cool

(ความรู้เบ้ืองต้นของระบบทาความเย็น) INTRODUCTION OF REFRIGERATION SYSTEMการทาความเย็นคือการลดและรักษาระดับอุณหภูมิของเนื้อท่ีว่างและวัตถุต่างๆให้ตา่ กว่าปกติ เช่น การทาความเย็นในตู้เย็น ตู้นา้ เย็น ตู้แช่ ห้องเย็น โรงน้าแข็ง เป็นต้นการเกิดความเย็นก า ร เ กิ ดค ว า ม เ ย็ น ใน เ คร่ื อ ง ทา ค ว า ม เ ย็ น ร ว ม ทั้ ง เ ค ร่ื อ ง ป รั บ อ า ก า ศ ที่ มี ใ ช้ อ ยู่ ทั่ ว ไ ป ไ ม่ ว่ า จ ะ เ ป็ นตู้เย็นตู้แช่เครื่องปรับอากาศรถยนต์ เครื่องปรับอากาศในบ้าน เครื่องปรับอากาศในอาคาร หรือการทาความเย็นในโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไป จะมีหลักการเบื้องต้นในการทาให้เกิดความเย็นเหมือนกันคือ การทาให้สารซ่ึงเป็นตัวกลางในการทาความเย็น (refrigerant) เปลี่ยนสถานะเพราะขณะเปลี่ยนสถานะ สารทุกชนิดต้องการความร้อนแฝงเข้ามาช่วยเสมอ ดังนั้นถ้าเราทาให้สารน้ีเปล่ียนสถานะจากของเหลวเป็นไอ จะดูดความร้อนจากบริเวณใกล้เคียง ซ่ึงจะทาให้บริเวณน้ันมีอุณหภูมิลดลง จึงเกิดความเย็นข้ึน รูปที่ 1 แสดงห้องทำควำมเย็น Source : Frigomech SRL , (2015)ในปัจจุบันเราอาศัยระบบทาความเย็นมาใช้ในงานด้านต่าง ๆ มากมายได้แก่1. การผลิตอาหาร (food processing) เช่น การผลิตนม ไอศกรีม ซึ่งต้องอาศัยการทาความเย็นในการทาพาสเจอร์ไรส์ (pasteurization) ด้วยการให้ความร้อนแก่นมท่ีอุณหภูมิประมาณ70 – 80 °C หลังจากนั้นนามาทาให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว และเก็บไว้ท่ีอุณหภูมิ 2 – 3 °C เพื่อรักษาคุณภาพของนมก่อนส่งไปจาหน่าย การผลิตไอศกรีม ก็จะต้องผ่านการพา สเจอร์ไรส์ และ

