สิ่งประดิษฐ์
เครื่องถ่ายน้ำยาแอร์
บทที่ 1
ข้อมูลโครงการสิ่งประดิษฐ์เครื่องถ่ายน้ำยาแอร์
มีหลักการค้นคว้าดังต่อไปนี้
1.หลักการทำความเย็นเบื้องต้น
2.ส่วนประกอบของเครื่องปรับอากาศโดยทั่วไป
3.สารทำความเย็น
4.อุณหภูมิ
5.กฎของก๊าซ
6.พลังงาน
7.การส่งถ่ายความร้อน
8.กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
9.วัฎจักรการทำความเย็น
10.ระบบทำความเย็น
11.การบำรุงรักษา
12.คำจำกัดความของคำว่า BTU
13.บทสรุป
เนื้อหาโครงการ
1.หลักการทำความเย็นเบื้องต้น
หลักการทำงานของระบบการทำความเย็นในเครื่องปรับอากาศรถยนต์เป็นระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (vapor compression system) โดยคอมเพรสเซอร์ (compressor) ทำหน้าที่ดูดสารทำความเย็นจากอีแว็ปเปอร์เรเตอร์ (evaporator) สารทำความเย็นในขณะนั้นยังมีสถานะเป็นแก๊สและคอมเพรสเซอร์(compressor)ยังทำหน้าที่อัดสารทำความเย็นออกไปที่คอนเดนเซอร์(condenser)ทำให้สารทำความเย็นมีอุณหภูมิและความดันเพิ่มสูงขึ้นเมื่อสารทำความเย็นไหลผ่านคอนเดนเซอร์(condenser)จะทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจากนั้นสารทำความเย็นไหลต่อไปยังรีซีฟเวอร์/ดรายเออร์(receiver/dryer)เพื่อกรองสิ่งสกปรกและความชื้นที่ปนเปื้อนในสารทำความเย็นสารทำความเย็นไหลไปที่ แอ็คเพนชั่นวาล์ว(expansion valve)แล้วฉีดเป็นฝอยละอองเข้าไปใน อีแว๊ปเปอร์เรเตอร์(evaporator)ทำให้สารทำความเย็นมีความดันต่ำและดูดความร้อนจากภายนอก เพื่อให้ตัวมันเองมีสถานะกลายเป็นแก๊ส ทำให้อุณหภูมิภายนอกลดลง หลังจากนั้นสารทำความเย็นที่เป็นแก๊สจะถูกดูดเข้าไปในคอมเพรสเซอร์ (compressor) เพื่อเริ่มต้นการทำงานใหม่อีกครั้ง
2.ส่วนประกอบของเครื่องปรับอากาศโดยทั่วๆไป
- คอมเพรสเซอร์ (compressor) เป็นอุปกรณ์ที่ดูดสารทำความเย็นจากอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์ และเพิ่มแรงดันให้สารทำความเย็นที่ส่งไปยังคอนเดนเซอร์ โดยมีความดันมากกว่า14.1กก./ตร.ซม
คอมเพรสเซอร์แบ่งออกเป็น3ชนิดคือ
1.แบบรีซิโพรเคติ้ง(reciprocatingtype)
2.แบบสวอชเพลต(swashplatetype)
3. แบบเวนโรตารี (Vane rotary type)
- คอนเดนเซอร์ (condenser) ทำหน้าที่ระบายความร้อน ทำให้สารทำความเย็นอุณหภูมิต่ำลง เปลี่ยนสถานะจาก แก๊สเป็นของเหลว
รูปคอนเดนเซอร์
- รีซีฟเวอร์ / ดรายเออร์ (receiver / dryer) ทำหน้าที่ กรองสิ่งสกปรก และ ความชื่น จากระบบ ถ้าสารทำความเย็นมีความชื่นปนอยู่ จะทำให้เกิดการกัดกร่อนชิ้นส่วนต่าง ๆ ในระบบและจะกลายเป็นน้ำแข็งในอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์ ทำให้สารทำความเย็นในระบบไหลไม่สะดวก
รูป รีซีฟเวอร์ / ดรายเออร์
- แอ็คเพนชั่นวาล์ว (expansion valve) เป็นอุปกรณ์ลิ้นควบคุมอัตราการไหลของสารทำความเย็นที่ไหลไปยังอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์มาก หรือ น้อย ตามต้องการซึ่งจะควบคุมโดยการรับสัญญาณอุณหภูมิที่ท่อทางออกของอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์
แอ็คเพนชั่นวาล์ว แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
1. แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบกำลังดันคงที่ (Constant pressure expansion valve)
2. แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบใช้ความร้อน (Thermal expansion valve)
3. แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบลูกลอย (Float valve)
* แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบใช้ความร้อน มีใช้กับเครื่องปรับอากาศรถยนต์ทั่ว ๆ ไป
