ระบบเครื่องทำความเย็น

ในปัจจุบันระบบเครื่องทำความเย็นสามารถทำได้โดยการใช้ mechanical refrigeration system ระบบการทำความเย็นนี้ใช้สารทำความเย็น (refrigerant) ซึ่งมีสถานะเป็นของเหลว ทำหน้าที่ดูดความร้อนที่อยู่ภายในห้องเย็น ทำให้สารทำความเย็นเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ  เนื่องจากราคาของสารทำความเย็นแพงมาก จึงมีการออกแบบระบบให้มีการนำสารทำความเย็นมาใช้ซ้ำใหม่ โดยระบบจะถูกออกแบบให้มีการเปลี่ยนสถานะของไอให้กลายเป็นของเหลวเพื่อที่จะนำไปใช้ในการดูดความร้อนจากห้องเย็นในรอบ (cycle) ต่อไป ระบบที่จะทำให้เกิดการนำสารทำความเย็นมาใช้ซ้ำแบบนี้ได้ เรียกว่า mechanical vapor-compression system

 

การเลือกใช้สารทำความเย็นในระบบเครื่องทำความเย็น

                สารที่เหมาะสมในการใช้เป็นสารทำความเย็นครมีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอสูง แต่ต้องมีคุณสมบัติอื่นๆ ที่เหมาะสมประกอบด้วย คุณสมบัติที่สำคัญทั่วไปของสารทำความเย็นที่ใช้ในการพิจารณาเพื่อความเหมาะสมสำหรับเลือกใช้ในแต่ละระบบการทำความเย็น คือ

1.       ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอควรมีค่าสูง

2.       Condensing pressure  ความดันในช่วงของการควบแน่นไม่ควรสูงเกินไป เพราะจะทำให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในด้านโครงสร้างของ condenser และระบบท่อที่ต้องแข็งแรงมากขึ้น

3.       จุดเยือกแข็ง (Freezing temperature)  จุดเยือกแข็งของสารทำความเย็นควรมีค่าต่ำกว่าอุณหภูมิของ evaporator

4.       อุณหภูมิวิกฤติ(Critical temperature) สารทำความเย็นควรมีค่าอุณหภูมิวิกฤติสูง

5.       ความเป็นพิษ สารทำความเย็นไม่ควรมีความเป็นพิษ

6.       การกัดกร่อน  สารทำความเย็นไม่ควรกัดกร่อนต่อวัสดุที่ใช้เป็นโครงสร้างของระบบ

7.       เสถียรภาพของสารทำความเย็น สารทำความเย็นควรมีเสถียรภาพดี

8.       การตรวจสอบการรั่วไหล (Detection of Leaks) สารทำความเย็นที่ดี ควรมีสมบัติที่ง่ายต่อการตรวจสอบการรั่วไหล

9.       ราคา  ราคาไม่ควรแพงเกินไป

10.    ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม  สารทำความเย็นที่ปล่อยออกจากระบบเนื่องจากการรั่วไหล ไม่ควรทำลายสิ่งแวดล้อม

 

                แอมโมเนียเป็นสารที่มีความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับสารทำความเย็นตัวอื่นๆ  นอกจากนี้ยังเป็นสารที่ไม่กัดกร่อนกับเหล็ก และเหล็กกล้า (steel) แต่จะกัดกร่อนทองแดง ทองเหลือง และทองสัมฤทธิ์  แอมโมเนียทำให้เกิดการระคายเคืองต่อ mucous membranes และ ตา โดยจะทำให้เกิดเป็นพิษได้ที่ความเข้มข้น 0.5%  ดยปริมาตรในอากาศ การรั่วไหลของแอมโมเนียในระบบการทำความเย็นสามารถถูกตรวจสอบได้ง่ายโดยกลิ่น