นาไปผ่านการแช่แข็งท่ีอุณหภูมิประมาณ -20 ถึง -28 °C การผลิตไวน์และเบียร์ ในกระบวนการหมัก (fermentation) กระบวนการบ่ม (mellowing) จาเป็นต้องทาภายใต้อุณหภูมิตา่ ประมาณ 5 – 15 °C เป็นต้น2. การเก็บรักษาอาหาร (food storage) ในการเก็บรักษาหรือถนอมอาหาร เช่น ผัก ผลไม้เนื้อสัตว์ ให้มีอายุในการเก็บรักษานานข้ึนเพ่ือการบริโภคหรือเพื่อการจาหน่าย สามารถทาได้โดยการลดอุณหภูมิให้ต่าลง ซ่ึงเป็นการ ลดการแพร่ขยายของแบคทีเรียต่าง ๆ ซ่ึงเป็นสาเหตุให้อาหารเน่า เช่นการเก็บรักษาผัก ผลไม้ หรือเนื้อสัตว์ไว้ในสภาพอาหารสด (fresh food)จะต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิตา่ แต่ต้องสูงกว่าจุดเยือกแข็ง (freezing point) ซ่ึงจะมีช่วงเวลาในการเก็บรักษาสั้นกว่าการเก็บรักษาในสภาพอาหารแช่แข็ง (freezing food) ซึ่งต้องนาผักผลไม้ หรือเนื้อสัตว์มาทาการแช่แข็งและเก็บรักษาไว้ในห้องเย็นท่ีมีอุณหภูมิตา่ กว่าจุดเยือกแข็ง3. การผลิตในงานอุตสาหกรรม (industrial process) งานอุตสาหกรรมหลายประเภทท่ีต้องอาศัยการทาความเย็นช่วยในกระบวนการผลิต เช่นอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี โรงกล่ันน้ามันโรงแยกก๊าซ โรงงานผลิตสบู่4. การทาความเย็นเพื่อการขนส่ง (transportation refrigeration) เช่น ห้องเย็นที่ใช้ในเรือประมง ห้องเย็นที่ใช้ในเรือเดินทะเล ซ่ึงใช้ขนส่งอาหารแช่แข็งไปจาหน่ายในต่างประเทศหรือรถห้องเย็นที่ใช้ขนส่งผลิตภัณฑ์อาหารแช่แข็งระหว่างโรงงานผลิตไปยังจังหวัดที่อยู่ห่างไกลซึ่งท้ังหมดจะทางานโดยอาศัยหลักการของระบบทาความเย็น5. การปรับอากาศ (air condition) เป็นสาขางานหน่ึงซ่ึงอาศัยการทาความเย็นมาประยุกต์ใช้มากท่ีสุด โดยจะทางานร่วมกับระบบควบคุมความชื้น การกรองอากาศ การทาให้อากาศหมุนเวียน การระบายอากาศ เพื่อความสุขสบายของคน เช่นท่ีใช้ในเคร่ืองปรับอากาศท่ัวไป หรืองานปรับอากาศท่ีใช้ในกระบวนการผลิตต่าง ๆ ในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น โรงงานทอผ้า โรงพิมพ์ โรงงานผลิตกระดาษ โรงงานผลิตยา เป็นต้นขนาดของเคร่ืองทาความเย็น จะบอกเป็น Btu/h (หน่วยอังกฤษ), kcal/h (หน่วยเมตริก), kW(หน่วย SI) หรือบอกขนาดเป็นตัน โดย 1 ตันความเย็นมีค่า 12,000 Btu/h ซ่ึงมีท่ีมาจากคาจากัดความคือ 1 RT(ton of refrigeration = heat required to melt 1 U.S. ton ofice (2000 lb) at 0 °C per 24 h.) ซึ่งมีความหมายคือ 1 ตันความเย็น เป็นความเย็นที่ได้จากการเสียความร้อนไปใช้ในการหลอมละลายน้าแข็งหนัก 1 ตัน ที่อุณหภูมิ 0 °C หมดในเวลา 24 ชั่วโมงระบบทาความเย็นและหลักการทางานของระบบทาความเย็น

