วัฏจักรต่าง ๆ ในเทอร์โมไดนามิกส์ (Cycles in Thermodynamics) ในบทความนี้จะกล่าวถึงวัฏจักรที่ใช้หลักการเทอร์โมไดนามิกส์ในการออกแบบ ซึ่งมีอยู่ด้วยกันหลัก ๆ 3 วัฏจักร ได้แก่ วัฏจักรแก๊ส, วัฏจักรไอน้ำ, วัฏจักรทำความเย็นและวัฏจักรปั๊มความร้อน
วัฏจักรแก๊ส (GAS CYCLE)
วัฏจักรออตโต้ (OTTO CYCLE)
เครื่องยนต์แก๊สโซลีน หรือเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้การจุดระเบิดของหัวเทียนในการติดเครื่อง (Spark ignition engine) จะมีวัฏจักรเป็นไปตามทฤษฎีซที่เรียกว่า “วัฏจักรออตโต้ (Otto cycle)” หรือเรียกว่า “วัฏจักรปริมาตรคงที่” ซึ่งประกอบไปด้วยกระบวนการแอเดียแบติก (กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม) 2 กระบวนการ และการเปลี่ยนแปลงแบบปริมาตรคงที่อีก 2 กระบวนการ
- จากการเปลี่ยนแปลงแบบแอเดียแบติก ของผสมของอากาศกับเชื้อเพลิงจะถูกดูดเข้าไปที่กระบอกสูบ (กระบวนการที่ 4–1 )
- เมื่ออากาศและเชื้อเพลิงถูกดูดเข้ากระบอกสูบตามปริมาตรที่ต้องการแล้วจะถูกอัดตัวทำให้ปริมาตรลดลงและความดันเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (กระบวนการที่ 1-2 )
- จากนั้นจะจุดระเบิดในระยะเวลาสั้น ๆ ชั่วพริบตา เนื่องจากการเผาไหม้ดำเนินไปในระยะเวลาสั้นจึงสามารถพิจารณาให้เป็นการให้ความร้อนแบบปริมาตรคงที่ (กระบวนการที่ 2–3 )
- ณ สภาวะที่ 3 แก๊สเผาไหม้ที่ได้รับการเพิ่มความร้อนนี้จะมีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้นก็จะเกิดการขยายตัวแบบแอเดียแบติกทำให้เกิดงาน (Work out) ไปดันกระสูบจนกระทั่งมาถึงสภาวะที่ 4 (กระบวนการที่ 3–4)
จากนั้นลิ้นไอเสีย (Exhaust valve) ก็จะเปิดเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ เพื่อปล่อยไอเสีย (ความร้อน) ออกมา
กราฟ P-V ของวัฏจักร ออตโต้
กราฟ T-S ของวัฏจักร ออตโต้
จากกราฟ T-s จะสังเกตว่า กระบวนการ 1 ไป 2 และกระบวนการ 3 ไป 4 นั้นเป็นกระบวนการแบบไอเซนโทรปิก (Isentropic process, คือ กระบวนการที่ผันกลับได้และไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม ค่าการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี (s) = 0 ) ปริมาตร (V) ในกระบวนการที่ 2 เท่ากับ 4 และกระบวนการที่ 1 เท่ากับ 3 ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฎจักรออตโต้สามารถหาได้จากสมการนี้
โดยที่ r = Vmax/Vmin = V1/V2 ซึ่ง V1/V2 จะเรียกว่า “อัตราส่วนการอัด (Compression ratio)” Vs = V1- V2 จะเรียกว่า “ปริมาตรช่วงชัก” (Displacement volume) หรือ “ปริมาตรสโตรก (Stroke volume)” และ V2 จะเรียกว่า “ปริมาตรช่องว่าง (Gap volume) หรือ Clearance volume ส่วนค่า k= สัดส่วนความร้อนจำเพาะของก๊าซ (cp/cv) โดยทั่วไปจะใช้ค่า k ของอากาศในการคำนวณเท่ากับ 1.4