- อีแว๊ปเปอร์เรเตอร์ (evaporator) เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้สารทำความเย็นเปลี่ยนสถานะกลายเป็นแก๊สสารทำความเย็นจะดูดความร้อนจากอากาศโดยรอบ ทำให้อุณหภูมิของอากาศที่ถูกเป่าเข้าไปในห้องผู้โดยสารเย็นลง
อีแว๊ปเปอร์เรเตอร์แบ่งออกเป็น2แบบคือ
- แบบแผ่นครีบรอบท่อ (plate fin type)
-แบบแผ่นท่อวกวน (serpentine type)
3.สารทำความเย็น
สารทำความเย็น หรือ ฟรีออน (freon) ทำหน้าที่เป็นสารตัวกลางสำหรับถ่ายเทความร้อนออกจากห้องโดยสาร โดยดูดซึมความร้อนเข้าสู่ตัวเองในขณะที่ อุณหภูมิ และ ความดันต่ำและถ่ายเทความร้อนออกจากตัวเองในขณะที่อุณหภูมิและความดันสูง
สารทำความเย็นแบ่งออกเป็น4ชนิด
1. อินออร์แกนิก คอมพาวด์ (inorganic compourds) เป็นสารทำความเย็น ได้แก่ พวกแอมโมเนีย ก๊าซกรดกำมะถัน และน้ำ
2. ไฮโดรคาร์บอน (hydro carbons) เป็นสารทำความเย็นประเภท มีเทน (methane) อีเทน (ethane) โปรเพน (propane) ซึ่งใช้เป็นสารทำความเย็นได้ แต่มีปัญหาเกี่ยวกับความปลอดภัย จึงใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีคอล
3. ส่วนผสมอะซีโอโทรปิก (azeotropic mixture) เป็นส่วนผสมของสารทำความเย็นที่แตกต่างกันแต่มารวมกันเป็นสารทำความเย็นชนิดเดียวกัน
4. ฮาโลจี้เนตคาร์ไบด์ (Halogenated carbide) เป็นสารทำความเย็นที่นำมาใช้ในเครื่องทำความเย็นในปัจจุบัน คือ Fluorinated hydrocarbon of methane series ซึ่งเรียกว่า สารทำความเย็น หรือ ฟรีออน สารทำความเย็นนี้มีส่วนผสมระหว่าง ฟูออรีน , คลอรีน และ มีเทน ตามสัดส่วนต่าง ๆ โดยจำแนกเป็นเบอร์เช่น R-12 , R-22 , R-500
สารทำความเย็น R-12 หรือสาร CFC (chlorinate fluorocabon) มีส่วนอย่างมากในการทำลายชั้นบรรยากาศของโลก นานาชาติได้ตกลงที่จะเลิกผลิตและยุติการใช้สารที่ทำลายสารที่ทำลายโอโซน รวมถึง R-12 ด้วยเหตุนี้ สาร R-134a ได้ถูกพัฒนานำมาใช้เป็นอีกทางเลือก สำหรับใช้แทน R-12
วงจรพื้นฐานระบบทำความเย็นแบบ Indirect Contact
ที่กล่าวมานั้นเป็นระบบทำความเย็นแบบไม่สัมผัสตรง (Indirect Contact) คือ สารทำความเย็นจะมีสารตัวกลางในการ
ทำให้อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์เย็นลง แต่ในอุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งหรืออุตสาหกรรมบางประเภทจะมีการใช้งานระบบทำ
ความเย็นแบบที่มีการสัมผัสตรง(Direct Contact) ระหว่างสารทำความเย็นกับผลิตภัณฑ์โดยตรง สารทำความเย็นเหลวจะ
สัมผัสและดึงความร้อนจากผลิตภัณฑ์เพื่อเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ ส่งผลให้อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ลดต่ำลง
ซึ่งสามารถลดต่ำลงถึงจุดเยือกแข็งได้โดยใช้เวลาเพียงสั้นๆ เท่านั้น สารทำความเย็นที่นิยมใช้คือ ไนโตรเจนเหลว(N2) และ
คาร์บอนไดออกไซด์เหลว(CO2) เราเรียกว่า Cryogenic Refrigeration ระบบนี้มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินการสูงกว่าระบบอัดไอ
แต่มีความเหมาะสมกับงานที่มีการเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์อยู่เสมอและการผลิตไม่ต่อเนื่อง
การเปรียบเทียบ R-134a กับ R-12
1. R-134a ไม่สามารถนำมาใช้ร่วมกับน้ำมันหล่อลื่นคอมเพรสเซอร์ทั่วไปได้ น้ำมันคอมเพรสเซอร์สำหรับ R-12 จะไม่ละลายใน R-134a ดังนั้นจึงไม่สามารถไหลเวียน และทำให้อายุการใช้งานของคอมเพรสเซอร์ลดลง
ตารางเปรียบเทียบน้ำมันคอมเพรสเซอร์สำหรับ R134a และ R12
* PAG: Polyalkyleneglycol (synthetic oil)
