ความรอ้ นเพ่ือใหค้ วามอบอนุ่ แกบ่ ้าน และทำหน้าท่เี ป็นเครื่องปรับอากาศเพอ่ื ใหค้ วามเย็นโดย การใชว้ าลว์ ย้อนกลับ ตดิ ตงั้ ในวฏั จักร 15

ระบบทำความเยน็ แบบอดั ไอท่ีไดม้ ีการพฒั นาในเชงิ นวัตกรรม วัฏจกั รทำความเย็นแบบอัดไอแบบธรรมดาทีไ่ ดก้ ล่าวข้างตน้ เปน็ วัฏจักรทำความเยน็ ที่นยิ มใช้ กันมากท่ีสดุ เพราะเป็นระบบทีง่ ่าย ราคาไมแ่ พง ไมเ่ สียหายง่าย และไม่ตอ้ งบำรุงรกั ษามาก ใน อุสาหกรรมขนาดใหญต่ ้องคำนึงถึงประสิทธิภาพในการใช้งานเป็นหลัก ดังนน้ั วฏั จักรทำความเย็น แบบธรรมดานี้ต้องปรับปรุงให้มีประสทิ ธิภาพและเหมาะในการใช้มากข้ึน ระบบทำความเยน็ แบบหลน่ั ในอุสาหกรรมบางประเภท ต้องการทำให้บรเิ วณทำความเยน็ มอี ุณหภูมติ ่ำพอสมควรซง่ึ จะมี ผลทำใหช้ ว่ งความแตกตา่ งของอุณหภมู ิระหว่างภายในเครอื่ งควบแนน่ และเครื่องระเหยมีคา่ กว้างมาก เกนิ ไป ผลท่ีตามมาก็คือ ทำใหว้ ฏั จักรทำความเยน็ แบบไออม่ิ ตวั เพียงวัฏจักรเดยี วไม่เหมาะในเชิง ปฏิบัติ เนอ่ื งจากช่วงความแตกตา่ งของอณุ หภมู ิยง่ิ สูงมากเท่าใด กห็ มายความว่า ช่วงความแตกตา่ ง ของความดันในวัฏจักรกจ็ ะมคี า่ สงู ขึน้ และจะสง่ ผลทำใหป้ ระสทิ ธภิ าพการทำงานของเคร่อื งอัดแบบ ลกู สูบไมด่ ี วธิ ีแกค้ อื การใช้วฏั จักรทำความเยน็ มากกวา่ 2 วฏั จกั รในลักษณะอนกุ รม วฏั จกั รนเี้ รียกว่า วัฏจกั รทำความเย็นแบบหล่นั (cascade refrigeration cycles) 16

ระบบทำความเย็นโดยมีกระบวนการอดั หลายขนั้ ตอน เม่อื ของไหลทใ่ี ชใ้ นระบบทำความเยน็ แบบหลน่ั มชี นดิ เดียวกัน เครื่องแลกเปลีย่ นความรอ้ น ระหวา่ งวฏั จักรส่วนล่างสามารถแทนไดด้ ว้ ยห้องผสมและห้องแฟลช เนือ่ งจากมีการถ่ายโอนความร้อน ได้ดกี ว่า ในระบบนส้ี ารทำความเย็นท่ีมลี ักษณะเปน็ ของเหลวอดั จะขยายตัวผ่านวาลว์ ขยายตวั จนกระทัง่ มคี วามดนั เท่ากับความดนั ภายในห้องแฟลชและความดนั ภายในห้องแฟลชจะมีคา่ อยู่ ระหวา่ งค่าความดันของเครือ่ งอดั 2 ตัว ขณะที่สารทำความเย็นน้ีไหลผ่านวาล์ว ของเหลวส่วนหนึ่งจะ เกิดการระเหยทำให้สารอย่ใู นสภาวะของผสมอิ่มตวั (สภาวะท่ี6) สว่ นไออ่ิมตัวและของเหลวอิม่ ตัวจะ ถกู แยกออกจากกนั เม่อื ไหลผา่ นหอ้ งแฟลช โดยไออิ่มตัว(สภาวะท3่ี )จะผสมกับวารทำความเย็นที่ออก จากเคร่อื งอัดความดนั ตำ่ ซงึ่ อยู่ในสถานะไอร้อนยงิ่ ยวด(สภาวะท่ี2) และของผสมนีจ้ ะไหลเข้าสเู่ ครอื่ ง อัดความดันสงู ทสี่ ภาวะท่ี9 สารทเี่ ป็นของเหลวอิ่มตัว(สภาวะท่7ี ) จะขยายตวั ผา่ นวาล์วขยายตวั ตัวที่ สองเขา้ สูเ่ ครอื่ งระเหย และภาพในเครือ่ งระเหยนีจ้ ะมีการดงึ เอาความรอ้ นออกจากบรเิ วณทำความ เย็นกระบวนการอดั ในระบบนจี้ ะมีลักษณะคลา้ ยคลงึ กบั การอดั แบบ 2 ข้ันตอนสลบั กบั การหลอ่ เยน็ ซึง่ จะส่งผลทำให้งานท่ปี ้อนใหก้ ับเครื่องอัดลดลง 17

