Vapor Compression System

1. หลักการทำงานและกระบวนการต่างๆ ของระบบอัดไอ

สำหรับวัฏจักรการทำความเย็นแบบอัดไอ เมื่อไม่คิดพลังงานสูญเสียต่างๆ จะประกอบด้วย กระบวนการหลัก ๆ 4 กระบวนการ ดังนี้

รูปที่ 1 วัฎจักรอัดไอมาตรฐาน

รูปที่ 2 แผนภูมิความดัน-เอนทาลปี

1. กระบวนการ 1-2 เป็นกระบวนการอัดตัวแบบ Isentropic Compression โดยคอมเพรสเซอร์จะทำการอัดสารทำความเย็นในสภาวะไออิ่มตัว ให้มีความดันเท่ากับความดันที่คอยล์ร้อน (Condenser)

2. กระบวนการ 2-3 เป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนที่ความดันคงที่แบบย้อนกลับได้ โดยสารทำความเย็นที่อยู่ในสภาวะไอดง (Superheated Vapor) จะถูกทำให้เย็นลงจนเกิดการกลั่นตัวของสารทำความเย็น

3. กระบวนการ 3-4 เป็นกระบวนการขยายตัว หรือ กระบวนการลดความดัน โดยสารทำความเย็นที่อยู่ในสภาวะของเหลวจะถูกลดความดันลงมากลายเป็นของผสมที่ความดันที่คอยล์เย็น (Evaporator)

4. กระบวนการ 4-1 เป็นกระบวนการรับความร้อนที่ความดันคงที่ ซึ่งทำให้สารทำความเย็นเดือดจนกลายเป็นไออิ่มตัว

รูปที่ 3 แผนภาพความดัน-เอนทัลปี ของวัฎจักรการอัดไอหนึ่งขั้นตอน

Source : ohio.edu , (2015)

2. สัมประสิทธิ์สมรรถนะทำความเย็น

- ความเย็นที่ระบบสามารถทำได้ h₁ - h₄

- พลังงานที่ป้อนให้ระบบ (คอมเพรสเซอร์) h₂ - h₁

- ในการศึกษาวัฏจักรความเย็นอีกวิธีหนึ่งคือการแทนการทำงานของกระบวนการต่างๆ ลงในแผ่นภาพ PH Diagram หรือ แผนภาพความดัน-เอลทัลปี (Presure-Enthalpy Diagram) หรือ แผนภาพมอลเลียร์ ดังนี้

รูปที่ 4 แผนภาพความดัน-เอนทัลปี หรือ แผนภาพมอลเลียร์ ของน้ำยา R134a

Source : CoolPack Version 1.50 (2015, September 11)

2.1 คำอธิบายแผนภูมิความดัน-เอนทัลปี

เขตของเหลวเย็นยิ่ง (Subcooled region) คือ บริเวณพื้นที่ด้านซ้ายของเส้นของเหลวอิ่มตัว สารทำความเย็นที่อยู่ในพื้นที่นี้จะมีสภาวะเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดอิ่มตัว เรียกว่า ของเหลวเย็นยิ่ง (Subcooled liquid)

เขตไอร้อนยิ่งยวด (Superheated region) คือ บริเวณพื้นที่ด้านขวาของเส้นไออิ่มตัว สารทำความเย็นที่อยู่ในพื้นที่นี้จะมีสภาวะเป็นไอที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดอิ่มตัว เรียกว่า ไอร้อนยวดยิ่ง หรือ ไอดง (Superheated Vapor)

เขตเปลี่ยนสถานะ (Phase change region) คือ พื้นที่ระหว่างเส้นของเหลวอิ่มตัว และเส้นไออิ่มตัว สารทำความเย็นในพื้นที่นี้จะมีสภาวะผสมระหว่างของเหลวและไอ (Liquid-vapor mixture) หรือเป็นเขตเปลี่ยนสถานะ คือการเปลี่ยนแปลงจากด้านซ้ายไปด้านขวาเป็นการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอตามกระบวนการกลายเป็นไอ (Vaporization) และการเปลี่ยนแปลงจากด้านขวาไปซ้ายเป็นการเปลี่ยนสถานะจากไอเป็นของเหลวตามกระบวนการควบแน่น (Condensation)