2. R-134a จะทำให้ซีลเสียหาย รวมถึงท่ออ่อนด้วย ในระบบปรับอากาศที่ใช้ R-12 จะใช้ซีลที่ทำจาก NBR (nitrile butadiene rubber) แต่ NBR จะละลายได้ใน R-134a ดังนั้นจึงใช้ RBR (rubber in behalf of R-134a) ซึ่งจะพัฒนาใช้สำหรับ R-134a ทำวัสดุใช้เป็นซีล วัสดุที่ใช้ทำท่อความดันสูงและต่ำ จะใช้ NBR แต่ถ้าเป็นระบบปรับอากาศที่ใช้ R134a สารทำความเย็นจะรั่วไหลออกมา ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนวัสดุทำท่อใหม่เพื่อใช้กับ R134a การซึมของสารทำความเย็น และน้ำจะลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการใช้ R12
3. R-134a สามารถดูดความชื้นได้มากกว่า R-12 จึงมีแนวโน้มจะเกิดสนิมภายในระบบได้ง่ายปัจจุบันสารดูดความชื่นที่ใช้จะเป็นซิลิกาเจล ถ้าต้องการดูดความชื้นออกจากวงจร R-134a จะต้องใช้ซิลิกาเจลจำนวนมาก แต่ถ้าให้ได้ผลดีสำหรับระบบที่ใช้ R-134a จะใช้สารดูดความชื้น ซีโอไลต์ แทนซิลิกาเจล รูปสารดูดความชื้น
4. ในขณะทำงานเมื่อ R-134a มีอุณหภูมิสูงขึ้น จะทำให้ความดันและภาระสูงขึ้นอย่างมาก ดังนั้น จะต้องเปลี่ยนแปลงคลัทช์แม่เหล็ก เปลี่ยนค่าต่าง ๆ เกี่ยวกับ สวิตช์ ความดันแอ็คเพนชั่นวาล์ว และ ชุดควบคุมกำลังดันอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์
4.อุณหภูมิ (Temperature)
อุณหภูมิ หมายถึง “ปริมาณของระดับความร้อน หรือความเย็นใด ๆ สามารถวัดระดับอุณหภูมิได้จาก เครื่องมือวัดที่เรียกว่า “เทอร์โมมิเตอร์ (Thermometer)”
ในการวัดอุณหภูมิในสมัยแรก ๆ นั้นทำได้ยาก เพราะว่ายังไม่มีมาตรฐานในการกำหนดสเกลอุณหภูมิ ให้เป็นที่แน่นอน การตั้งระดับสเกลอุณหภูมิในยุคแรกนั้นผู้ทดลองจะเป็นผู้ตั้งเอง ค่าที่ได้จึงไม่เหมือนกับผู้ทดลองคนอื่น และเป็นที่เข้าใจยาก เมื่อทดลองทำซ้ำหลาย ๆ ครั้งความคลาดเคลื่อนจึงมีมาก ในเวลาต่อมาได้มีการกำหนดการวัดอุณหภูมิให้เป็นสเกลมาตรฐาน โดยมีการกำหนดให้จุด ๆ หนึ่งเป็นจุดเริ่มนับอุณหภูมิ เป็น “จุดที่แน่นอน” จุดนี้จะเปลี่ยนไปตามชนิดของสสาร
จุดที่แน่นอน (Fixed point) จุดนี้เป็นอุณหภูมิเฉพาะของแต่ละสสาร เป็น “จุดร่วม 3 จุด” ที่นำมาใช้ในวิชาเทอร์โมไดนามิกส์สมัยใหม่ ในน้ำจุดร่วม 3 จุดจะอยู่ที่ 273.16 K (0°C) คือจุดเยือกแข็งของน้ำ
จุดร่วม 3 จุด (Triple point) หมายถึงสภาวะเฟสสมดุลที่กล่าวถึงในวิชาเทอร์ไดนามิกส์ ณ จุดนี้สถานะทั้งสามจะร่วมจุดเดียวกัน คือ สถานะของแข็ง ของเหลว และไอ ของสสาร ในจุดนี้ไม่มีการเปลี่ยนสถานะ มีความดัน และอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง
นายเอนเดอร์ส เซลเซียส (Anders Celsius) (พ.ศ. 2244-2287) เป็นนักดาราศาสตร์ และนักประดิษฐ์ ชาวสวีเดน เป็นคนคิดค้นหน่วยอุณหภูมิองศาเซลเซียส (°C) โดยตั้งให้น้ำเป็นมาตรฐานในการกำหนดสเกลอุณหภูมิ กำหนดให้จุดเยือกแข็งของน้ำ เท่ากับ 0°C (ถ้าในทางเทอร์โมไดนามิกส์ คือจุดร่วม 3 จุด) จุดเดือดของน้ำ เท่ากับ 100°C
นายการ์เบรียล ฟาห์เรนไฮท์ (Gabriel Fahrenheit) (พ.ศ. 2229-2279) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน เป็นคนคิดค้นหน่วยอุณหภูมิองศาฟาห์เรนไฮท์ (°F) โดยกำหนดให้จุดเยือกแข็งของน้ำ อยู่ที่ 32°F และจุดเดือดของน้ำ 212°F
วิลเลี่ยม จอห์น แม็คเควน แรงคิน (William John MacQuorn Rankine) (พ.ศ. 2363-2415) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวสก็อตแลนด์ เป็นคนคิดค้นหน่วยอุณหภูมิองศาแรงคิน (°R) เป็นหน่วยอุณหภูมิองศาสัมบูรณ์ที่จะนำไปเทียบกับอุณหภูมิองศาฟาห์เรนไฮท์ โดยจุด 0°R อยู่ที่ 459.67°F จุดเยือกแข็งของน้ำ เท่ากับ 491.67°R