ระบบทำความเยน็ ท่ีมกี ระบวนการอัดขัน้ ตอนเดยี วเพอ่ื วตั ถุประสงคห์ ลายประการ ในการใชง้ านบางอยา่ ง เราตอ้ งการความเย็นทีม่ ีอณุ หภูมิแตกตา่ งกันมากกวา่ หนึง่ เราสามารถ กระทำไดโ้ ดยใช้ทรอทตลิ่งวาลว์ แยกกันและใชเ้ ครอื่ งอดั แยกกนั สำหรบั เคร่อื งระเหยแต่ละตัวทท่ี ำงาน ท่ีอณุ หภมู ทิ ่ีแตกต่างกัน แตร่ ะบบนี้จะมีขนาดใหญ่มากและไม่คมุ้ ค่า วธิ ที ีเ่ หมาะสม คือ การรวม กระแสทไี่ หลออกจากเคร่ืองระเหยท้งั หมดไปยังเครท่องอัดเพียงเครอ่ื งเดียว ระบบท่ีประกอบดว้ ยส่วนทำความเย็นแบบธรรมดาและสว่ นแช่แขง็ โดยปกตผิ ลติ ภณั ฑ์ท่ี ต้องการแชเ่ ย็นสว่ นใหญม่ ักจะมปี รมิ าณนำ้ มาก ดังนั้น ส่วนทำความเย็นจงึ ตอ้ งควบคุมให้มอี ุณหภมู สิ ูง กวา่ จดุ เยือกแขง็ ประมาณ 5 องศาเซลเซียส เพอ่ื ปอ้ งกันการแข็งตัวของน้ำในอาหาร แต่สว่ นแช่แขง็ มกั จะมักจะถกู ควบคมุ ให้มอี ณุ หภมู ทิ ต่ี ำ่ กวา่ ประมาณ -15 องศาเซลเซยี ส ดงั นัน้ สารทำความเย็น จะตอ้ งไหลเขา้ สว่ นแช่แข็งท่ีอณุ หภมู ิประมาณ -25 องศาเซลเซยี ส เพอ่ื ให้เกิดอัตราการถ่ายโอนความ รอ้ นทีด่ ีตอ้ งมรี ะบบทำความเยน็ ทีม่ วี ัตถุประสงค์ 2 ประการเชน่ น้ีนน้ั เราสามารถใช้ระบบทำความเย็น ที่สารทำความเย็นไหลผา่ นวาลว์ ทรอตทลิง่ 2 ตัว กลา่ ว สารทำความเย็นจะไหลออกจากทรอตทลงิ่ ตวั ที่หนง่ึ ทคี่ วามดันสงู กว่าเพื่อใช้ในการแลกเปล่ียนความรอ้ นในสว่ นทำความเย็น หลงั จากนัน้ ก็จะไหล ผา่ นวาล์วทรอตทล่ิงตวั ทสี่ อง และไหลออกมาท่มี คี วามตำ่ ทส่ี ดุ เพอ่ื ใช้ในการแลกเปล่ยี นความร้อนใน สว่ นแช่แขง็ เมอื่ สารทำความเย็นไหลออกจากส่วนแชแ่ ขง็ แลว้ สารทำความเย็นจะถกู อดั ดว้ ยเครือ่ งอดั เคร่ืองอัดตัวเดียวจนมคี วามดันเทา่ กับความดันของเครอื่ งควบแนน่ และไหลกลับเข้าสู่เครอ่ื งควบแนน่ ใหมอ่ ีกครั้ง 18