จุดที่เชื่อมต่อระหว่างเส้นของเหลวอิ่มตัวและเส้นไออิ่มตัวคือ จุดวิกฤต (Critical Point) ซึ่งเป็นจุดที่สารทำความเย็นจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวอิ่มตัวเป็นไอร้อนยวดยิ่ง หรือจากไอร้อนยวดยิ่งไปเป็นของเหลวอิ่มตัวได้ทันที โดยไม่ต้องผ่านช่วง Liquid-Vapor mixture

รูปที่ 5 แสดงเส้นคุณสมบัติต่างๆ ของสารทำความเย็นบนแผนภาพ

2.2 คำอธิบายเส้นต่าง ๆ ในแผนภูมิความดัน-เอนทัลปี

เส้นความดันคงที่ (Constant Pressure) คือ กลุ่มของเส้นตรงในแนวระดับ รายงานเป็นความดันสัมบูรณ์ ( Absolute pressure ) มีหน่วยเป็น psia , kg/cm² abs หรือ bar ส่วนเส้นเอนทัลปีคงที่ (Constant enthalpy lines) คือกลุ่มของเส้นตรงในแนวดิ่ง รายงานเป็นค่าปริมาณความร้อนที่มีอยู่ในสารทำความเย็นต่อ 1 หน่วยของมวล มีหน่วยเป็น Btu/lb , kcal/kg หรือ kJ/kg

เส้นความแห้งคงที่ (Constant dryness lines - x) คือ เส้นซึ่งลากจากจุดวิกฤตลงมาด้านล่างอยู่ระหว่างเส้นของเหลวอิ่มตัวและเส้นไออิ่มตัว เป็นเส้นที่บอกเปอร์เซ็นต์ของสารทำความเย็นส่วนที่เป็นไอ(โดยน้ำหนัก) เช่น เส้น x = 0.1 หมายความว่า มีสารทำความเย็นส่วนที่เป็นไอ คิดเป็นน้ำหนัก 10% และส่วนที่เป็นของเหลว 90%

เส้นอุณหภูมิคงที่ (Constant temperature lines) คือเส้นที่อยู่ในแนวเกือบขนานกับเส้นเอนทัลปี เมื่ออยู่ในเขตของเหลวเย็นยิ่ง เป็นเส้นตรงขนานกับเส้นความดันเมื่ออยู่ในเขตเปลี่ยนสถานะ และจะเปลี่ยนเป็นเส้นโค้งลงทางด้านล่าง เมื่ออยู่ในเขตไอร้อนยวดยิ่ง มีหน่วยเป็น °F หรือ °C

เส้นเอนโทรปีคงที่ (Constant entropy lines) คือ เส้นโค้งซึ่งเอียงขึ้นเป็นมุมสูง อยู่ในเขตไอร้อนยวดยิ่ง เป็นเส้นบอกอัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าเอนทัลปีต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง 1 องศามีหน่วยเป็น Btu/lb R , kcal/kg C หรือ kJ/kg K

เส้นปริมาตรจำเพาะคงที่ (Constant specific volume lines) คือ เส้นโค้งที่เอียงขึ้นเป็นมุมใกล้กับแนวนอนอยู่ในเขตไอร้อนยวดยิ่ง เป็นเส้นที่บอกค่าของปริมาตรของสารทำความเย็นต่อ
1 หน่วยของมวลมีหน่วยเป็น ft³/lb , m³/kg

รูปที่ 6 แผนภาพ P-h Diagram ของน้ำยา R 22

Source : CoolPack Version 1.50 (2015, September 11)

รูปที่ 7 แผนภาพ P-h Diagram ของน้ำยา R 717 หรือ แอมโมเนีย

Source : CoolPack Version 1.50 (2015, September 11)