วิลเลียม ทอมสัน เคลวิน (William Thomson Kelvin) (พ.ศ. 2367-2450) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวอังกฤษ เป็นผู้คิดค้นหน่วยอุณหภูมิเคลวิน (K : ไม่มีเครื่องหมายองศา) เป็นหน่วยอุณหภูมิที่ใช้ในการศึกษาในวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ โดยกำหนดให้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0K) เป็นจุดเริ่มต้น โดยไม่ได้เทียบกับสสารใด ๆ อุณหภูมิของห้องอยู่ที่ 300k
เมื่อสสารถูกเปลี่ยนสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง เช่น น้ำแข็งเปลี่ยนไปเป็นน้ำ สถานะเปลี่ยนแต่ทว่า โมเลกุลจะไม่เปลี่ยน จะมีความสัมพันธ์ของสถานะที่เกิดขึ้นนั้น ก็คือ โมเลกุลของของแข็งจะอยู่ชิดกัน เคลื่อนที่ได้ยากรูปร่างมักคงที่ไม่เปลี่ยน ส่วนโมเลกุลของของไหลโมเลกุลจะอยู่ห่างกันแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีน้อยและเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าของเหลวจึงสามารถไหลได้อย่างอิสระรูปร่างจะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ
5.กฎของก๊าซ
- ความดันกับการขยายตัวของก๊าซจะเป็นอัตราส่วนที่แน่นอนที่อุณหภูมิสัมบูรณ์
- ปริมาตร และความดันสัมบูรณ์ของก๊าซมีการเปลี่ยนแปลงในอัตราส่วนที่แน่นอน ที่อุณหภูมิสัมบูรณ์
- อุณหภูมิ และปริมาณ น้ำหนักก๊าซ มีการเปลี่ยนแปลงแบบผกผันที่ความดันสัมบูรณ์
จากทั้ง 3 ข้อที่กล่าวมาเราจะสามารถเขียนสมการได้ดังนี้
P x V = k x T
กำหนดให้ P = ความดันสัมบูรณ์ (lb/in2, N/mm2)
V = ปริมาตรจำเพาะ (ft3/lb, m3/kg)
T = อุณหภูมิสัมบูรณ์ (K)
k = ค่าคงที่ (k ของอากาศ = 0.37)
ของไหลที่ใช้ในระบบไครโอเจนิกส์
ไนโตรเจน (Nitrogen: N2)
ไนโตรเจนเหลวจัดว่าเป็นก๊าซเฉื่อย, ไม่มีสี, ไม่มีกลิ่น, ไม่กัดกร่อน, มีความเย็นยวดยิ่ง และไม่ติดไฟ อัตราการขยายตัวของไนโตรเจน 1: 694 ถ้าเกิดอุบัติเหตุรั่วไหลบริเวณนั้นจะเป็นจุดอับออกซิเจน (การละลายของก๊าซออกซิเจนในอากาศจะต่ำกว่าระดับความจำเป็นในการหล่อเลี้ยงชีวิต) จะหายใจไม่ออก และถ้าบริเวณนั้นมีสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็จะตายในที่สุด
อาร์กอนเหลวจัดว่าเป็นก๊าซเฉื่อย, ไม่มีสี, ไม่มีกลิ่น, ไม่กัดกร่อน, มีความเย็นยวดยิ่ง และไม่ติดไฟ อัตราการขยายตัวของไนโตรเจน 1: 840 ถ้าเกิดอุบัติเหตุรั่วไหลบริเวณนั้นจะเป็นจุดอับออกซิเจน จะหายใจไม่ออก และถ้าบริเวณนั้นมีสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็จะตายในที่สุด
ฮีเลี่ยม (Helium: He)
ฮีเลี่ยมเหลวจัดว่าเป็นก๊าซเฉื่อย, ไม่มีสี, ไม่มีกลิ่น, ไม่กัดกร่อน, มีความเย็นยวดยิ่ง และไม่ติดไฟ อัตราการขยายตัวของไนโตรเจน 1: 700 ถ้าเกิดอุบัติเหตุรั่วไหลบริเวณนั้นจะเป็นจุดอับออกซิเจน จะหายใจไม่ออก และถ้าบริเวณนั้นมีสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็จะตายในที่สุด
ทำการเปรียบเทียบจุดเดือดของสารทำความเย็น R-22 กับสารที่ใช้กับระบบ
ไครโอเจนิกส์
สารที่ใช้ทำความเย็น จุดเดือด
°F °C K
R-22 -41.4 -40.76 232.4
AR -297.6 -185.76 87.4
H2 -423.0 -252.73 20.43
O2 -297.3 -183.03 90.13
N2 -350.5 -195.78 77.35
He -452.1 -268.9 4.26
Ne -410.4 -245.95 27.21
ตารางที่ 3 เปรียบเทียบจุดเดือดของสารที่ใช้ทำความเย็น
6.พลังงาน (Energy)
พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงานได้ของสสาร โดยเฉพาะต้องมีแรงกระทำให้สสารเคลื่อนที่ได้ตามระยะทางที่แน่นอน หน่วยของพลังงานนั้นได้กำหนดให้เป็นหน่วยจูล (J: 1J = 1Nm) เมื่อพลังงานทำงานภายใต้เวลาที่วัดได้ เวลาก็จะมีส่วนเกี่ยวข้องกับพลังงานก็จะเป็นกำลังงาน (Power:W, 1W = 1Nm/s = 1J/s) ถ้าทำการเปรียบเทียบกำลังงานจากหน่วยวัตต์ ให้เป็นแรงม้าก็จะได้