จากสมการนี้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรออตโต้จะถูกกำหนดให้ขึ้นกับค่าอัตราส่วนของความร้อนจำเพาะ k ของแก๊สกับค่าอัตราส่วนการอัด e เท่านั้น ยิ่งอัตราส่วนการอัดและค่าอัตราส่วนความร้อนจำเพาะมีค่ามากเท่าไร ก็จะทำให้ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีสูงมากขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าอัตราส่วนการอัดสูงมากเกินไปจะทำให้เกิดการเผาไหม้แบบไม่ปกติเกิดขึ้น กำลังที่ออกมาจะลดลง โดยทั่วไปอัตราส่วนการอัดจะอยู่ที่ประมาณ 8-12 ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฎจักรนี้ในสภาวะใช้งานจริงจะอยู่ในช่วง 25 – 30 %
วัฏจักรดีเซล (DIESEL CYCLE)
วัฏจักรนี้เป็นวัฏจักรที่คล้ายคลึงกับวัฏจักรออตโต้ โดยทำการเปลี่ยนกระบวนการเพิ่มความร้อนแบบปริมาตรคงที่ (Volume Constance) เป็นการเพิ่มความร้อนแบบความดันคงที่ (Pressure Constance) เข้าไปแทน วัฏจักรนี้เป็นวัฏจักรทางทฤษฎีของเครื่องยนต์ดีเซลความเร็วรอบต่ำ กล่าวคือ
- อากาศจะถูกดูดเข้าไปที่กระบอกสูบ โดยการอัดตัวแบบ แอเดียแบติก ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของอากาศสูงขึ้นประมาณ 6000C (กระบวนการที่ 1 ไป 2)
- เชื้อเพลิงก็จะถูกฉีดเข้าไปเพื่อทำให้เกิดการเผาไหม้ การอัดแล้วเชื้อเพลิงจะค่อย ๆ ถูกฉีดพ่นเข้าไปอย่างช้า ๆ ดังนั้นกระบวนการให้ความร้อนนี้สามารถพิจารณาเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นภายใต้ความดันคงที่ได้จนกระทั้งถึงสภาวะที่ 3 ก็จะหยุดการจ่ายเชื้อเพลิง (กระบวนการที่ 2 ไป 3)
- การเผาไหม้ที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการขยายตัวแบบแอเดียแบติกขึ้นจากสภาวะที่ 3 ไปยังสภาวะที่ 4 ในวัฏจักรนี้ค่าอัตราส่วนการอัด กับค่าอัตราส่วนการขยายจะไม่เท่ากัน (กระบวนการที่ 3 ไป 4)
กราฟ P-V ของวัฏจักร ดีเซล
กราฟ T-S ของวัฏจักร ดีเซล
การคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีจะใช้วิธีการคำนวณเหมือนกันกับกรณีของวัฏจักรออตโต้ ซึ่งจะได้สมการดังต่อไปนี้
ในสมการนี้ rc = V3/V2 ซึ่งจะเรียกว่า “อัตราส่วนการตัด (cut off ratio)” การเปลี่ยนแปลงปริมาตรก็จะเกิดจากกระบวนการเพิ่มความร้อนเข้าไป ประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีของวัฏจักรดีเซลจะเป็นฟังก์ชันของ อัตราส่วนการอัด (r) ค่าอัตราส่วนของความร้อนจำเพาะ (k) ค่าอัตราส่วนการตัด (rc) โดยที่ค่า r และ k ยิ่งมีค่ามากเท่าไร ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนก็จะสูงมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะเห็นว่าค่า rc ยิ่งมีค่าน้อยยิ่งดี กล่าวคือค่าอัตราส่วนการอัดมีค่ามาก ค่าอัตราส่วนที่ตัดออกมีค่าเข้าใกล้ 1 ก็จะทำให้ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้น ซึ่งถ้าค่าอัตราส่วนการตัดมีค่าใกล้เคียง 1 มาก ๆ (เกือบเท่ากับ 1) วัฏจักรดีเซลนี้จะเหมือนกันกับวัฏจักรออตโต้
วัฏจักรดีเซลนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับวัฏจักรออตโต้ที่ภายใต้อัตราส่วนการอัดที่เท่ากันแล้ว จะมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนต่ำกว่า แต่เนื่องจากว่าในวัฏจักรดีเซลนั้นค่าอัตราส่วนการอัด มีค่าสูงกว่ากรณีของวัฏจักรออตโต้ ดังนั้นประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์จริง ๆ แล้วจะดีกว่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน โดยทั่วไปประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์ดีเซลนี้จะอยู่ในช่วง 35 ถึง 40 %
วัฏจักรเบรตั้น (BRAYTON CYCLE)
วัฏจักรเบรตั้น หรือ อาจจะเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “วัฏจักรจูล” วัฏจักรนี้จะประกอบไปด้วย กระบวนการความดันคงที่ 2 กระบวนการและ กระบวนการแบบแอเดียแบติก 2 กระบวนการ การให้ความร้อนและความร้อนที่ออกมาจะเกิดขึ้นภายใต้กระบวนการความดันคงที่ในวัฏจักรนี้เนื่องจาก P2 = P3 และ P1 = P4 ดังนั้นค่าอัตราส่วนความดัน (pressure ratio, φ) หาได้จาก
กราฟ P-V ของวัฏจักร เบรตั้น
กราฟ T-S ของวัฏจักร เบรตั้น
ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีของวัฏจักรเบรตั้นสามารถหาได้ดังนี้
จากสมการนี้จะเห็นได้ว่าวัฏจักรเบรตั้นนั้นค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนจะขึ้นอยู่กับค่าอัตราส่วนความดัน และค่านี้ถ้ายิ่งมีค่าสูงขึ้น ก็จะทำให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้นตามไปด้วย
วัฏจักรเบรตั้นนี้ถือวัฏวัจรที่ใช้ออกแบบเครื่องยนต์กังหันแก๊ส ( gas-turbine engine) ซึ่งเป็นเครื่องยนต์สำหรับเครื่องบินและใช้ผลิตไฟฟ้าในโรงงานกังหันแก๊ส ( gas-turbine power plant)
วัฏจักรอีริคสัน (ERICSSON CYCLE)
วัฏจักรที่เรียกว่า “วัฏจักรอีริคสัน” จะคล้ายคลึงกับวัฏจักรเบรตั้นโดยการแทนที่กระบวนการอัดและขยายตัวภายใต้กระบวนการแอเดียแบติกในวัฏจักรเบรตั้นด้วยกระบวนการแบบอุณหภูมิคงที่ ถ้ากำหนดให้ อัตราส่วนอุณหภูมิ (τ) มีค่าเป็น
กราฟ P-V ของวัฏจักร อีริคสัน
กราฟ T-S ของวัฏจักร อีริคสัน
เนื่องจากในวัฏจักรนี้ค่า T1-T4 = T2-T3 ซึ่งจะทำให้ qin = qout ภายใต้กระบวนการความดันคงที่ นอกจากนี้ที่ตัว Regenerative ถ้าความร้อนที่ปล่อยออกมาสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และการเพิ่มความร้อนและการคายความร้อนเกิดภายใต้กระบวนการอุณหภูมิคงที่แล้ว ประสิทธิภาพเชิงความร้อนจะสามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้