ระบบการทาความเย็นมีด้วยกันมากมายหลายแบบ บางแบบใช้งานแล้วให้ประสิทธิภาพในการทาความเย็นสูงก็จะถูกพัฒนาและปรับปรุงให้ดีขึ้นเรื่อยๆ บางระบบถ้าใช้งานแล้วประสิทธิภาพในการทาความเย็นต่าก็จะถูกเลิกใช้ไป ในที่นี้จะกล่าวถึงระบบการทาความเย็นและหลักการทางานของระบบทาความเย็นดังนี้1.1ระบบทาความเย็นโดยการทาให้สารทาความเย็นระเหย1.2ระบบทาความเย็นแบบอัดไอ1.3การทาความเย็นโดยใช้นา้ แข็ง1.4การทาความเย็นโดยใช้นา้ แข็งแห้ง1.5 การทาความเย็นโดยใช้การระเหยของนา้1.6 การทาความเย็นโดยใช้เทอร์โมอิเล็กทริก1.7 การทาความเย็นระบบสตรีมเจ็ต1.8 วงจรการทาความเย็นแบบแอบซอร์ปชัน1.1 ระบบทาความเย็นโดยการทาให้สารทาความเย็นระเหยการทาความเย็นด้วยระบบที่ทาให้สารทาความเย็นระเหย (expendable refrigerantcooling system) เป็นแบบที่ใช้ได้ดีกับรถบรรทุกเพ่ือการขนส่งอาหารที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิให้ต่าอยู่เสมอ หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบนี้ง่ายมาก เพียงแต่ปล่อยให้สารทาความเย็นเหลวระเหยตัวเป็นไอภายในบริเวณหรือเน้ือที่ท่ีต้องการทาความเย็น ซ่ึงบริเวณเหล่าน้ีต้องมีฉนวนกันความร้อนหุ้มโดยรอบ ดังที่ได้เคยทราบมาแล้วว่า ขณะที่สารเปลี่ยนสถานะจะต้องการความร้อนแฝงทาให้อุณหภูมิในบริเวณน้ีลดตา่ ลง สารทาความเย็นที่ใช้เป็นตัวกลางในการทาความเย็นในที่นี้จะใช้ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) ซ่ึงเก็บในถังภายใต้ความดันประมาณ 14.6 kg/cm^2 เม่ือปล่อยให้ไหลผ่านวาล์วควบคุม (liquidcontrol valve) ก็จะลดความดันของไนโตรเจนเหลวลง แล้วเข้าตามท่อไปยังหัวฉีด ซ่ึงจะฉีดไนโตรเจนเหลวให้เป็นฝอย เ ข้า ไ ปยังบริ เ วณ หรื อเ นื้ อท่ีท่ีต้ องก า ร ทา ค วา มเ ย็น โด ยต ร งไนโตรเจนจะระเหยตัวดูดรับปริมาณความร้อน ทาให้บริเวณนี้มีอุณหภูมิลดต่าลง1.2 ระบบทาความเย็นแบบอัดไอระบบอัดไอเป็นระบบที่ทาให้เกิดความเย็นข้ึนได้โดยอาศัยการทางานของอุปกรณ์ต่างๆ ร่วมกันดังรูปที่ 2 โดยอุปกรณ์แต่ละตัวมีหน้าที่ดังน้ี1.2.1 คอมเพรสเซอร์ (compressor) ทาหน้าที่ดูดนา้ ยาในสภาพท่ีเป็นไอจากเคร่ืองระเหยและอัดให้มีความดันสูงข้ึนจนสามารถส่งไปควบแน่นได้ท่ีคอนเดนเซอร์

1.2.2 คอนเดนเซอร์ (condenser) ทาหน้าท่ีระบายความร้อนออกจากน้ายาเพื่อควบแน่นเป็นของเหลวและส่งเข้ารีซีฟเวอร์1.2.3 รีซีฟเวอร์ (receiver) ทาหน้าท่ีสะสมของเหลวที่ออกจากคอนเดนเซอร์เพ่ือจ่ายให้กับเคร่ืองระเหยได้ตลอดเวลาในการทางาน1.2.4 ลิ้นลดความดัน (expansion valve หรือ refrigerant control) ทาหน้าท่ีลดความดันของนา้ ยาท่ีออกจากคอนเดนเซอร์ เพื่อจ่ายให้กับเคร่ืองระเหย1.2.5 เคร่ืองระเหย (evaporator) ทาหน้าที่ดูดความร้อนออกจากบริเวณรอบ ๆ เพ่ือทาให้นา้ ยาเปลี่ยนสถานะเป็นไอและทาให้บริเวณใกล้เคียงเย็นข้ึน

รูปที่ 2 แสดงวงจรกำรทำงำนของระบบทำควำมเย็นแบบอัดไอวงจรการทาความเย็นแบบอัดไอ อาศัยสารทาความเย็น (Refrigerant) ซึ่งมีหลายชนิด แต่ทุกชนิดจะต้องมีคุณสมบัติเบ้ืองต้นเหมือนกันคือ สามารถเปลี่ยนสถานะได้ง่าย เช่น ท่ีนิยมใช้กันท่ัวไปคือ R-12, R-22 หรือ R-134a ซึ่งเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอได้ที่อุณหภูมิ -21.6 °F