1W = 1/746 HP (Horse Power)
หรือ 1HP = 746W
ถ้าในหน่วยของอังกฤษก็จะเป็นหน่วยทางความร้อน หรือเรียกว่าหน่วย บีทียู (British Thermal Units; BTUs) เป็นหน่วยที่นิยมใช้ในเรื่องของการทำความเย็น ความหมายของ 1BTU ก็คือ พลังงานที่ใส่ให้กับน้ำ 1 ปอนด์ ให้มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1°F
ตันความเย็นหมายถึง น้ำแข็งที่มีมวล 1ตัน (Ton; 1ton = 1000kg) สามารถละลายได้ภายใน 24 ชม. โดยใช้พลังงาน 288,000 BTU/24hr
ดังนั้นใน 1ชม. จะใช้พลังงานเท่ากับ 12000 BTU ก็จะเป็น 1ตันความเย็น
ประสิทธิภาพของระบบไครโอเจนิกส์ ขึ้นอยู่กับวิธีการส่งถ่ายพลังงานทางความร้อน และจะได้อธิบายรายละเอียดในหัวข้อต่อ ๆ ไป
การแปลงหน่วย
1 ปอนด์ (lb) = 0.4536 กิโลกรัม (kg)
1 ลูกบาศก์ฟุต (ft3) = 28.316 ลิตร (Litter) = 7.481แกลลอน (gal)
1 gal = 0.1337 ft3 = 0.0038 ลูกบาศก์เมตร (m3) = 3.785 Litter = 231 ลูกบาศก์นิ้ว(in3)
1 BTU = 1054.8 J
1 W = 3.413 BTU/hr
ฮีเลียม อุณหภูมิ 70 °F ที่1 บรรยากาศ (atm)
1 kg = 213.23 ft3
1 g = 0.21323 ft3
60 g/s = 12.7938 CFS = 767.628 CFM
อากาศที่อุณหภูมิ 70 °F ที่1 atm
1 kg = 29.42 ft3
1 g = 0.02942 ft3
60 g/s = 1.7652 CFS = 105.912 CFM
7.การส่งถ่ายความร้อน (Heat transfer)
ความร้อนสามารถเคลื่อนที่ได้ 3 รูปแบบ คือ การนำ การพา และการแผ่รังสี พฤติกรรมทางความร้อนจะเคลื่อนที่จากอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น น้ำแข็งในแก้วน้ำที่มีน้ำอยู่ น้ำจะมีอุณหภูมิสูงกว่าจึงถ่ายเทความร้อนไปที่น้ำแข็งที่มีอุณหภูมิเย็นกว่า ทำให้น้ำแข็งละลาย และหยุดถ่ายเทความร้อนต่อเมื่อมันมีอุณหภูมิที่เท่ากัน
การนำ (Conduction)
เป็นการส่งถ่ายอุณหภูมิโดยที่ตัวกลางนั้นอยู่กับที่ ยกตัวอย่างเช่น เราจับแท่งเหล็กแท่งหนึ่ง แล้วนำปลายของแท่งเหล็กนั้นไปเผาไฟ สักพักมือเราที่จับปลายอีกด้านก็จะรู้สึกถึงความร้อนที่มือ นี้คือตัวอย่างของการนำความร้อน ตัวกลางได้แก่ แท่งเหล็กที่มีความร้อนวิ่งผ่าน ส่วนตัวอย่างอื่นเช่น การนำความร้อนผ่านกำแพงบ้าน (กำแพงเป็นตัวกลาง) ความร้อนผ่านหลังคา (หลังคาเป็นตัวกลาง) ความร้อนผ่านผนังท่อ (ผนังท่อเป็นตัวกลาง)
ส่วนอัตราการนำความร้อน ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ และคุณสมบัติการนำความร้อนของวัสดุ
การพา (Convection)
เป็นการส่งถ่ายอุณหภูมิโดยที่ตัวกลางนั้นเคลื่อนที่ไปกับอุณหภูมิด้วย ยกตัวอย่างเช่น น้ำที่มีอุณหภูมิไหลผ่านท่อซึ่งน้ำจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่พาความร้อนไปกับน้ำเคลื่อนที่ไปพร้อมกัน
ส่วนอัตราการพาความร้อน ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ ความเร็วของการไหลของตัวกลาง และชนิดของของไหล
การแผ่รังสี (Radiation)
เป็นการถ่ายเทอุณหภูมิที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ยกตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก ความร้อนเคลื่อนผ่านอวกาศ ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก ผ่านบ้าน และก็มาถึงคนก็จะรู้สึกร้อน
อัตราในการแผ่รังสีความร้อน ที่มีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ ปริมาณอุณหภูมิที่แพร่ออกจากแหล่งกำเนิด แล้วนำการแพร่นั้นมาเปรียบเทียบกับวัตถุดำ (วัตถุดำเป็นวัตถุทางอุดมคติไม่มีจริงในโลกนี้ ส่วนที่เห็นว่าเป็นสีดำ ในทางวิทยาศาสตร์ไม่ถือว่าดำจริง)
