Absorption Refrigeration System:วัฎจักรการทำความเย็นแบบดูดซึม

รูปที่ 1 แสดงวัฏจักรการทำความเย็นแบบดูดซึม (Absorption Refrigeration System)

Source : flickr. (2015, September 14)

เครื่องทำความเย็นแบบดูดซึม หรือ Absorption chiller เป็นระบบทำความเย็นที่อาศัยพลังงานความร้อนเหลือทิ้งจากแหล่งอื่นๆ มาใช้ในการขับเครื่องทำความเย็นให้ทำงาน โดยความร้อนที่ป้อนให้ Absorption chiller ส่วนมากจะอยู่ในรูปของไอน้ำ น้ำร้อน หรือก๊าซร้อนซึ่งเป็นพลังงานคุณภาพต่ำ จึงเหมาะที่จะทำงานคู่กับระบบ Cogeneration (กล่าวคือความร้อนที่ออกจาก Cogeneration สามารถนำมาขับ Absorption chiller ให้ทำงานได้ เป็นต้น)

1. อุปกรณ์ประกอบในระบบการทำความเย็นแบบดูดซึม (Absorption chiller) ประกอบด้วย

1.1 ตัวถัง (Shelf) ประกอบด้วย เครื่องดูดซึม (Absorber) และ Evaporator

1.2 ขดท่อความเย็น (Chilled Water Tube)

1.3 ขดท่อนํ้าหล่อเย็น (Cooling Water Tube)

1.4 Generator

1.5 เครื่องควบแน่น (Condenser)

1.6 เครื่องสูบสารทําความเย็น (นํ้า)

1.7 เครื่องสูบสารละลาย (Absorbent Pump)

1.8 สารทําความเย็น (นํ้า)

1.9 สารละลายลิเธียมโบรไมด์ (LiBr)

2. หลักการทำงานของเครื่องทำความเย็นแบบดูดซึม

เริ่มต้นที่สารละลายลิเธียมโบรไมด์เข้มข้น และ อุณหภูมิสูง (Concentrated Lithium Bromide) ที่ไหลลงมาจาก Generator จะถูกฉีดกระจายลงบนขดท่อนํ้าหล่อเย็นที่มีนํ้าหล่อเย็นหมุนเวียนอยู่ตลอดเวลา เพื่อลดอุณหภูมิของสารละลายลิเธียมโบรไมด์ โดยสารละลายลิเธียมโบรไมด์นี้ จะดูดซึมไอระเหยของสารทําความเย็น (นํ้า) จาก Evaporator ไปพร้อม ๆ กัน เมื่อสารละลายลิเธียมโบรไมด์ดูดซึมสารทําความเย็น และลดอุณหภูมิลงแล้ว ก็จะเปลี่ยนสภาพเป็นสารละลายลิเธียมไบรไมด์ที่เจือจาง และจะไหลมารวมกันบริเวณด้านล่างของตัวถัง เพื่อให้เครื่องสูบหมุนเวียนของสารละลายลิเธียมโบรไมด์สูบส่งไปยัง Generator เพื่อแยกสารทําความเย็น (นํ้า) ออกจากสารละลายลิเธียมโบรไมด์ ด้วยการให้ความร้อน โดยความร้อนที่ให้ที่ Generator เพื่อแยกสารทําความเย็นออกจากลิเธียมโบรไมด์ สามารถใช้แหล่งความร้อนจากภายนอกได้หลายรูปแบบ เช่น ไอนํ้าความดันตํ่า ไอเสียจากกระบวนการต่าง ๆ การเผาไหม้โดยตรง (Direct Fired) เป็นต้น สารทําความเย็น (นํ้า) ที่แยกตัวออกจากสารละลายลิเธียมโบรไมด์จะไหลไปควบแน่นที่เครื่องควบแน่น (Condenser) และสารละลายลิเธียมโบรไมด์ใน Generator ก็จะกลับเข้มข้นขึ้นมาใหม่ และไหลไปที่ตัวถัง (Shelf) เพื่อดูดซึมนํ้าเป็นวัฏจักร สารทําความเย็น (นํ้า) ที่ควบแน่นในเครื่องควบแน่น (Condenser) โดยมีนํ้าหล่อเย็นช่วยในการลดอุณหภูมิของสารทําความเย็น (นํ้า) เมื่อควบแน่นแล้ว สารทําความเย็นดังกล่าวจะไหลลงไปที่ Evaporator โดยฉีดกระจายผ่านขดท่อทําความเย็น (Cooling Coil) ซึ่งสารทําความเย็น (นํ้า) จะระเหยกลายเป็นไอ ภายใต้ความกดดันสูญญากาศที่ 6-7 มม.ของปรอท (mmHg) ซึ่งสารทําความเย็น (นํ้า) จะระเหยกลายเป็นไอ และดูดความร้อนจากนํ้าเย็นที่ไหลหมุนเวียนอยู่ในขดท่อความเย็น โดยจะลดอุณหภูมิของนํ้าเย็นจาก 12 °C (53.6 °F) มาที่อุณหภูมิ 7 °C (44.6 °F)

จากที่กล่าวมาทั้งหมด จะสามารถสรุปกระบวนการทำความเย็น ได้ทั้งสิ้น 5 กระบวนการ ดังต่อไปนี้

2.1 การระเหย (Evaporation)

รูปที่ 2 แสดงกระบวนการระเหยของสารทำความเย็นภายใน Evaporator

Source : PTS-Service.