                สารทำความเย็นที่นิยมใช้ทางการค้ามากคือสารประเภท halocarbons อย่างไรก็ตามสารประเภทนี้จะถูกจำกัดการใช้ เนื่องจากส่วนที่เป็น chlorine ของสารประเภท CFCs (chlorofluorocarbons) จะแตกตัวออกเมื่อโดนรังสีอุลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ และจะไปทำปฏิกิริยากับโอโซนในชั้นบรรยากาศโลก มีผลทำให้ไปทำลายชั้นบรรยากาศที่ป้องกันการแผ่รังสี
อุลตราไวโอเลตที่แผ่มายังพื้นโลก ดังนั้นจึงได้มีบันทึกข้อสนธิสัญญา
(Montreal Protocol) ที่ได้เจรจาตกลงกันในระดับนานาชาติ เรื่องยกเลิกการใช้สาร  CFCs, HCFCs, Halons และ Methyl bromide อย่างไรก็ตามสำหรับประเทศที่กำลังพัฒนาก็ยังอนุญาตให้ผลิตสารเหล่านี้ได้ แต่ให้หยุดผลิต และหยุดการนำเข้าในปี ค.ศ. 2010  

Vapor Compression System

                ระบบเครื่องทำความเย็นประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก ๆ แสดงดังรูปที่ 1

 

 

รูปที่ 1 A mechanical vapor-compression refrigeration system

Process 1-2: Expansion Valve

                สารทำความเย็นที่มีอุณหภูมิและความดันสูง จะเข้ามาที่ expansion valve ที่จุด 1 และออกจาก expansion valve ที่จุด 2 ซึ่งมีสถานะเป็นของผสมอิ่มตัวระหว่างของเหลวและไอที่อุณหภูมิและความดันต่ำ  อุปกรณ์ expansion valve (throttle) เป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมการไหลของสารทำความเย็นจาก บริเวณที่มีความดันสูงไปยังบริเวณที่มีความดันต่ำ

Process 2-3: Evaporation

                ของผสมอิ่มตัวของของเหลวและไอของสารทำความเย็นที่ออกจาก expansion valve จะเข้ามาที่ evaporator  ซึ่งอุปกรณ์นี้ก็คือ cooling coils ซึ่งอยู่ในตู้เย็นที่ใช้ในระดับครัวเรือนนั่นเอง ความร้อนจากผลิตภัณฑ์อาหารซึ่งอยู่ภายในตู้เย็นจะถ่ายเทให้กับสารทำความเย็นซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวไหลอยู่ใน evaporator ให้กลายเป็นไออิ่มตัว (saturated vapor) หรือ slightly superheated vapor ที่จุด 3

Process 3-4: Compression

                ไอความดันต่ำที่ออกจาก evaporator ที่จุด 3 จะผ่านเข้าสู่ compressor ซึ่งทำหน้าที่อัดไอให้มีความดันสูง ซึ่งผลของการอัดไอนี้ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ จนกระทั่งสารทำความเย็นที่ออกจาก compressor มีคุณสมบัติเป็น warm superheated vapor ที่จุด 4

Process 4-1: Condensation

                Warm superheated vapor ที่จุด 4 จะผ่านเข้ามาที่ condensor ซึ่ง condenser จะถ่ายเทความร้อนจากสารทำความเย็นไปยังสิ่งแวดล้อม ขณะที่ความร้อนถูกกำจัดออกไป ไอจะควบแน่นไปเป็น warm liquid ที่จุด 1 ซึ่งจะเป็นการครบถ้วนของ refrigeration cycle สำหรับตู้เย็นตามบ้าน ส่วนของ condensor จะอยู่บริเวณด้านหลังของตู้เย็น

 

Pressure-Enthalpy Charts

                จากรูปที่ 2 แสดง pressure-enthalpy charts ของสารทำความเย็น ซึ่งจะเห็นว่าทั้งความดันและ เอนทัลปีจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อสารทำความเย็นเคลื่อนที่ผ่านองค์ประกอบต่าง ๆ ของระบบการทำความเย็น

 

 

 

รูปที่ 2 A pressure-enthalpy diagram

 

                ในส่วนของ evaporator และ condenser  ค่าเอนทัลปีของสารทำความเย็นจะเปลี่ยนแปลงไปขณะที่ความดันคงที่ ในระหว่างช่วง compression งานที่ทำโดย compressor เป็นผลให้เอนทัลปีของสารทำความเย็นเพิ่มขึ้น  พร้อม ๆ กับความดันที่เพิ่มขึ้น เมื่อสารทำความเย็นผ่าน expansion valve จะมีผลทำให้สารทำความเย็นที่มีความดันสูง เปลี่ยนเป็นสารทำความเย็นที่มีความดันต่ำ