(-29.8 °C), -41.4 °F (-40.8 °C) และ -15.1 °F (-26.2 °C) ตามลาดับ ภายใต้ความดันบรรยากาศกา ร ทา งา นเ ร่ิ มที่ ค อมเ พรสเ ซอร์ จ ะดู ด น้า ยา ใน สภาพท่ีเ ป็น ไ อจ า กเ ค ร่ื องร ะเ หย เ ข้า ทา งด้ า น ดู ด(Suction) ของคอมเพรสเซอร์ และอัดออกให้มีความดันสูงข้ึนและส่งออกทางด้านส่ง(discharge) ของคอมเพรสเซอร์เข้าคอนเดนเซอร์นา้ ยาภายใต้อุณหภูมิและความดันสูงนี้ เม่ือผ่านคอนเดนเซอร์จะถูกระบายความร้อนออกจนถึงจุดควบแน่น น้ายาจะเปลี่ยนสถานะจากไอไปเป็นของเหลวตกลงด้านล่างของคอนเดนเซอร์และถูกส่งไปเข้ารีซีฟเวอร์น้ายาในสภาพที่เป็นของเหลวในรีซีฟเวอร์จะถูกส่งผ่านล้ินลดความดันทาให้น้ายาเกิดการขยายตัวความดันจะลดลงจนน้ายาไม่สามารถคงสภาพเดิม (ของเหลว) จึงเปล่ียนเป็นไอการเปล่ียนสถานะของนา้ ยาจากของเหลวเป็นไอขณะออกจากล้ินลดความดันและตลอดช่วงท่ีผ่านเครื่องระเหยนี้ จะทาให้เกิดความเย็นขึ้นเน่ืองจากของเหลวจะดูดความร้อนออกจากบริเวณรอบๆ ไปใช้เป็นความร้อนแฝงในการเปลี่ยนสถานะ ทาให้บริเวณรอบ ๆ เครื่องระเหยเกิดความเย็นข้ึนเม่ือน้ายาผ่านเครื่องระเหยจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอหมดและถูกคอมเพรสเซอร์ดูดและอัด ให้มีความดันสูงขึ้น หมุนเวียนเช่นน้ีตลอดไปโดยน้ายาจะไม่สูญหาย จึงไม่จาเป็นต้องเติมน้ายาเพิ่มเข้าไปในระบบอีก ถ้าไม่มีจุดท่ีน้ายาร่ัวออกมา1.3 หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบใช้น้าแข็งการทาความเย็นโดยใช้นา้ แข็งอาศัยหลักการที่ว่าขณะท่ีนา้ แข็งหลอมละลายกลายเป็นน้าจะดูดความร้อนจากอากาศรอบๆ ทาให้อากาศเย็นลงและมีความหนาแน่นสูงข้ึน จึงไหลลงสู่ตอนล่างของตู้เย็นไปดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหารหรือของที่แช่ภายในตู้เย็นอีกทีหนึ่ง อากาศเย็นเม่ือดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหารหรือของท่ีแช่ภายในตู้เย็นแล้วจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและเบาจึงลอยตัวสูงขึ้นแล้วไปผ่านโดยรอบของน้าแข็งทาให้น้าแข็งหลอมละลาย เม่ือน้าแข็งหลอมละลายหมดก็จะหยุดการทาความเย็น

รูปท่ี 3 แสดงกำรทำงำนของกำรทำควำมเย็นโดยใช้นำแข็ง Source : Ref-Wiki.com , (2015)1.4 หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบใช้น้าแข็งแห้งในการทาความเย็นโดยใช้นา้ แข็งแห้ง (dry ice refrigeration) น้ัน จะใช้นา้ แข็งแห้งซึ่งทาจากคาร์บอนไดออกไซค์ที่อยู่ในสถานะของแข็งซ่ึงถูกอัดขึ้นมาให้มีรูปร่างแตกต่างกันไปน้าแข็งแห้งจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นแก๊ส ซ่ึงเรียกว่าการระเหิด ที่ความดันบรรยากาศ โดยนา้ แข็งแห้งจะมีอุณหภูมิตา่ ถึง -78.33 °C และดูดซับความร้อนและรักษาอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ เช่น ไอศกรีม ให้คงคุณภาพขณะทาการขนส่ง