3. การคำนวณของวัฏจักรการทำความเย็น

- ปริมาณของสารทำความเย็นที่ไหลวน

เป็นปริมาณของสารทำความเย็นที่ไหลในอีวาโปเรเตอร์ ซึ่งสามารถคำนวณได้ ดังสมการต่อไปนี้ โดยพิจารณาจากรูปที่ 6 และ 7 ประกอบ

เมื่อ           Q_e คือ ความสามารถในการทำความเย็น (kJ/s)

q_e คือ ปริมาณความร้อนที่สารทำความเย็นดูดซับต่อหน่วยกิโลกรัม (kJ/kg)

mํ  คือ อัตราการไหลของสารทำความเย็น (kg/s)

- ปริมาณความร้อนที่สารทำความเย็นดูดซับในอีวาโปเรเตอร์

เมื่อ          q_e คือ ความร้อนที่สารทำความเย็นได้รับต่อหน่วยกิโลกรัม (kJ/kg)

- ปริมาณความร้อนที่ถูกระบายจากคอนเดนเซอร์

เป็นความแตกต่างระหว่างเอนทัลปีของไอร้อนยิ่งยวด (Superheated Vapor) ที่ 2 และของเหลวอิ่มตัวที่จุด 3 โดยมีค่าตามสมการ

หรือ

เมื่อ           q_c  คือ ความร้อนที่ถูกระบายออกจากคอนเดนเซอร์

Q_e  คือ ความร้อนที่ได้รับจากบริเวณทำความเย็น

q_w  คือ พลังงานที่ใช้ในการอัด

พลังงานที่ใช้ในการอัดนั้น มีค่าดังสมการ

หรือ

- ปริมาตรการไหลของสารทำความเย็นที่ไหลเข้าสู่คอมเพรสเซอร์

เมื่อ          mํ คือ อัตราการไหลของสารทำความเย็น (kJ/s)

v คือ ปริมาตรจำเพาะของไอสารทำความเย็นที่จุด 1 (m³/kg)

- สัมประสิทธิ์การทำความเย็น

โดยทั่วไปมีการแบ่งประสิทธิภาพออกเป็น 2 แบบ คือ

สัมประสิทธิ์สมรรถนะ (Coefficient of Performance; COP)

หรือ

อัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงาน (Energy Efficiency Ratio; EER)

ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ

การกำหนดระดับประสิทธิภาพและค่าเฉลี่ยของการใช้พลังงาน แบ่งออกเป็น 5 ระดับ

ระดับที่ 1 ระดับที่มีประสิทธิภาพ ต่ำ มีค่า EER ต่ำกว่า 7.6

ระดับที่ 2 ระดับที่มีประสิทธิภาพ พอใช้ มีค่า EER ตั้งแต่ 7.6 ขึ้นไป แต่ไม่ถึง 8.6

ระดับที่ 3 ระดับที่มีประสิทธิภาพ ปานกลาง มีค่า EER ตั้งแต่ 8.6 ขึ้นไป แต่ไม่ถึง 9.6