ในบางครั้งเราจะพบว่า การถ่ายเทความร้อนนั้นมีได้ทั้ง 3 แบบผสมกันไป ยกตัวอย่างเช่น แท่งเหล็กที่เราเอามือจับ และนำเอาอีกด้านหนึ่งไปเผาไฟ
การนำ ก็คือความร้อนวิ่งผ่านแท่งเหล็กมาสู่มือเรา
การพา ก็คือเมื่อลมพัดผ่าน ความร้อนของแท่งเหล็กก็จะวิ่งมาหาเรา
ส่วนการแผ่รังสี ก็คือความร้อนของแท่งเหล็กแผ่ออกมาทำให้รู้สึกร้อน ถ้าลองเอากระจกไสไปกันระหว่างเรากับแท่งเหล็กร้อน เรายังรู้สึกถึงความร้อนนั้นอยู่ ความร้อนที่มาจากเหล็กร้อนนั้นเคลื่อนที่ผ่านแก้วได้
การถ่ายเทความร้อนในระบบไครโอเจนิกส์ มีอุณหภูมิที่ไหลผ่านออกมาเป็นอุณหภูมิที่สูญเสีย ในบริเวณที่ต้องการรักษาอุณหภูมิให้มีค่าคงที่ การแก้ไขในระบบไครโอเจนิกส์เพื่อไม่ให้อุณหภูมิสูญเสียนี้ ยกตัวอย่างเช่น ใช้วิธีแจ็คเก็ตสุญญากาศ (Vacuum jackets), เกราะป้องกันโดยใช้ไนโตรเจน (Nitrogen shields) ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีวิธีลดการสูญเสียของอุณหภูมิอีกหลายวิธี ขึ้นอยู่กับความชำนาญ และประสบการณ์ ของผู้ปฏิบัติงานด้านไครโอเจนิกส์
เอนทาลปี (Enthalpy)
เอนทาลปี คือปริมาณความร้อนที่ผ่านเข้าหรือออกจากระบบ เป็นกระบวนการความดันคงที่ สมการของเอนทาลปีก็คือ
H = E + PV
ได้กำหนดให้
H = เอนทาลปี
E = พลังงานภายใน
และ PV = ผลคูณของความดัน และปริมาตร
เป็นการวัดพลังงานของระบบ ต่อหน่วยมวล พร้อมทั้งทำความเข้าใจกับการเปลี่ยนแปลงทางความร้อน 3 แบบ นั้นก็คือ ความร้อนสัมผัส ความร้อนแฝง และความร้อนรวม
ความร้อนสัมผัส (Sensible heat)
เป็นการเปลี่ยนอุณหภูมิของสสาร โดยที่สสารนั้นไม่มีการเปลี่ยนสถานะ ยกตัวอย่างเช่น การต้มน้ำ 1 ปอนด์ ให้มีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 0°C (32°F) ถึง 100°C (212°F) น้ำจะไม่เปลี่ยนสถานะจากน้ำร้อนกลายเป็นไอน้ำ ความร้อนที่ใช้ประมาณ 180BTU
ความร้อนแฝง (Latent heat)
เป็นความร้อนที่เปลี่ยนสถานะของสสารเช่น จากของแข็งเป็นของเหลว ของเหลวเป็นไอ ในช่วงเปลี่ยนสถานะนี้อุณหภูมิที่ใช้มีค่าคงที่ เช่น น้ำ 1 ปอนด์ที่อุณหภูมิ 0°C มีสถานะอยู่ระหว่างน้ำแข็ง กับน้ำ ความร้อนที่ใช้ประมาณ 140BTU ส่วนการทำให้เป็นไอ โดยน้ำ 1 ปอนด์ ที่อุณหภูมิ 100°C มีสถานะอยู่ระหว่างน้ำกับไอน้ำ ความร้อนที่ใช้ประมาณ 970 BTU
ความร้อนรวม (Total heat)
เป็นผลรวมของความร้อนสัมผัส และความร้อนแฝง อย่างตัวอย่างที่ได้กล่าวข้างต้น
ความร้อนสัมผัสที่ทำให้น้ำไม่เปลี่ยนสถานะประมาณ 180 BTU
รวมกับความร้อนแฝงที่ทำให้น้ำแข็งไปเป็นน้ำ 140BTU
และรวมกับความร้อนแฝงที่ทำให้น้ำไปเป็นไอน้ำ 970 BTU
ดังนั้นความร้อนรวมจะได้ = 180+140+970 = 1290 BTU/น้ำ 1ปอนด์ หรือใช้กำลังงานทั้งหมด 378W
8.กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
ในการทำงานเกี่ยวกับอุณหภูมิกฎของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นมีความจำเป็นต้องกล่าวถึงเสมอ ในวิชาไครโอเจนิกส์กฎทางเทอร์โมไดนามิกส์มีความสำคัญอย่างมาก
กฎ 2 ข้อแรก จะมีการผสมผสานเชื่อมโยงถึงกัน พลังงานจะไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ตามกฎอนุรักษ์พลังงาน ในกฎข้อแรกจะกล่าวถึงพลังงานที่ป้อนเข้าไปก็จะเท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่เป็นเช่นนั้น ในการทำงานจริงเราจะพบว่า
1. พลังงานที่ให้ไปกับงานที่ออกมาจะไม่เท่ากัน สาเหตุเนื่องจากมีการสูญเสียประสิทธิภาพทางความร้อนเกิดขึ้น
2. ไม่มีเครื่องกลใด ๆในโลกนี้ที่สามารถทำงานให้ได้มีประสิทธิภาพ 100% เต็ม