สารทําความเย็น (ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้นํ้า) ใน Evaporator จะถูกเครื่องสูบสารทําความเย็น ซึ่งอยู่ด้านล่างของ Evaporator สูบและฉีดกระจายลงบนขดท่อความเย็นที่มีนํ้าเย็นหมุนเวียนไหลผ่านอย่างสมํ่าเสมอเพื่อทําความเย็น สารทําความเย็น (นํ้า) จะระเหยกลายเป็นไอ โดยดูดเอาความร้อนแฝงของการระเหยจากนํ้าเย็นที่ไหลหมุนเวียนอยู่ในขดท่อความเย็น ไอนํ้าที่ระเหยออกมานั้น จะถูกดูดเข้าไปในเครื่องดูดซึมที่ติดตั้งอยู่บริเวณส่วนล่างของ Evaporator ภายใน Evaporator จะต้องทําให้เป็นสุญญากาศที่ความดัน 6-7 มม. ของปรอท (mmHg) ซึ่งนํ้าที่ใช้เป็นสารทําความเย็นจะระเหยที่อุณหภูมิประมาณ 5 °C (41 °F) โดยนํ้าเย็นที่ไหลหมุนเวียนผ่านขดท่อความเย็นจะถูกลดอุณหภูมิจากอุณหภูมิ 12 °C (53.6 °F) มาเป็น 7 °C (44.6 °F)

2.2 การดูดซึม (Absorption)

รูปที่ 3 แสดงกระบวนการดูดซึมภายใน Absorber

Source : PTS-Service.

ในเครื่องดูดซึม (Absorber) สารละลายเข้มข้นของลิเธียมโบรไมด์ (Concentrated Lithium Bromide) จะถูกเครื่องสูบสารละลาย (Absorbent Pump) สูบและฉีดกระจายลงบนท่อนํ้าหล่อเย็นซึ่งมีนํ้าหล่อเย็นไหลหมุนเวียนอยู่ตลอดเวลา โดยสารละลายเข้มข้นของลิเธียมโบรไมด์จะดูดซึมไอระเหยจากนํ้าในกระบวนการการระเหยที่ Evaporator ตลอดเวลา เพื่อรักษาสุญญากาศใน Evaporator ไว้ระหว่างกระบวนการนี้ สารละลายลิเธียมโบรไมด์จะถูกเจือจางลงด้วยไอระเหยของนํ้า และความร้อนของการดูดซึมจะระบายออกมา

2.3 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger)

รูปที่ 4 แสดงกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสาร LiBr เจือจางและเข้มข้น

Source : PTS-Service.

สารละลายลิเธียมโบรไมด์ที่เจือจางภายในเครื่องดูดซึม จะถูกเครื่องสูบสารละลาย (Absorbent Pump) โดยสารละลายลิเธียมโบรไมด์เจือจาง จะแลกเปลี่ยนความร้อนกับสารละลายลิเธียมโบรไมด์เข้มข้นที่มีอุณหภูมิสูงทําให้สารละลายลิเธียมโบรไมด์เจือจางดังกล่าวร้อนขึ้น

2.4 Generator

รูปที่ 5 แสดงกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแหล่งความร้อนจากภายนอก กับ LiBr

Source : PTS-Service.

สารละลายลิเธียมโบรไมด์ที่เจือจางจะสะสมอยู่บริเวณด้านล่างของ Generator ซึ่งติดตั้งอยู่เหนือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและจะถูกทําให้ร้อนโดยท่อทําความร้อนที่ติดตั้งอยู่ใน Generator เมื่อได้รับความร้อน สารทําความเย็น (นํ้า) ที่ผสมอยู่ในสารละลายลิเธียมโบรไมด์ที่เจือจางจะระเหยออกไป ทําให้สารละลายลิเธียมโบรไมด์ที่เจือจางเกิดความเข้มข้นขึ้นมาอีก โดยแหล่งให้ความร้อนที่ Generator อาจใช้ไอนํ้าความดันตํ่าหรือนํ้าร้อน หรือไอเสียหรือแก๊สร้อน จากแหล่งให้ความร้อนภายนอก

สารละลายเข้มข้นของลิเธียมโบรไมด์จะไหลไปที่บริเวณของเครื่องดูดซึมผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยอาศัยความถ่วงและความแตกต่างของความดัน จากนั้นก็จะถูกเครื่องสูบสารละลายสูบให้หมุนเวียน เป็นวัฏจักร

ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ความร้อนจะแลกเปลี่ยนระหว่างสารลิเธียมโบรไมด์ที่เข้มข้นและเจือจางที่เครื่องสูบสารละลาย สูบเข้าไปเป็นการประหยัดความร้อนใน Generator ขณะเดียวกันอุณหภูมิของสารละลายลิเธียมโบรไมด์ที่เข้มข้นที่ถูกสูบเข้าไปในเครื่องดูดซึมก็จะลดลง เป็นการช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทํางาน

2.5 การควบแน่น (Condensation)

รูปที่ 6 แสดงวัฏจักรการทำความเย็นแบบดูดซึม

Source : PTS-Service.