จากสมการประสิทธิภาพเชิงความร้อนของอีริคสันจะเท่ากันกับประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรคาร์โนต์ กล่าวคือ เมื่อใช้ตัว Regenerative การคายความร้อนที่เกิดจากกระบวนการความดันคงที่ จะสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ทั้งหมด ประสิทธิภาพของวัฏจักรอีริคสันก็จะเท่ากับวัฏจักรคาร์โนต์ การทำงานจะขึ้นอยู่กับอัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนของทั้งสองแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง และแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ จากแผนภาพ T-s พื้นที่ภายใต้เส้นโค้งเอียงจะมีขนาดที่เท่ากันแต่เนื่องจากในเครื่องอัด (Compressor) การอัดที่อุณหภูมิคงที่ หรือการขยายตัวที่ความดันคงที่ในเครื่องกังหันนั้นเป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตามวัฏจักรอีริคสันในความเป็นจริงแล้วจะไม่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้
วัฏจักรสเตอร์ลิง (STIRLING CYCLE)
วัฏจักรสเตอร์ลิงเป็นการแทนที่กระบวนการความดันคงที่ 2 กระบวนการในวัฏจักรอีริคสันซึ่งจะคล้ายกับในกรณีของวัฏจักรอีริคสัน ภายใต้กระบวนการปริมาตรคงที่ เนื่องจากปริมาณความร้อนที่เพิ่มเข้าไปและปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาจะเท่ากัน ถ้าที่ตัว Regenerative สามารถนำความร้อนกลับมาใช้ได้ทั้งหมด การให้และรับความร้อนก็จะกลายเป็นกระบวนการอุณหภูมิคงที่ ซึ่งประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีของวัฏจักรนี้ก็จะเท่ากันกับประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรคาร์โนต์ ฉะนั้นประสิทธิภาพเชิงความร้อนจะสามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้
กราฟ P-V ของวัฏจักร สเตอร์ลิง
กราฟ T-S ของวัฏจักร สเตอร์ลิง
วัฏจักรสเตอร์ลิงเป็นวัฏจักรที่มีการใช้งานอยู่ในปัจจุับนแต่ม่ค่อยนิยมถูกนำมาใช้งานมากนัก เนื่องจากมีปัญหาทางด้านเทคนิคอยู่ ในการใช้งานจริงของไหลทำงานที่ใช้กันในวัฏจักรนี้ได้แก่ อากาศ ฮีเลียม และไฮโดรเจน ในปัจจุบันจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar energy) หรือความร้อนทิ้ง (Waste Heat) เป็นแหล่งให้ความร้อน เครื่องสเตอร์ลิงนี้จัดว่าเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอก (External combustion engine) ชนิดหนึ่ง
วัฏจักรไอน้ำ (STEAM CYCLE)
วัฏจักรแรงคีน (RANKINE CYCLE)
วัฏจักรแรงคีน (Rankine cycle) หรือเรียกว่า วัฏจักรคลอสเซียส (Clausius cycle) เป็นวัฏจักรเป็นพื้นฐานที่ใช้ในการออกแบบโรงจักรกำลังไอน้ำ (Steam power plant) หรือ Steam plant
ของไหลทำงานที่ใช้ในโรงจักรสร้างกำลังส่วนมากแล้วจะเป็นน้ำ ในระหว่างที่วัฏจักรดำเนินไปนั้นจะมีการระเหยและการควบแน่นของไอน้ำสลับกันไป ในกรณีที่ใช้แหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ ก็อาจจะใช้ของไหลทำงานที่เป็นพวกสารอินทรีย์ (organic matter) ที่มีจุดเดือดต่ำ ๆ