ทั้ง 2 ข้อนี้ครอบคลุมการทำงานของเครื่องจักร หรือระบบทุกชนิด ในข้อแรกนั้นตามความเป็นจริงแล้วพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลาย ตามกฎอนุรักษ์พลังงาน ในทางจินตนาการนั้นพลังงานที่ป้อนเข้าไปจะได้เท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่ได้เป็นเช่นนั้น เพราะมีการสูญเสียเกิดขึ้น ส่วนในข้อที่ 2 ไม่มีทางเป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานได้เต็มที่ อันเนื่องมาจากการสูญเสียในรูปแบบต่าง ๆ เช่น สูญเสียทางความร้อน สูญเสียจากแรงเสียดทานทางกล จุดข้อต่อที่มีมากทำให้ประสิทธิภาพทางกลต่ำ (อันเกิดจากการเคลื่อนไหวของเครื่องจักรกล)
ในความจริงงานที่เกิดขึ้นจะต้องอาศัยแรงที่ป้อนเข้าไปจนได้ระยะทาง เพื่อให้เกิดงาน ถ้าไม่มีแรงกระทำก็ไม่มีงาน ไม่ว่าจะเป็นแรงที่เกิดจากการกระทำของธรรมชาติ หรือแรงที่เกิดจากกระทำของมนุษย์ เราจะพบว่าความร้อนไม่สามารถเคลื่อนที่จากส่วนที่เย็นไปสู่ส่วนที่ร้อนได้โดยไม่มีการให้พลังงานเข้าไป ส่วนข้างล่างนี้เป็นตัวอย่างในกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ที่เกี่ยวกับงาน
• ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่ร้อนเข้าไปสู่บริเวณที่เย็นเสมอ
• ก๊าซจะไหลจากบริเวณที่มีความดันสูงไปสู่ที่มีความดันต่ำเสมอ
• ก๊าซ 2 ชนิดที่ไหลกระจายในบริเวณเดียวกันจะผสมกันเสมอ
• น้ำเกลือ สามารถแยกน้ำออกจากเกลือได้โดยให้พลังงานความร้อน
• การเกิดขึ้นของสนิมเหล็ก
• การแตกละเอียดของก้อนหิน
จากตัวอย่างที่กล่าวมานี้เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ ที่แสดงความหมายของกฎข้อที่ 2 ทางเทอร์โมไดนามิกส์ (ที่อ้างอิงถึง เอ็นโทรปี (Entropy): การวัดระดับของความผิดปกติในสสาร หรือระบบ: เอ็นโทรปีจะเพิ่มขึ้นเสมอ และขณะเดียวกันพลังงานก็จะลดลงในระบบปิด ขณะที่อยู่ในพื้นที่กว้าง)
ในการทำงานจริงประสิทธิภาพที่ได้ จะน้อยกว่า งานที่คิดได้จากวัฏจักรคาร์โนด และในสมการนี้สามารถคำนวณพลังงานเพื่อให้ความเย็นมีอุณหภูมิเข้าสู่ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ซึ่งจะเป็นไปตามกฎข้อที่ 3 ของเทอร์โมไดนามิกส์ ที่สามารถนำมาใช้ในระบบไครโอเจนิกส์
ฮีเลียมเหลว
ในบรรดาก๊าซทั้งหมดที่นำมาทำของเหลว ฮีเลียมจัดได้ว่าเป็นก๊าซที่ทำเป็นของเหลวได้ยากที่สุด เพราะฮีเลียมเป็นสารที่มีจุดเดือดที่ต่ำมาก ๆ คือ 4.2 K เท่านั้นเอง และการทำความเย็นแบบจูล-ทอมสันสามารถทำให้ฮีเลียมทำความเย็นได้ประมาณ 40 K ฮีเลียมจึงเป็นสารที่เหมาะที่จะนำมาใช้ในห้องปฏิบัติการ เนื่องจากว่า ฮีเลียมมีราคาสูง หายาก และต้องใช้เครื่องกลที่ซับซ้อนในการควบคุม จะนำมาใช้ก็ต่อเมื่อมีความจำเป็นจริง ๆ ในการวิจัยจำเป็นที่จะต้องใช้ผลของจูลทอมสันมาทำการอ้างอิงผลที่ได้จากการคำนวณเสมอ
อะตอมของฮีเลียมมีสมมาตรเป็นทรงกลม และมีขนาดที่เล็กกว่าธาตุอื่น ๆ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมเป็นแรงวัน เดอร์ วาว (Van der Waals Forces) ซึ่งเกิดจากขั้วอะตอมที่ตรงกันข้ามมาชิดกัน เป็นแรงดึงดูดอย่างอ่อนระหว่างอะตอมอิเล็กตรอน และโมเลกุลของฮีเลียม จึงทำให้ฮีเลียมมีสถานภาพอ่อนแอกว่าธาตุอื่น ดังนั้นก๊าซฮีเลียมสามารถทำอุณหภูมิถึงจุดวิกฤติได้ และจุดเดือดของฮีเลียมจึงต่ำที่สุดในธาตุทั้งหมด
ในการวิจัยทางไครโอเจนิกส์นั้นจะใช้ฮีเลียม 2 ไอโซโทป มาใช้งาน ก็คือ 3He และ 4He ฮีเลียมทั้ง 2 แบบนั้นสามารถที่จะทำความเย็นได้ต่ำที่สุด ภายใต้สภาวะความดันไออิ่มตัว
ฮีเลี่ยมที่ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศของโลกเป็นอันตรายอย่างมาก ปัจจุบันจึงไม่ปล่อยฮีเลียมออกสู่ชั้นบรรยากาศ แต่จะใช้วิธีส่งเก็บเข้าไปในท่อพัก และนำกลับมาใช้ใหม่