การทำให้แก๊สเป็นของเหลว (Liquefaction of gases) การทำให้แกส๊ เปน็ ของเหลวมกั จะเป็นกระบวนการท่ีสำคญั ของการทำความเย็นใน กระบวนการทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เน่อื งจากกระบวนการทางวิทยาศาสตรแ์ ละวิศวกรรมท่ี สำคัญท่ตี อ้ งดำเนินการท่อี ณุ หภมู ิ cryogenic (อณุ หภมู ิทต่ี ำ่ กวา่ -100 องศาเซลเซยี ส) จะต้องอาศัย แกส๊ ท่ถี ูกทำให้เปน็ ของเหลว ตัวอยา่ ง การแยกออกซเิ จนและไนรโตรเจนจากอากาศ วฏั จักร Linde-Hampson อก๊สชดเชยจะผสมกบั ส่วนของแกส๊ ท่ไี ม่ควบแนน่ จากวัฏจักรเดมิ ของผสมสภาวะที่ 2 จะถกู อัดด้วยเคร่อื งอดั หลายข้ันตอนไปยงั สภาวะที่ 3 กระบวนการอัดจะใกล้เคียง กบั กระบวนการไอโซเทอรม์ อลเนอื่ งจากมกี ารสลบั กับวารหล่อเย็น แก๊สท่มี คี วามดนั สงู จะถกู ทำให้เยน็ ตวั ลงในเคร่ืองแลกเปลย่ี นความรอ้ นดว้ ยตวั กลางทใ่ี ชใ้ นการหล่อเยน็ หรอื ด้วยระบบการทำความเยน็ ภายนอกไปยังสภาวะที่ 4 แกส๊ จะถกู ทำให้เย็นตวั ลงมากขึ้นในเคร่อื งแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ regenerative counter-flow ดว้ ยส่วนของแกส๊ ทไ่ี ม่ควบแนน่ จากวัฏจกั รเดิมไปยงั สภาวะที่ 6 ซงึ่ เป็น สภาวะท่ีแกส๊ จะอยใู่ นสถานะของผสมระหวา่ งของเหลวอ่มิ ตวั และไออมิ่ ตัว ของเหลวสภาวะที่ 7 จะถูก สะสมไว้ในฐานะทีเ่ ป็นผลิตภัณฑท์ ีต่ ้องการ ส่วนไอ สภาวะท่ี 8 จะไหลไปยงั regenerator เพอื่ ทำให้ แก๊สทีจ่ ะเขา้ วาลว์ ทรอตทลิ่งเย็นตัวลง และแก๊สจะผสมกนั แลว้ เขา้ สู่ระบบอีกคร้ัง วัฏจกั รทำความเยน็ แบบแก๊ส 19

วัฏจกั รนจี้ ะกลา่ วถงึ วฏั จักร Brayton แบบผันกลับได้ (reversed Brayton cycle) หรือ วัฏ จกั รทำความเยน็ แบบแกส๊ (gas refrigeration cycle) วฏั จกั รคาร์โนต์และวัฏจักรคารโ์ นตแ์ บบผนั กลับจะคล้ายคลึงกนั แต่มขี อ้ ต่างกนั คือ แบบผนั กลบั จะทำงานมที ศิ ทางในลักษณะทมี่ ที ศิ ทางย้อนกลบั กบั คารโ์ นต์ วฏั จกั รกำลังสามารถถกู ใช้เปน็ วฏั จักรทำความเยน็ ไดโ้ ดยการทำใหว้ ฏั จักรกำลงั นที้ ำงานในลักษณะผันกลบั ดังเช่นวัฏจักรทำความเย็น แบบอัดไอเป็นวัฏจักร Rankine ที่ถูกดดั แปลงให้ทำงานผันกลับ นอกจากนย้ี งั มี วฏั จกั ร Stirling แบบ ผันกลบั (reversed Stirling cycle) อณุ หภมู ิส่งิ แวดลอ้ มเท่ากับ������0และบริเวณท่ีทำความเย็นถกู ควบคมุ ใหม้ อี ณุ หภูมเิ ท่ากบั ������������ แกส๊ จะถูกอดั ในชว่ งกระบวนการ 1-2 หลังจากนน้ั แก๊สทม่ี คี วามดนั และอุณหภมู สิ งู ทสี่ ภาวะท่ี 2 จะถูก ทำให้เยน็ ตัวลงท่คี วามดันคงที่จนกระทัง่ มีอณุ หภูมิเท่ากับสิ่งแวดล้อม โดยการคายความรอ้ นสู่ สิง่ แวดล้อมและตามด้วยกระบวนการขยายตัวในกังหัน ในกระบวนการนี้ อุณหภมู ิของแกส๊ จะลดลง เหลือ������4 หลงั จากนีแ้ ก๊สทมี่ อี ุณหภมู ติ ำ่ น้ีจะดดู ความร้อนจากบรเิ วณทำความเย็นจนกระทัง่ มอี ณุ หภมู ิ สูงขน้ึ เปน็ ������1 กระบวนการทงั้ หมดนี้เปน็ แบบผนั กลับได้แบบภายในและเปน็ วัฏจกั รทำความเย็นแบบ แก๊สอุดมคติ สำหรับการทำความเย็นแบบแก๊สจรงิ ทางปฏิบตั ิ กระบวนการอัดและการขยายตัวจะ เบย่ี งเบนไปจากกระบวนการไอเซนโทรปิก และอณุ หภมู ิ������3จะสูงกว่า������0เวน้ แตต่ วั แลกเปล่ียนความ ร้อนจะมีขนาดใหญ่ไม่พอ 20