โครงสร้างพื้นฐานของโรงจักรกำลังไอน้ำ จะประกอบไปด้วย หม้อไอน้ำ (Boiler) กังหันไอน้ำ (Steam turbine) เครื่องควบแน่น (Condenser) และปั๊มน้ำ (Pump) กระบวนการของวัฏจักรแรงคีน เกิดขึ้นดังนี้
- ไอน้ำร้อนยิ่งยวดที่อุณหภูมิและที่ความดันสูงที่เกิดที่หม้อไอน้ำ ไปขยายตัวแบบแอเดียแบติกที่ย้อนกลับได้ที่กังหันไอน้ำทำให้เกิดงานขึ้น (กระบวนการที่ 3 ไป 4)
- ไอน้ำออกมาจากกังหันไอน้ำก็จะถูกทำให้เย็นตัวลง และควบแน่นกลายเป็นน้ำอิ่มตัว (กระบวนการที่ 4 ไป 1)
- น้ำอิ่มตัวนี้ก็จะถูกปั๊ม ทำให้เกิดการอัดตัวแบบแอเดียแบติกที่ย้อนกลับได้ กลายเป็นน้ำอัดตัวความดันสูงก่อนเข้าสู่หม้อไอน้ำ (กระบวนการที่ 1 ไป 2)
- การให้ความร้อนภายใต้ความดันคงที่ ก็จะกลายเป็นของเหลวอิ่มตัว ต่อจากนั้น ก็จะกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว และไอน้ำร้อนยิ่งยวดอีกครั้ง (กระบวนการที่ 2 ไป 3)
รูป วัฏจักรทางทฤษฏีและ กราฟ T-S ของ วัฏจักร แรงคีน
ประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีของวัฏจักรแรงคีน หาได้จากสมการดังต่อไปนี้
ในวัฏจักรแรงคีน งานของปั๊มน้ำนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับงานที่เกิดมาจากกังหันแล้วถือได้ว่าน้อยมาก ในเวลาคำนวณสามารถตัดงานที่ใส่เข้าปั๊มทิ้งไปได้ ดังนั้นประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีสามารถหาได้จากสมการ
โดยที่ h = เอนทาลปีของสภาวะนั้น ๆ จากสมการดังกล่าว จะเห็นว่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรแรงคีนนั้นสามารถคำนวณได้จากค่าเอนทัลปีจำเพาะที่ตรงทางเข้าและทางออกของวัฏจักร ที่ทางเข้าหม้อไอน้ำ จะพยายามทำให้ค่าเอนทัลปีจำเพาะ h3 ที่ตรงทางเข้าของกังหันไอน้ำมีค่ามากเข้าไว้ และพยายามทำให้ค่าเอนทัลปีจำเพาะ h4 ที่ตรงบริเวณทางออกของกังหัน หรือตรงบริเวณที่ทางเข้าของเครื่องควบแน่น ให้น้อยเท่าที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งก็จะพบว่าจะทำให้ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรมีค่าสูงขึ้นได้
โดยทั่วไปสภาวะตรงทางเข้ากังหันไอน้ำจะเรียกว่า “สภาวะเริ่มต้น” ส่วนความดัน P3 ณ สภาวะนี้จะเรียกว่า “ความดันเริ่มต้น” อุณหภูมิ T3 ก็จะเรียกว่า “อุณหภูมิเริ่มต้น” เพื่อที่จะทำให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรแรงคีนเพิ่มสูงขึ้น ควรจะทำให้ความดันและอุณหภูมิเริ่มต้นสูงๆ เอาไว้ก่อน และควรจะทำความดันที่เครื่องควบแน่น (Condenser) (ความดันที่จะทิ้งไป) ต่ำเข้าไว้จะทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้นได้
วัฏจักรรีเจนเนอเรชั่น (REGENERATION CYCLE)