รูปท่ี 4 แสดงนำแข็งแห้ง Source : Wikipedia , (2015)1.5 หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบใช้การระเหยตัวของน้าขณะท่ีของเหลวระเหยตัวเปล่ียนสถานะกลายเป็นไอจะดูดรับความร้อนแฝง จากหลักการดังกล่าวจึงนามาสู่การออกแบบการระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์ของเคร่ืองปรับอากาศ ซ่ึงเรียกว่าเป็น คอนเดนเซอร์แบบอิวาพอเรตีป(evaporativecondenser) คอนเดนเซอร์แบบน้ีอาศัยทั้งการระเหยตัวของน้าและอากาศช่วยกันในการร ะ บ า ย ค ว า ม ร้ อ น อ อ ก จ า ก ค อ น เ ดน เ ซ อ ร์ โ ด ย ก าร ฉี ดพ่ น น้า ใ ห้ เ ป็น ฝ อ ย ผ่ า น ล ง บ น ค อ น เ ดน เ ซ อ ร์ในขณะเดียวกันก็ใช้พัดลมช่วยเป่าระบายความร้อน ละอองน้าที่กระทบกับคอนเดนเซอร์บางส่วนจะระเหยดูดความร้อน ช่วยให้การระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์มีผลดีข้ึน

รูปที่ 5 แสดง Evaporative Condensers1.6 หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบใช้เทอร์โมอิเล็กทริกการถ่ายเทพลังงานความร้อนจากท่ีหนึ่งไปสู่อีกที่หน่ึงโดยใช้อิเล็กตรอนเป็นหลักการของเทอร์โมอิเล็กตริก โดยนาเอาวัตถุก่ึงตัวนา(semi-conductor) สองชนิดมาตรึงปลายติดกัน แล้วต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ในที่นี้สมมุติให้เป็น P และ N เน่ืองจากวัตถุกึ่งตัวนาท้ังสองชนิดมีค่าระดับพลังงานไม่เท่ากัน เมื่อถูกผ่านด้วยกระแสไฟฟ้ากระแสตรงแล้วจะทาให้ปลายที่ตรึงติดกันเย็นและปลายที่เหลือจะร้อน ส่งผลให้ภายในบริเวณที่ต้องการทาความเย็นมีการดูดรับความเย็นและคายความร้อนออกมาภายนอก รูปที่ 6 แสดงกำรทำงำนของ Thermoelectric Cooler Source : ebay.in , (2015)1.7 หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบสตีมเจ็ตการทาความเย็นในระบบสตรีมเจ็ต (steam jet refrigeration) ใช้น้าเป็นตัวกลางในการทาความเย็นการทางานของระบบอาศัยหลักการที่ว่าเม่ือลดความดันท่ีผิวหน้าของนา้ ที่อยู่ใน