พน้ื ที่ใตเ้ ส้นโค้งของกระบวนการแทนความร้อนทีถ่ กู กำจดั ออกจากบรเิ วณทำความเย็น และพื้นท่ที ถี่ กู ลอ้ มรอบด้วยเสน้ โคง้ ของกระบวนการ1-2-3-4-1 แทนการสทุ ธทิ ตี่ อ้ งป้อนใหว้ ัฏจักร อตั ราส่วนของ พน้ื ทเี่ หล่านคี้ อื คา่ COP ของวัฏจักร วัฏจกั รทำความเย็นแบบแกส๊ จะเบี่ยงเบนออกจากวัฏจกั รคาร์โนต์แบบผันกลบั เพราะว่ากระบวนการ ถา่ ยโอนความร้อนไม่ใชก่ ระบวนการไอโซเทอรม์ อล ในความเปน็ จริงอณุ หภูมขิ องแก๊สจะเปลี่ยนแปลง อย่างมากในช่วงกระบวนการถ่ายโอนความร้อนมีผลใหว้ ฏั จกั รทำความเย็นแบบแกส๊ มคี า่ COP ตำ่ กวา่ เมอ่ื เปรียบเทียบแบบอดั ไอหรอื วัฏจกั รคาร์โนต์แบบผนั กลับ วฏั จักรคารโ์ นต์แบบผนั กลับจะต้องการ งานสทุ ธิท่ีน้อยกว่า(พนื้ ฐานสี่เหล่ียมผืนผ้า 1A3B เม่ือเปรียบพ้ืนท่กี ับ1,2,3,4)และสามารถทำให้ บรเิ วณทำความเย็นไดม้ ากกว่า 21

แมว้ า่ วฏั จกั รทำความเยน็ แบบแก๊สจะมคี า่ COPs ทีต่ ่ำกวา่ แต่มคี ุณลักษณะท่ดี ี 2 อย่าง คือ วฏั จักรทำ ความเย็นแบบแก๊สเป็นวฏั จกั รทีง่ า่ ยไม่ซบั ซอ้ น และมีส่วนประกอบท่ีมีนำ้ หนกั เบาซง่ึ ทำให้สะดวกใน การใชง้ าน 22

วฏั จักรทำความเย็นแกส๊ ทมี่ กี ระบวนการรีเจนเนอเรชนั (regenerative gas refrigeration cycle) ในวฏั จกั รนจี้ ะมกี ำรเพม่ิ เครือ่ งแลกเปลีย่ นควำมรอ้ นท่มี ีกำรไหลแบบสวนทำงกนั เขำ้ ไปในวฏั จกั ร ถำ้ วฏั จกั รไม่มีรเี จนเนอเรชนั อณุ หภมู ิต่ำสดุ ของแก๊สท่ไี หลเขำ้ กงั หนั จะมีคำ่ เท่ำกบั อณุ หภมู ขิ อง สิ่งแวดลอ้ มหรือตวั กลำงท่ใี ชใ้ นกำรหล่อเย็น ซ่งึ เท่ำกบั ������0แต่วัฏจักรมีกระบวนการรีเจนเนอเรชนั แกส๊ ท่ีมีความดันสงู จะถูกทำใหเ้ ย็นลงมากขึ้นจนกระทั่งมอี ณุ หภมู ิ ������4 ก่อนท่ีเขา้ สูก่ ระบวนการขยายตัวใน กังหัน การลดอณุ หภมู ิของแก๊สท่ที างเข้าของกงั หันนีจ้ ะเปน็ การลดอุณหภูมขิ องแกส๊ ท่ที างออกของกงั หัน อตั โนมตั ิ ซึ่งเป็นอณุ หภูมทิ ี่ตำ่ สุดในวฏั จกั ร 23