ในวัฏจักรแรงคีน เมื่อไอน้ำควบแน่นที่เครื่องควบแน่น (Condenser) จะมีปริมาณความร้อนเป็นจำนวนมากถูกทิ้งไปกับน้ำหล่อเย็น ซึ่งถ้าเราสามารถลดปริมาณความร้อนทิ้งนี้ให้มีค่าน้อยลงแล้วก็สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้นด้วย ดังนั้นปริมาณไอน้ำที่ขยายตัวที่กังหันและต้องถูกควบแน่นที่เครื่องควบแน่นนี้ ถ้าเรานำความร้อนจากไอน้ำที่กำลังขยายตัวนี้ไปอุ่น หรือเพิ่มอุณหภูมิให้กับน้ำที่เย็นกว่า ก่อนที่จะเข้าหม้อต้ม ซึ่งจะเป็นการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างน้ำต่างสภาวะ วัฏจักรที่ใช้ความร้อนเหล่านี้นำไปอุ่นน้ำก่อนเข้าหม้อต้มเรียกว่า วัฏจักรรีเจนเนอเรชั่น (Regeneration cycle) ในระหว่างที่ไอน้ำกำลังขยายตัวเราพบว่า งานที่ได้รับจากกังหันจะมีค่าลดลง แต่อย่างไรก็ตามเราสามารถลดปริมาณความร้อนทิ้งลงไปได้ และสามารถลดได้มากกว่าปริมาณงานที่ลดลงจากกังหันเสียอีก ดังนั้นในวัฏจักรรีเจเนอเรชั่นประสิทธิภาพเชิงความร้อนจะมีค่าสูงขึ้นกว่าวัฏจักรแรงคีนธรรมดา ในการที่จะคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรรีเจนเนอเรชั่น ให้พิจารณาวัฏจักรรีเจนเนอเรชั่นของการดึงไอน้ำออกมาเป็น 2 จุด ที่จุด 6 จะมีการดึงไอน้ำร้อนยิ่งยวดออกมา (ความร้อน) และจะถูกส่งไปเพิ่มอุณหภูมิให้แก่อุปกรณ์เพิ่มความร้อนของน้ำที่มีความดันสูง
รูป วัฏจักรทางทฤษฏีและ กราฟ T-S ของ วัฏจักร รีเจนเนอเรชั่น แบบ 2 ชั้น
ในการที่จะคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรรีเจนเนอเรชั่น ให้พิจารณาวัฏจักรรีเจนเนอเรชั่นของการดึงไอน้ำออกมาเป็น 2 จุดดังนี้
- ที่จุด 6 จะมีการดึงไอน้ำร้อนยิ่งยวดออกมา (ความร้อน) และจะถูกส่งไปเพิ่มอุณหภูมิให้แก่อุปกรณ์เพิ่มความร้อนของน้ำที่มีความดันสูง (กระบวนการที่ 6 ไป 3) ไอน้ำก็จะควบแน่นเป็นน้ำและถูกส่งไปหม้อต้มไอน้ำต่อไป (กระบวนการที่ 3 ไป 4)
- ไอน้ำส่วนที่เหลืออยู่ภายหลังจากการถูกดึงออกไปใช้จุดที่ 6 จะขยายตัวที่กังหันช่วงที่เหลือ (กระบวนการที่ 5 ไป 7)
- หลังจากผ่านกังหันจะเข้าไปสู่เครื่องควบแน่นกลายเป็นน้ำอิ่มตัวที่จุดที่ 1 (กระบวนการที่ 7 ไป 1)
- น้ำอิ่มตัวจะถูกเพิ่มความดันทำให้กลายเป็นน้ำอัดตัวจุดที่ 2 โดยปั๊มน้ำ (กระบวนการที่ 1 ไป 2)
- น้ำอิ่มตัวจะถูกอัดเข้าไปเพิ่มอุณหภูมิที่ Feed heater เพื่อรับความร้อนได้น้ำอิ่มตัวที่จุด 3 (กระบวนการที่ 2 ไป 3) ก่อนถูกปั้มส่งเข้าไปยังหม้อไอน้ำ ต่อไป (กระบวนการที่ 3 ไป 4)
เมื่อกำหนดให้อัตราการไหลของไอน้ำก่อนเข้ากังหัน เท่ากับ 1 kg/hr และสัดส่วนไปน้ำที่ถูกดึงไปในจุดที่ 6 เท่ากับ y ประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีของวัฏจักรรีเจนเนอเรชั่นแบบ 2 ชั้น หาได้จากสมการดังต่อไปนี้
การดึงไอน้ำออกมานั้น ยิ่งดึงมากขึ้นก็ยิ่งจะทำให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนทางทฤษฎีสูงมากขึ้นด้วย แต่อย่างไรก็ตามการเพิ่มค่า มากขึ้นจะทำให้อัตราส่วนการเพิ่มของประสิทธิภาพเชิงความร้อนเพิ่มขึ้นไม่มาก โดยทั่วไปการดึงไอน้ำที่มากที่สุดจะดึงทั้งหมด 8 ครั้ง