ภาชนะที่ปิดมิดชิดแล้ว น้านั้นจะสามารถระเหยตัว เปล่ียนสถานะเป็นไอได้ท่ีอุณหภูมิต่า้ ๆ บางคร้ัง ต้่าถึง 4.44 – 10 °C จากการศึกษาทางทฤษฎีพบว่าภายใต้ความดันสูญญากาศหรือที่ความดัน 0.893 kg/cm^2 จุดเดือดของน้าจะอยู่ที่ 4.44 °C ตารางที่ 1 แสดงค่าอุณหภูมิจุดเดือดของน้า ณ ระดับความดันต่าง ๆAbsolute Temperature Absolute Temperature Absolute Temperaturepressure (oC) pressure (oC) pressure (oC)(kN/m2) (kN/m2) (kN/m2)0.8 3.8 28 67.5 75 91.82.0 17.5 35 72.7 85 95.25.0 32.9 45 78.7 95 98.210.0 45.8 55 83.7 100 99.620.0 60.1 65 88.0 101.33 100 หลักการทางานของระบบสตีมเจ็ตแสดงไว้ในรูปที่ 7 ไอน้าซึ่งเป็นผลพลอดได้จากจากการ ทางานของหม้อไอน้า แทนท่ีจะปล่อยทิ้งโดยเปล่าประโยชน์ จะถูกส่งเข้าทางท่อไอนา้ เพื่อฉีด ผ่านหัวฉีดไอน้าด้วยความเร็วสูง ทาให้ความดันท่ีผิวหน้าของน้าในอีวาพอเรเตอร์ลดลง และ สามารถระเหยตัวกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิตา่ ดูดรับปริมาณความร้อนทาให้น้าท่ีเหลือในอีวา พอเรเตอร์มีอุณหภูมิตา่ ลงด้วย นา้ เย็นนี้มีอุณหภูมิประมาณ 4.44 – 21.1 °C จะถูกป้ัมให้ หมุนเวียนเข้าไปทาความเย็นให้แก่บริเวณที่ต้องการทาความเย็น และจะถูกส่งกลับเข้ามาฉีด เป็นฝอยในอีวาพอเรเตอร์อีกคร้ังหนึ่ง ละอองน้าบางส่วนจะถูกระเหยตัวทา ให้น้าท่ีเหลือในอีวา พอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่าอยู่ตลอดเวลา

รูปที่ 7 แสดง steam jet refrigeration plant (absorption Source : TEPPI , (2015)1.8 หลักการทางานของระบบทาความเย็นแบบแอบซอร์ปชันchiller)Absorption chiller เป็นระบบทาความเย็นท่ีอาศัยพลังงานความร้อนในการขับเคร่ืองทาความเย็นให้ทางาน โดยความร้อนท่ีป้อนให้ absorption chiller โดยมากจะอยู่ในรูปของไอนา้ น้าร้อน หรือก๊าซร้อนซ่ึงเป็นพลังงานคุณภาพต่าAbsorption chiller มีส่วนประกอบท่ีสาคัญคือ generator, condenser, evaporator, absorber, expansion valve และสารทางานซ่ึงเป็นสารคู่ผสมระหว่าง สารทาความเย็น (กรณีนี้ใช้นา้ บริสุทธิ์เป็นสารทาความเย็น)และสารดูดกลืน (สาร Li-Br) ดังแสดงในรูปที่ 8 มีหลักการทางานเร่ิมต้นจาก generator รับความร้อนจากภายนอกทาให้สารทาความเย็นเดือดกลายเป็นไอแยกออกจากสารดูดกลืน สารทา

ความเย็นจะมากล่ันตัวที่ condenser อุณหภูมิประมาณ 40 °C – 50 °C เพื่อกลับเป็นของเหลวแล้วไหลผ่านเอ๊กซ์แพนชันวาล์ว (expansion valve) ไปสู่ evaporator สารทาค วา มเ ย็น ดู ด ค วา มร้ อน จาก ส่ิ งแ วด ล้ อมเ พื่อใ ช้เ ป็น ค วา มร้ อน แ ฝ งของก า ร ก ล า ยเ ป็น ไ อที่อุ ณ หภู มิประมาณ 5 °C (ความดันประมาณ 6 mm.Hg) จากน้ันไอของสารทาความเย็นจะถูกดูดกลืนด้วยสารดูดกลืนที่ไหลผ่าน expansion valve มาจาก generator ผสมเป็นของเหลวในตัวดูดกลืน absorber ซึ่งเป็น ปฏิกิริยาคายความร้อนออกสู่ส่ิงแวดล้อม จากนั้นจะถูกสูบโดยป๊ัมเพ่ือให้ความดันสูงขึ้นเป็น 75 mm.Hg ไปยังเจนเนอเรเตอร์ (generator) เพื่อรับความร้อนจากแหล่งกาเนิดความร้อนต่อไป