ระบบทำความเย็นแบบดูดซมึ ระบบทำความเยน็ แบบดูดซึม (absorption refrigeration) เป็นระบบทำความเย็นอกี ระบบ หน่ึงท่ีนา่ สนใจในเชิงเศรษฐศาสตร์ ถา้ เรามีแหล่งให้ความร้อน source ทม่ี ีพลงั งานความร้อนมรี าคาไม่ แพงซงึ่ มอี ณุ หภูมิในชว่ ง 100-200 องศาเซลเซียส ระบบทำความเยน็ แบบดดู ซึมเปน็ ระบบทเี่ กีย่ วข้องกับการดดู ซมึ สารทำความเย็นดว้ ยสาร ตวั กลางนำพา ระบบทำความเยน็ แบบดดู ซมึ ทนี่ ยิ มใช้กันมากท่สี ุด คอื ระบบท่ีประกอบไปด้วย แอมโมเนยี -น้ำซง่ึ มีแอมโมเนยี (������������3)เปน็ สารทำความเย็นและนำ้ เป็นตัวกลางการนำพานอกจากนี้ยัง มีการดูดซึมอนื่ ๆอีก ระบบทำความเยน็ แบบดดู 2 ระบบหลงั นม้ี กั จะถูกใช้เปน็ ระบบปรบั อากาศโดยมี อุณหภูมติ ่ำสดุ อยสู่ งู กว่าจุดเยอื กแขง็ ของนำ้ ระบบนจ้ี ะคล้ายคลึงกบั ระบบทำความเย็นไออัดตัว แตต่ ่างกนั คอื เครอื่ งอัดถูกแทนด้วยกลไก การดูดซมึ ท่ีสลับซับซ้อน ซง่ึ ประกอบดว้ ยเครอื่ งดูดซึม, ป๊ัม, เจนเนอเรเตอร์, วาลว์ ขยายตัว, และเครอ่ื ง แยก เร่มิ ต้น แอมโมเนยี จะถกู ทำใหม้ คี วามดันสงู โดยระบบทอี่ ยู่ในกรอบส่ีเหล่ียมเส้นประ หลังจากนั้น แอมโมเนียจะถกู ทำใหเ้ ยน็ และควบแน่นโดยการคายความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อม ตอ่ จากนัน้ จะไหลผ่าน วาลว์ ขยายตัวจนกระท่ังมคี วามดันเทา่ กันภายในเครื่องระเหย และดูดความรอ้ นออกจากบรเิ วณทำ ความเย็นในขณะทไ่ี หลผ่านเคร่ืองระเหย และไหลเข้าสู่เครื่องดดู ซมึ โดยทีแ่ อมโมเนียจะละลายและทำ ปฏิกริ ยิ าเคมกี บั น้ำ ทำให้เกิด ������������3 ∗ ������2������ ปฏกิ ิริยานี้เปน็ ปฏิกิริยาคายความร้อน เมอื่ มกี ารคาย ความรอ้ นออกชว่ งกระบวนการนี้ ปริมาณแอมโมเนียที่สามารถละลายน้ำได้จะจัดเปน็ สัดสว่ นผฟผนั กับ อุณหภูมิ ดงั นน้ั แอมโมเนียละลายน้ำไดม้ ากสดุ จงึ จำเป็นต้องทำให้เครือ่ งดูดซึมมีอณุ หภูมิตำ่ สดุ เท่าทีท่ ำ ได้ หลงั จากนนั้ สารละลาย ������������3 + ������2������ ซ่ึงมปี รมิ าณ ������������3 มากกว่าจะถกู ปม๊ั ไปยังเจนเนอเร เตอร์ ความรอ้ นจากแหล่งให้ความร้อนจะถกู ถ่ายโอนไปยังสารละลายเพ่ือทำการระเหยสารละลาย ออกไปบางส่วน ไอท่มี ี ������������3 มากกว่าจะไหลไปยังเครือ่ งแยก ซงึ่ จะแยกน้ำออกและไหลกลบั เขา้ สูเ่ จน เนอเรเตอร์ แอมโมเนยี ทบี่ ริสทุ ธิ์ท่มี ีความดันสูงจะไหลไปยังเคร่ืองควบแน่น สว่ น ������������3 + ������2������ ที่ มแี อมโมเนยี น้อยจะไหลกลับเขา้ สู่เจนเนอเรเตอร์ซง่ึ จะถ่ายโอนความโอนความร้อนบางส่วนไปยงั 24

สารละลายแอมโมเนยี มากกว่าท่ีออกจากปั๊ม และไหลผ่านวาล์วขยายตวั จนกระทงั่ มีความดนั เท่ากับ ความดนั ของเครือ่ งดดู ซึม 25