                จาก pressure-enthalpy chart ความดันในหน่วยของ kPa จะถูก plot บน logarithmic scale ในแกน y  ส่วนแกน x จะเป็น enthalpy ในหน่วยของ kJ/kg  สารทำความเย็นที่อยู่ภายใต้พื้นที่รูประฆังคว่ำจะมีสถานะเป็นของผสมระหว่างของเหลวและไอ เส้นแนวนอนของ pressure-enthalpy chart คือ constant-pressure lines ส่วนเส้น constant temperature lines จะเป็นเส้นแนวดิ่งในช่วง subcooled liquid region เป็นเส้นแนวนอนภายใต้พื้นที่รูประฆังคว่ำ และโค้งลงในช่วงของ superheated region  พื้นที่ทางด้านซ้ายของ chart จะเป็นพื้นที่ของ subcooled liquid refrigerant ซึ่งจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า saturation temperature สำหรับ ณ ความดันที่สอดคล้องกัน

TOR – Ton of Refrigeration

                ในระบบของการทำให้เย็น ได้มีการใช้หน่วยตัน (ton)  เป็นตัวบอกความสามารถของการทำให้เย็นมาตั้งแต่สมัยโบราณ ซึ่งโหลดของการทำให้เย็น หมายถึงพลังงานความร้อนทั้งหมดที่ต้องการกำจัดออกจากช่องว่างที่กำหนดไว้ให้มีระดับตามที่ต้องการ

                Ton of refrigeration (TOR) หมายถึง ความสามารถของการทำให้เย็นเทียบเท่ากับน้ำแข็ง จำนวน 1 ตันละลายในเวลา 24 ชั่วโมง เนื่องจากความร้อนแฝงของการเปลี่ยนสถานะจากน้ำแข็งเป็นน้ำมีค่าเท่ากับ 144 Btu/lbm และ 1 ตัน มีค่าเท่ากับ 2,000 lbm  ดังนั้น 1 TOR = 144 Btu/lbm*2000 lbm = 288,000 Btu/day



Evaporator

               

ภายในเครื่องระเหย สารทำความเย็นจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นไอ และจะรับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมที่ความดันคงที่ ความแตกต่างระหว่างเอนทัลปีที่เข้าและออกจากระบบ เรียกว่า “refrigeration effect”   สำหรับอัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนในเครื่องระเหย หรือ ความร้อนที่สาร ทำความเย็นรับมาจากสิ่งแวดล้อม (rate of cooling) สามารถคำนวณได้จากสูตร

 

 


เมื่อ = mass flow rate of refrigerant (kg/s)

       H2  = เอนทัลปีของสาร refrigerant ก่อนเข้า evaporator (kJ/kg)

       H3  = เอนทัลปีของสาร refrigerant ที่ออกจาก evaporator (kJ/kg)

Compressor

                งานที่กระทำต่อสารทำความเย็นในระหว่างการวัดด้วยกระบวนการที่ entropy คงที่ (isoentropic compression) สามารถคำนวณจากเอนทัลปีของสารทำความเย็นที่เพิ่มขึ้น และอัตราการไหลของสารทำความเย็น


 

เมื่อ                           = งานที่ให้แก่สารทำความเย็น (kW)

  = อัตราการไหลของสารทำความเย็น (kg/s)

                                 H3  = เอนทัลปีของสารทำความเย็นก่อนเข้า compressor (kJ/kg)

                                 H4  = เอนทัลปีของสารทำความเย็นที่ออกจาก compressor (kJ/kg)

Condensor

                ภายในเครื่อง condenser สารทำความเย็นจะถูกทำให้เย็นลงที่ความดันคงที่ ความร้อนที่ถูกกำจัดออกสู่สิ่งแวดล้อมสามารถคำนวณได้ดังนี้


เมื่อ         = อัตราการไหลของสารทำความเย็น (kg/s)

                                 H2  = เอนทัลปีของสารทำความเย็นก่อนเข้า evaporator (kJ/kg)

                                 H4  = เอนทัลปีของสารทำความเย็นที่ออกจาก compressor (kJ/kg)

Coefficient of Performance (COP)


ประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นสามารถวัดได้โดยใช้ค่า ‘coefficient of performance’ (COP)  ซึ่งหมายถึง ความร้อนที่สารทำความเย็นดูดกลืนเข้ามาขณะผ่าน evaporator หารด้วย พลังงานความร้อนที่ต้องให้กับ compressor