ระดับที่ 4 ระดับที่มีประสิทธิภาพ ดี มีค่า EER ตั้งแต่ 9.6 ขึ้นไป แต่ไม่ถึง 10.6

ระดับที่ 5 ระดับที่มีประสิทธิภาพ ดีมาก มีค่า EER ตั้งแต่ 10.6 ขึ้นไป

หมายเหตุ

1. ค่าประสิทธิภาพ (Energy Efficiency Ratio: EER) หมายถึงปริมาณความเย็นที่ผลิตได้ต่อกำลังไฟฟ้าที่ใช้มีหน่วยเป็น BTU/W สำหรับเครื่องปรับอากาศ
2. ระดับประสิทธิภาพเบอร์ 1 ถึงเบอร์ 5 เป็นไปตามข้อกำหนดของสำนักการจัดการด้านการใช้ไฟฟ้า (DSM) ของ กฟผ.
3. ฉลากระดับประสิทธิภาพ แบ่งออกเป็น 3 ส่วน
   1. ส่วนที่ 1 เป็นแถบโค้งครึ่งวงกลมสีเขียว แสดงตัวเลขบอกระดับประสิทธิภาพตั้งแต่ระดับ 1 ถึง 5 ถ้าฉลากแสดงระดับใด ช่องบรรจุตัวเลขนั้นจะเป็นสีแดง โดยตำแหน่งตรงกลางของส่วนโค้งจะมีตัวเลขบอกระดับประสิทธิภาพอยู่ในวงกลมสีแดง เพื่อเป็นการย้ำเน้นการบอกระดับประสิทธิภาพอย่างชัดเจน
   2. ส่วนที่ 2 เป็นส่วนของการแสดงรายละเอียดของค่าประสิทธิภาพ การใช้พลังงานไฟฟ้าต่อปี และค่าไฟฟ้าต่อปี
   3. ส่วนที่ 3 แสดงเครื่องหมายการค้า รุ่น และขนาดของตู้เย็น

เครื่องปรับอากาศประสิทธิภาพสูง

การใช้เครื่องปรับอากาศประสิทธิภาพสูง จะช่วยประหยัดพลังงาน เช่น การใช้เครื่องปรับอากาศประมาณ 8 ชั่วโมง/วัน

ถ้าเครื่องปรับอากาศขนาด 12,000 BTU มีประสิทธิภาพระดับเบอร์ 5 มีค่าเท่ากับ 12.24 (BTU/Hr/Watt) เทียบกับ ประสิทธิภาพระดับเบอร์ 1 มีค่าเท่ากับ 7.5 (BTU/Hr/Watt) การใช้เครื่องปรับอากาศระดับเบอร์ 5 จะประหยัดไฟฟ้าได้ประมาณ 1,809.25 หน่วย (kWh) หรือคิดเป็นจำนวนเงินที่ประหยัดได้ประมาณ 4,577.41 บาท

ถ้าเครื่องปรับอากาศขนาด 18,000 BTU มีประสิทธิภาพระดับเบอร์ 5 มีค่าเท่ากับ 11.84 (BTU/Hr/Watt) เทียบกับ ประสิทธิภาพระดับเบอร์ 1 มีค่าเท่ากับ 7.5 (BTU/Hr/Watt) การใช้เครื่องปรับอากาศระดับเบอร์ 5 จะประหยัดไฟฟ้าได้ประมาณ 2,568.81 หน่วย (kWh) หรือคิดเป็นจำนวนเงินที่ประหยัดได้ประมาณ 6,499.09 บาท

ถ้าเครื่องปรับอากาศขนาด 24,000 BTU มีประสิทธิภาพระดับเบอร์ 5 มีค่าเท่ากับ 11.76 (BTU/Hr/Watt) เทียบกับ ประสิทธิภาพระดับเบอร์ 1 มีค่าเท่ากับ 7.5 (BTU/Hr/Watt) การใช้เครื่องปรับอากาศระดับเบอร์ 5 จะประหยัดไฟฟ้าได้ประมาณ 3,384.82 หน่วย (kWh) หรือคิดเป็นจำนวนเงินที่ประหยัดได้ประมาณ 8,563.59 บาท

หมายเหตุ คิดค่าพลังงานไฟฟ้าต่อหน่วยเท่ากับ 2.53 บาท/หน่วย

4. วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทำความเย็น

สำหรับหัวข้อนี้จะอธิบายถึงวิธีการที่จะปรับปรุงค่า COP และทำให้ค่า COP ดีที่สุดสำหรับการนำไปใช้งานในแต่ละประเภท โดยวิธีการลดการใช้พลังงานและลดการทำงานในส่วนที่ไม่จำเป็นของระบบทำความเย็นลง