เม่ือเปรียบเทียบกบั ระบบทำความเย็นแบบอดั ไอ ระบบทำความเยน็ แบบดูดซมึ นีม้ ขี อ้ ดคี อื สารทถี่ กู อัด จะอยใู่ นสถานะของเหลวแทนทจ่ี ะเป็นไอ ทำให้งานที่ตอ้ งปอ้ นใหก้ บั ระบบทำความเยน็ แบบดดู ซึมนี้นอ้ ย มากเนอ่ื งจากงานของระบบการไหลแบบคงตัวเป็นสัดสว่ นตรงกับปริมาตรจำเพาะ มีค่าประมาณ 1% ของความรอ้ นที่ปอ้ นให้กับเจนเนอเรเตอร์ ดังนั้นงานส่วนน้จี ะไม่ตอ้ งพิจารณาในขณะทำการ วเิ คราะห์วฏั จกั ร การทำงานของระบบเหล่าน้ีจะขึน้ กับการถา่ ยโอนความรอ้ นจากแหล่งใหค้ วามรอ้ น ภายนอก ระบบทำความเย็นแบบดดู ซึมมกั จะถกู จดั เปน็ ประเภท เป็นระบบท่ีขบั เคลอ่ื นด้วยความร้อน (heat driven systems) อย่างไรกต็ ามกไ็ ม่ใชว่ ่าระบบเหล่าน้ีจะไมม่ ขี ้อเสยี ขอ้ เสยี ของระบบเหลา่ นีค้ ือ มีขนาดใหญ่ สลับซบั ซอ้ น และราคาแพง ระบบเหล่านม้ี ีความน่าสนใจและคุ้มค่าในเชิงเศรษฐศาสตร์ก็ ต่อเม่ือมแี หล่งใหค้ วามร้อนท่ใี กล้ศนู ย์เปลา่ และตอ้ งการนำกลับมาใช้ใหม่ ค่า COP ของระบบนี้สามารถคำนวณไดจ้ าก คา่ COP ของระบบทำความเย็นแบบดูดซมึ จะมีคา่ สูงสดุ เม่ือวัฏจกั รท้ังหมดเป็นกระบวนการผันกลับ โดยรวม ระบบทำความเย็นเปน็ ระบบที่ผันกลับได้ถา้ ความรอ้ นจากแหล่งความรอ้ น ������������������������ ถกู ถา่ ย โอนไปยังกลจักรความรอ้ นคาร์โนต์และงานทไ่ี ดอ้ อกมาจากกลจกั รความรอ้ น จะถกู ปอ้ นใหก้ บั เครื่องทำความเย็น เพอ่ื ใช้ในการกำจดั ความรอ้ นออกจากบรเิ วณทำความเย็น และคา่ ของ COP ของระบบทำความเยน็ แบบดดู ซึมภายใต้สภาวะผันกลับได้จะมคี ่าเทา่ กับ 26

เมื่อ คือค่าอุณหภมู ิสมั บูรณ์ของสิ่งแวดลอ้ มบริเวณทำความเยน็ และแหล่งให้ความร้อน โดยทวั่ ไปเครื่องทำความเย็นแบบดดู ซึมท่ีรับความร้อนจากแหล่งแหล่งให้ความร้อน ที่มรอณุ หภูมิ และกำจัดความร้อนออกจากบริเวณทำความเยน็ ที่มีอุณหภมู ิ ในขณะท่ีระบบทำงานอย่ใู นสภาวะ แวดล้อมทมี่ อี ุณหภูมติ ำ่ จะมีคา่ COP ต่ำกว่าค่าที่หาได้จากสมการ 27

ระบบปรับอากาศที่ใชก้ ารทำความเย็นแบบการดดู ซมึ ที่เรยี กว่า absorption chillers จะ ทำงานไดด้ สี ุดเม่ือแหลง่ ใหค้ วามร้อน สามารถปอ้ นความรอ้ นทอ่ี ุณหภูมิโดยทอ่ี ณุ หภูมิลดตำ่ ลงเพยี ง เลก็ น้อย เครอ่ื ง absorption chillers จะทำงานดว้ ยอัตราปกติเมอ่ื แหล่งความรอ้ นมีอุณหภมู ิ 116 องศาเซลเซยี ส เครอื่ ง chillers จะทำงานท่ีอุณหภมู ิทตี่ ่ำกวา่ แตค่ วามสามารถในการทำความเย็น ลดลงอยา่ งรวดเรว็ เม่อื อุณหภมู ขิ องแหลง่ ใหค้ วามรอ้ นลดต่ำลง กลา่ วคอื ความสามารถในการทำความ เย็นจะลดลง 50% เมอื่ อุณหภูมขิ องแหล่งให้ความร้อนลดตำ่ ลงทกุ ๆ 6 องศาเซลซัยส ระบบทำความเยน็ แบบดดู ซึมมักนิยมคอ่ นขา้ งมากจากคนพกั แรมดว้ ยการกางเต้นท์ คือ ระบบ Propane-fired ทีถ่ ูกประดิษฐ์ขนึ้ โดยนกั ศกึ ษาชาวสวีเดน 2 คน ในระบบน้ี ปั๊มจะถูกแทนดว้ ยของ ไหลประเภทที่ 3 ไฮโดนเจน ซ่งึ ทำให้เคลอื่ นทไี่ ปมาได้ 28