วัฏจักรรีฮีท (RE-HEAT CYCLE)
ในวัฏจักรแรงคีนนั้นประสิทธิภาพเชิงความร้อนจะสูงขึ้นถ้าทำให้ความดันเริ่มต้นสูง แต่จะทำให้ไอน้ำที่ทางออกของกังหันเปียกมากขึ้นซึ่งถือเป็นข้อเสีย ดังนั้นเพื่อที่ไม่ทำให้คุณภาพไอน้ำที่ตรงทางออกของกังหันลดลงเราจึงนำไอน้ำที่ทางออกจากกังหันช่วงแรกส่งไปรับความร้อนที่เตาหม้อไอน้ำ และภายหลังจากที่ได้เพิ่มความร้อนซ้ำให้แล้ว ก็จะให้ไปขยายตัวที่กังหันต่อไป วัฏจักรแบบนี้จะเรียกว่า วัฏจักรรีฮีท (Re-heat cycle) วัฏจักรรีฮีทนอกจากจะทำให้ปริมาณความร้อนที่หม้อไอน้ำเพิ่มขึ้นแล้ว งานที่ได้จากกังหันก็ยังจะเพิ่มขึ้นอีกด้วย ดังนั้นจะเห็นว่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของทั้งระบบโดยรวมดีขึ้น
รูป วัฏจักรทางทฤษฏีและ กราฟ T-S ของ วัฏจักร รีฮีท
จากรูปแผนภาพ T-s ในกรณีของการทำรีฮีทครั้งเดียวที่กังหัน เมื่อไอน้ำขยายตัวจากสภาวะที่ 3 ไปสู่สภาวะที่ 4 นำไอน้ำที่ไหลออกไปเพิ่มความร้อนซ้ำอีกที่อุปกรณ์รีฮีทที่หม้อไอน้ำ หลังจากนั้นก็จะส่งกลับไปที่กังหัน เพื่อขยายตัวในช่วงต่อไป สภาวะที่ทางออกของกังหันจะเป็นสภาวะที่ 6
ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนเมื่อทำรีฮีทหนึ่งครั้งทางทฤษฎีสามารถคำนวณหาได้จากสมการดังต่อไปนี้
ถ้าทำให้จำนวนครั้งของการรีฮีทเพิ่มมากขึ้นก็จะทำให้ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้นด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นเนื่องมาจากจำนวนครั้งที่เพิ่มขึ้น พบว่าจะต้องมีค่าใช้จ่ายในการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มตามมาด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วจะรีฮีทประมาณ 1 – 2 ครั้ง แต่อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพอาจจะลดลงได้ถ้าความดันของการรีฮีทมีค่าต่ำ ดังนั้นในการที่จะเพิ่มประสิทธิภาพจำเป็นที่จะต้องเลือกความดันที่ใช้ในการทำรีฮีทด้วย ความดันขั้นต่ำของการทำรีฮีทที่ทำให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้นจะอยู่ทีประมาณ 15-30% ของความดันเริ่มต้น ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วจะใช้ค่านี้เป็นมาตรฐานกันโดยทั่วไป
วัฏจักรทำความเย็นกับวัฏจักรปั๊มความร้อน (REFRIGERATING CYCLE AND HEAT PUMP CYCLE)
จากกฏข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นการที่ระบบรับงานจากภายนอกมาเพื่อใช้ในการเคลื่อนถ่ายเทความร้อนที่อุณหภูมิต่ำไปอุณหภูมิสูง จะเรียกว่า วัฏจักรทำความเย็น หรือ วัฏจักรปั๊มความร้อน (Refrigerating cycle and heat pump cycle) วัฏจักรของเครื่องทำความเย็นกับวัฏจักรของปั๊มความร้อนนั้นจะคล้ายคลึงกับวัฏจักรแรงคีน เพียงจะแตกต่างกันที่ทิศทางเท่านั้น ดังนั้นในบางครั้งจึงอาจจะเรียกวัฏจักรนี้ว่า “วัฏจักรแรงคีน