• การลดความดันด้านควบแน่น

ค่า COP ของระบบการทำความเย็นจะมีค่าสูงสุด เมื่ออัตราส่วนของการอัดมีค่าต่ำ ด้วยเหตุนี้จึงต้องทำให้ความดันขณะควบแน่น มีค่าต่ำสุดเท่าที่เป็นไปได้ ส่วนอีกวิธีการหนึ่งที่จะทำให้ประสบผลสำเร็จก็คือ การใช้คอนเดนเซอร์ขนาดใหญ่ขึ้น แต่จะต้องพิจารณาอย่างรอบคอบในระหว่างขั้นตอนของการออกแบบระบบใหม่ สำหรับการลงทุนเพิ่มเพื่อที่จะใช้คอนเดนเซอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ควรนำมาเปรียบเทียบกับค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องตลอดอายุการใช้งานด้วย

ในการติดตั้งขนาดเครื่องเพิ่มมักจะประสบปัญหาความดัน ของการควบแน่นสูงเกินความจำเป็น ทั้งนี้เพราะบางส่วนของคอนเดนเซอร์อาจเสียหายจากการอุดตันหรือมีสิ่งเจือปนในสารทำความเย็น ซึ่งสิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งบกพร่องที่จะไปลดความสามารถในการถ่ายเทความร้อนของคอนเดนเซอร์ สำหรับขั้นตอนการทดสอบและแก้ไขปัญหาเหล่านี้มีอธิบายอยู่ในหัวข้อต่อไป

• การเลือกคอมเพรสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพที่สุด 

ด้วยความก้าวหน้าทั้งทางด้านการออกแบบและเทคโนโลยีทางการผลิต จึงทำให้คอมเพรสเซอร์มีรูปแบบและขนาดต่างๆเพิ่มมาก เพื่อให้สอดคล้องกับความต้องการของอุตสาหกรรมการทำความเย็น และความก้าวหน้าอีกอย่างหนึ่งคือ ความมุ่งมั่นในการพัฒนาระบบทำความเย็นให้สามารถนำพลังงานมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่สิ่งสำคัญที่สุดคือความรอบคอบในการเลือกชนิดของคอมเพรสเซอร์ ให้ถูกต้องตรงกับความต้องการที่จะนำไปใช้งานในลักษณะแตกต่างกันไป

สิ่งที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งก็คือ ต้องมั่นใจว่าคอมเพรสเซอร์เหมาะกับปริมาณการใช้งานปกติ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น วิธีการเปลี่ยนขนาดของคอมเพรสเซอร์มีหลากหลายวิธีที่สามารถนำมาใช้ได้ ซึ่งคอมเพรสเซอร์ส่วนใหญ่ที่ใช้กันอยู่ในระบบเครื่องทำความเย็นมีขนาดประมาณ 5 กิโลวัตต์ ( kW) ขึ้นไป และมีอุปกรณ์ควบคุมสมรรถนะบางส่วนให้เลือกเพิ่มเติม คำแนะนำการใช้และประสิทธิภาพที่สัมพันธ์กัน

สำหรับการเลือกคอมเพรสเซอร์ที่ดีที่สุดเพื่อนำไปใช้งานนั้น ยังไม่มีกฎเกณฑ์ที่เหมาะสมและรวดเร็วที่จะสามารถนำมาใช้ได้ ดังนั้นจึงควรพิจารณาภาพรวมทั่ว ๆ ไปของความเหมาะสมและสอดคล้องกับข้อกำหนดความต้องการเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบเพื่อให้เกิดความมั่นใจนั้น ควรเปรียบเทียบบนพื้นฐานของสภาวะการทำงานที่เหมือนๆกัน

หลักการเลือกใช้ เครื่องคอมเพรสเซอร์มีข้อควรพิจารณา 7 ประการดังนี้

Bibliography

1. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 2 หลักการ/การอนุรักษ์พลังงานในระบบทำความเย็นและปรับอากาศ. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 2-9 - 2-20).
2. ohio.edu . (2015) : https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/refrigerator/ph_refrig_ex.gif
3. IPU & Department of Mechanical Engineering Technical University of Denmark. (2015, September 11). CoolPack Version 1.50. Denmark.