ระบบทำความเย็นและรบบกำเนิดกำลงั ไฟฟ้าเทอรโ์ มอเิ ลก็ ทริก เครอื่ งทำความเย็นเทอรโ์ มอิเลก็ ทริก (thermoelectric refrigerator) เราลองพิจารณาเส้น ลวด 2 เสน้ ทท่ี ำจากโลหะต่างกนั 2 ชนิด เม่ือนำปลายทง้ั 2 ขา้ งมาตอ่ กนั จะทำใหเ้ กิดวงจร ซ่ึงปกติจะ ไม่มอี ะไรเกิดขึ้น แตถ่ า้ ปลายขา้ งหน่งึ ถูกใหค้ วามร้อนจะเกดิ ปรากฎการณ์ กล่าวคอื กระแสไฟฟ้าไหล อยา่ งต่อเน่ืองภสยในวงจร ซ่ึงเป็นผลของ Seeback (seeback effect) เพ่ือเป็นเกยี รติแก่ Thomas Seeback ผู้ค้นพบ ปรากฎการณน์ เ้ี มอื่ ค.ศ. 1821 วงจรซง่ึ เกยี่ วข้องกบั ความรอ้ นและไฟฟา้ จะถกู เรยี กว่า วงจรเทอร์โมอิเล็กทรกิ (Yheromoelectric circuit) และอุปกรณท์ ่ที ำงานในลักษณะนี้จะถูก เรียกว่า อปุ กรณเ์ ทอรโ์ มลิเลก็ ทริก (Thermo electric device) ผลของ Seeback สามารถนำมาใช้ประโยชนไ์ ด้ 2 อย่าง 1.อณุ หภมู ิ 2.กำเนดิ กำลงั ไฟฟา้ ถ้าวงจรถูก ทำลายกระแสไฟฟา้ จะหยดุ ไหล และสามารถวดั แรงเคล่ือนไฟฟา้ หรอื ความตา่ งศักยท์ ่เี กิดข้ึนในวงจร ไดด้ ว้ ย เราสามารถนำหลักนี้มาประยุกตใ์ ช้ในการวดั อณุ หภูมไิ ด้งา่ ยโดยการวัดความตา่ งศักย์น้ี และ เสน้ ลวด 2 ชนดิ ท่ใี ช้ในการวดั อุณหภมู ิในลักษณะเช่นนเ้ี ราเรยี กว่า เทอร์มอคปั เปลิ (thermocouple) ซ่ึงมปี ระโยขน์ในการวัดอณุ หภมู ิ นอกจากนีผ้ ลของ seeback ยงั ก่อให้เกดิ กำลงั ไฟฟ้าเทอรโ์ มอเิ ล็กทรกิ ข้นึ ได้ ความร้อนจะถูก ถา่ ยโอนจากแหล่งให้ความร้อนทอ่ี ุณหภมู สิ ูงไปยังรอยต่อทร่ี อ้ น (hot junction) ในปริมาณ ������������ และ ความรอ้ นจะถูกคายออกจากรอยต่อเย็น (cold junction) ในปริมาณ ������������ ไปยังแหล่งรบั ความรอ้ น 29

Sink ทท่ี ีอุณหภมู ติ ่ำความแตกตา่ งระหว่างค่าปริมาณทัง้ สองนจี้ ะเทา่ กบั งานสุทธทิ างไฟฟา้ ท่เี กดิ ขน้ึ นัน้ คอื จะเห็นได้วา่ วฏั จักรกำลังเทอร์โมอเิ ล็กทรกิ น้ีจะมีความคลา้ ยคลงึ กับวัฏจักรจักรกลความรอ้ นแบบท่วั ไปโดยมีอิเล็กตรอนทำหน้าทเี่ ป็นของไหลทำงาน ดงั นนั้ ประสทิ ธภิ าพเชิงความร้อนของเครอื่ งกำเนิดเทอร์โมอเิ ลก็ ทีท่ ำงานระหว่าง 2 แหลง่ ที่มีอุณหภมู ิ ������������ และ ������������ จะถูกจำกัดโดยค่าประสิทธภิ าพเชงิ ความร้อนของวัฏจักรคาร์โนต์ท่ที ำงานระหวา่ ง 2 แหลง่ ที่ อุณหภมู ิ ������������ และ ������������ คู่เดยี วกนั ถา้ ไมม่ ปี จั จยั irreversibilities เครื่องกำเนดิ เทอรโ์ มอิเล็กทรกิ นจ้ี พ มีค่าประสิทธภิ าพเท่ากับค่าประสิทธิภาพของวัฏจักรคาร์โนต์ 30