ย้อนกลับได้ (Reversible rankine cycle)” ในวัฏจักรของเครื่องทำความเย็นและปั๊มความร้อนนั้นต้องการ Compression stroke ซึ่งจะแยกออกเป็น 2 ระบบได้แก่ การอัดโดยเครื่องอัด (Compressor) ซึ่งเรียกว่า วัฏจักรทำความเย็นอัดไอ (Vapor compression refrigerating cycle) กับวัฏจักรแบบดูดซึม (Absorption refrigerant cycle) ซึ่งเป็นวัฏจักรที่ใช้การเปลี่ยนแปลงของความดันไออันเนื่องมาจากความเข้มข้นกับอุณหภูมิของสารละลาย ในที่นี้จะขอกล่าวเฉพาะวัฏจักรทำความเย็นแบบอัดไอเท่านั้น
วัฏจักรทำความเย็นแบบอัดไอ (VAPOR COMPRESSION REFRIGERATING CYCLE)
โครงสร้างของวัฏจักรทำความเย็นแบบอัดไอมีทั้งหมด 4 อุปกรณ์หลักได้แก่ เครื่องระเหย (Evaporator) เครื่องอัดไอ (Compressor) เครื่องควบแน่น (Condenser) และ วาวล์ขยายตัว (Throttling) หลักการทำงานของวัฏจักรนี้มีดังต่อไปนี้
- ที่เครื่องระเหย (Evaporator) ไอของสารทำความเย็น (Refrigerant) จะถูกอัดโดยกระบวนการแอเดียแบติกกลายเป็นไอร้อนยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิและความดันสูง (กระบวนการที่ 1 ไป 2)
- ไอสารทำความเย็นที่ความดันสูงไปถ่ายเทความร้อนที่เครื่องควบแน่น (Condenser) โดยกระบวนการความดันคงที่ แล้วกลายเป็นของเหลว (กระบวนการที่ 2 ไป 3)
- สารทำความเย็นในสถานะของเหลวจะเข้าไปสู่วาวล์ขยายตัว (Expansion valve) ที่วาวล์ขยายตัวจะเกิดการขยายตัวแบบทรอตลิ้ง (การขยายตัวแบบลดความดัน Throttling) กลายเป็นของผสมอิ่มตัวนี้ก็จะเข้าสู่เครื่องระเหย (กระบวนการที่ 3 ไป 4)
- ของเหลวในของผสมอิ่มอิ่มตัวนี้จะดูดความร้อนและขยายตัวแบบความดันคงที่ จากนั้นก็จะกลายเป็นไออิ่มตัวอีกครั้งในเครื่องระเหย (กระบวนการที่ 4 ไป 1)
รูป วัฏจักรทางทฤษฏีและ กราฟ T-S ของ วัฏจักรทำความเย็นแบบอัดไอ
ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทที่เครื่องระเหย (evaporator) ต่อ 1 kg ของสารทำความเย็น (Q evap) จะเรียกว่า โหลดของการทำความเย็น (refrigerating effect) สัมประสิทธิการทำงานของเครื่องทำความเย็น (หรือเรียกว่า “Coefficient of Performance [COP]”) สามารถแสดงเป็นสมการได้ว่า
โดยที่ Qevep คือ ความร้อนที่ถ่ายเทเข้าเครื่องระเหย และ Wcom คือ งานของเครื่องอัดไอ
ในกรณีของปั๊มความร้อน (heat pump) ปริมาณความร้อนที่คายออกมาที่เครื่องควบแน่น กล่าวคือ Qcon จะเป็นค่าที่สำคัญ โดยสัมประสิทธิการทำงานของปั๊มความร้อน COP สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
อ้างอิง
Yunus A. Cengel, M. A. (2005). In Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Science/Engineering/Math.
สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004). ความร้อนเบื้องต้น. Retrieved from DEDE: http://www2.dede.go.th/bhrd/old/file_handbook.html