ไอสารทําความเย็นที่ระเหยใน Generator จะถูกทําให้เย็นลงและควบแน่นโดยใช้นํ้าหล่อเย็นไหลผ่านท่อในเครื่องควบแน่นซึ่งติดตั้งอยู่ด้านบนของ Generator สารทําความเย็นที่ควบแน่นแล้วจะไหลกลับไปยัง Evaporator โดยอาศัยแรงโน้มถ่วง และความแตกต่างของความดัน จากนั้นจะถูกเครื่องสูบสารทําความเย็นสูบให้หมุนเวียนเป็นวัฏจักร

3. ประเภทของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม

3.1 Single Effect Absorption Chiller

ใช้พลังงานความร้อนในรูปของไอน้ำ ที่ความดันระหว่าง 0.8 – 1.5 kg/cm² หรือน้ำร้อน ที่อุณหภูมิระหว่าง 130 °C – 150 °C

รูปที่ 7 แสดงเครื่องทํานํ้าเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว (Single Effect Absorption Water Chilling Unit)

Source : PTS-Service.

3.2 Double Effect Absorption Chiller

ใช้พลังงานความร้อนในรูปของไอน้ำ ที่ความดันประมาณ 8 kg/cm² หรือน้ำร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 180 °C - 200 °C โดยระบบนี้จะมี ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่าระบบแรกประมาณ 65%

รูปที่ 8 แสดงเครื่องทํานํ้าเย็นแบบดูดซึมสองชั้น (Double Effect Absorption Water Chilling Unit)

Source : PTS-Service.

3.3 Direct-fired Absorption Chiller

ใช้พลังงานความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายใน Generator หรือ ความร้อนในรูปของก๊าซร้อน โดยที่ก๊าซร้อนออกจาก Generator ที่อุณหภูมิประมาณ 190 °C - 204 °C โดยระบบนี้จะมี COP อยู่ในช่วง 0.85- 1.14

4. การคำนวณวัฏจักรการทำความเย็นแบบดูดกลืน

4.1 สัมประสิทธิ์สมรรถนะของ Absorption Chiller (COP)

สัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็นระบบดูดกลืน (COPac) สามารถคำนวณได้จากอัตราการทำความเย็น (QE) ต่อ อัตราการให้ความร้อนในเครื่องผลิต (QG) บวกกับงานปั๊ม (WP) แต่งานปั๊มมีค่าน้อยอาจตัดทิ้งได้แสดงดังสมการ

4.2 COP of the ideal absorption cycle

รูปที่ 9 แสดงวัฏจักรการทำความเย็นแบบดูดซึมทางอุดมคติ

จากรูปที่ 9 สามารถพิจารณาแยกเป็นสองส่วนคือ

• สำหรับ Power Cycle ด้านซ้ายมือ

• สำหรับ Refrigeration Cycle ด้านซ้ายมือ

เมื่อ          T_s is heat source temperature

T_r is refrigerant temperature

T_a is ambient temperature

ดังนั้นสมรรถนะการทำความเย็นของวัฏจักรอุดมคติสามารถหาได้ดังนี้

ประโยชน์ของ Absorption Chillers

1. ไม่ใช้ไฟฟ้า
2. ใช้ความร้อนเหลือทิ้งเป็นแหล่งพลังงาน
3. หมดปัญหาเรื่องค่าบำรุงรักษา
4. ปราศจากเสียงในการทำงาน
5. ไม่มีการรั่วของ Refrigerant
6. สามารถปรับประสิทธิภาพการทำงานได้ตั้งแต่ 10-100%
7. ค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องต่ำ
8. สามารถติดตั้งบนสถานที่ ที่รับน้ำหนักได้น้อย
9. ปราศจากสารทำลายชั้นบรรยากาศ

Bibliography

1. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 2 หลักการ/การอนุรักษ์พลังงานในระบบทำความเย็นและปรับอากาศ. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 2-22 - 2-24).
2. PTS-Service. (2001, October). วัฏจักรการทำความเย็นแบบดูดซึม (Absorption Refrigeration Unit). Thailand.
3. flickr. (2015, September 11) : https://www.flickr.com/photos/r718com/7743950488/in/photostream/