ขอ้ เสยี ของเคร่ืองกำเนิดนี้ คือ คา่ ประสทิ ธิภาพทต่ี ่ำ เพราะฉะนน้ั อุปกรณ์เหลา่ น้จี ะไดค้ วาม สนใจมากขน้ึ ขึ้นอยูก่ บั ความสามารถในการคน้ คว้าวัสดทุ มี่ ีคณุ ลกั ษณะไดต้ ามทต่ี อ้ งการเชน่ ค่าความ ตา่ งศกั ย์ของอปุ กรณ์เทอร์โมอเิ ล็กทริกจะเพิ่มสูงขน้ึ หลายเทา่ เมือ่ มีการเปลย่ี นวัสดุจากโลหะมาเปน็ สารกง่ึ ตวั นำ ถา้ seeback มีความเขา้ ใจความรู้ในทางเทอร์โมไดนามกิ สท์ ่ีดีเขาคงจะลองพยายามนอ้ นทิศ ทางการไหลของอเิ ล็กตรอนในวงจรเทอรโ์ มอเิ ลก็ ทรกิ โดยการปอ้ นความต่างศักยจ์ ากภายนอกใน ทิศทางทยี่ อ้ นกลบั เพอ่ื ให้เกิดผลของกระบวนการทำความเย็นขึน้ แต่ปรากฏการณ์นกี้ ลบั ไมถ่ กู ค้นพบ โดย Seeback ผ้คู ้นพบปรากฏการณ์นี้คือ Jean Charles Athanase Pettier ซ่ึงเป็นผ้คู ้นพบในปี ค.ศ 1834 เขาไดส้ งั เกตว่าในระหว่างท่ีทำการทดลองปล่อยกระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นลวด 2 ชนดิ ท่ีเชอ่ื ม กัน ที่รอยตอ่ ด้านหน่ึงจะเย็นลง เราเรียกปรากฏการณน์ ีว้ า่ ผลของ Peltier (Peltier effect) และ เป็นผลทำให้เกดิ ระบบทำความเยน็ เทอรโ์ มอเิ ล็กทริก (Thermo electric refrigeration) 31

วงจรทำความเยน็ เทอณโมอเิ ลก็ ทริกใชว้ ัสดสุ ารก่ึงตัวนำทีถ่ กู นำมาใชจ้ ริงในทางปฏิบัติ ความ รอ้ นจะถกู ดดู ออกจากบรเิ วณทำความเยน็ ในปริมาณ ������������ และปลอ่ ยทิง้ ไปยงั สภาวะแวดลอ้ มที่อุ่นกวา่ ในปรมิ าณ ������������ ความแตกตา่ งระหว่างปริมาณท้ังสอง คือ คา่ งานไฟฟ้าสุทธิท่ีต้องปอ้ นใหก้ บั อปุ กรณ์ คือ ในปจั จุบันวฏั จักรน้ียังไม่สมบูรณ์พอเมื่อเทยี บกับระบบทำความเยน็ แบบอัดไอ เน่ืองจากมคี า่ ประสทิ ธภิ าพทตี่ ่ำ 32

อา้ งองิ http://refrigerations.blogspot.com/2012/01/vapor-compression- system.html#:~:text=%E0%B8%A7%E0%B8%B1%E0%B8%8E%E0%B8%88%E0%B8%B 1%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%82%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%81%E0% B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%97%E0%B8%B3%E0%B8%84%E0%B8%A7%E0%B8%B2 %E0%B8%A1,%E0%B9%84%E0%B8%AD%20(Compression)%20%E0%B9%80%E0%B8 %81%E0%B8%B4%E0%B8%94%E0%B8%97%E0%B8%B5%E0%B9%88%E0%B8%84%E 0%B8%AD%E0%B8%A1%E0%B9%80%E0%B8%9E%E0%B8%A3%E0%B8%AA%E0%B9 %80%E0%B8%8B%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C Yunus A. Cengel and Micheal A. Boles (2011). Thermodynamics : An Engineering Approach 7������ℎ edition. McGraw-Hill Enterprises. 33