9.วัฏจักรการทำความเย็น
วัฏจักรการทำความเย็นที่แสดงในที่นี้เป็นระบบการใช้น้ำยา R-22 มีส่วนประกอบที่สำคัญได้แก่ เครื่องอัด และเอ็กแพนชั่นวาล์ว วาล์วนี้จะเป็นเขตแบ่งกันระหว่างด้านความดันสูง และด้านความดันต่ำ
มันเป็นวัฏจักรการทำงานที่ย้อนกลับได้ เป็นระบบปิด สามารถแปรเปลี่ยนพลังงานจากระดับต่ำไปสู่ระดับที่สูง ซึ่งตรงข้ามกับพลังงานทางธรรมชาติ ที่เปลี่ยนจากพลังงานระดับสูง ไปสู่พลังงานที่มีระดับต่ำ ในวัฏจักรการทำความเย็นจึงต้องมีการป้อนพลังงานเข้าไปในวัฏจักรเสมอเพื่อชดเชยกับงานที่ต้องเสียไปในรูปของความร้อน ประสิทธิภาพจึงไม่ได้ 100 % นอกจากนี้ประสิทธิภาพยังขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ และการทำงานของอุปกรณ์แต่ละชนิดอีกด้วย
หลักการทำความเย็นขั้นพื้นฐานทั่วไปสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับการทำความเย็นที่เป็นระบบไครโอเจนิกส์ได้อย่างดี
เครื่องอัด (Compressor)
เครื่องอัดเป็นตัวเพิ่มพลังงานของสารจากก๊าซที่มีความดันต่ำ, อุณหภูมิต่ำ ไปเป็นของก๊าซที่มีความดันสูง, อุณหภูมิสูง สารจะไหลไปตามท่อทางไปที่เครื่องควบแน่น
เครื่องควบแน่น (Condensor)
เครื่องควบแน่นเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนของสารความเย็น กล่าวง่าย ๆ ก็คือทำหน้าที่ลดอุณหภูมิของสารความเย็น ที่มาจากเครื่องอัด จากก๊าซไปเป็นของเหลวที่เย็นตัวลง แต่ความดันยังสูงอยู่
เอ็กแพนชั่นวาล์วทางความร้อน (Thermal expansion valve)
หน้าที่ง่าย ๆของเอ็กแพนชั่นวาล์ว ก็คือจะทำหน้าที่ขยายของเหลว ไปเป็นก๊าซเย็นอย่างฉับพลัน ลักษณะของเอ็กแพนชั่นวาล์ว คือการลดพื้นที่หน้าตัดของท่อทางสารทำความเย็น นอกจากนี้ก็ยังมี ท่อขนาดเล็ก (Capillary tube) ที่ทำหน้าที่คล้ายกัน
อีแวปเปอเรเตอร์ (Evaporator)
อีแวปเปอเรเตอร์เป็นการแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งจากก๊าซเย็นที่มาจากเอ็กแพนชั่นวาล์วไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับพื้นที่ที่ต้องการทำความเย็น (ยกตัวอย่างพื้นที่ที่ต้องการให้เย็นเช่น ภายในตู้เย็น, ภายในห้องปรับอากาศ ของไหลที่ไหลเวียนภายในห้องทำความเย็นจะเป็นอากาศ)
อุปกรณ์ทั้ง 4 ที่กล่าวมานี้เป็นส่วนที่สำคัญของการทำความเย็น ไม่สามารถขาดได้ นอกเหนือจากนี้ก็ยังมีอุปกรณ์เสริมอีกมากมาย เช่น ถังพักน้ำยา (Receiver tank) ตาแมว (sign glass) และเทคนิคการโค้งงอท่อ แต่จะไม่กล่าวรายละเอียดในที่นี้
มีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนหลายชนิดที่ใช้ในระบบไครโอเจนิกส์ ในรูปแสดงหลักการในการแลกเปลี่ยนความร้อน ที่ใช้ในส่วนหลัก จนกระทั่งถูกพัฒนาไปถึงนำไปใช้ในระบบทำความเย็นของดาวเทียม โครงสร้างของการแลกเปลี่ยนความร้อนนี้ ปกติอ้างถึงท่อ และเปลือกของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
ท่อ และเปลือกของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Tube &Shell Heat Exchangers)
ตัวของท่อทางส่งสารจะมีครีบทองแดงติดอยู่ ซึ่งมีลักษณะที่วนรอบท่อ ตลอดความยาวในอุปกรณ์แลกเปลี่ยน คล้ายสันเกลียวเลื้อยท่อ และที่จะวกไปวนมาภายในเปลือกอุปกรณ์ การแลกเปลี่ยนความร้อนทำได้โดยการพาจากของไหลที่ไหลผ่านผิวสัมผัสครีบทองแดง และโดยการนำโดยความร้อนไหลจากท่อออกสู่ผนัง ส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ในภาชนะที่เป็นสุญญากาศ และเป็นฉนวนอย่างดีจะเกิดการสูญเสียความร้อนได้น้อยที่จะไหลออกสู่ภายนอก
การไหลสวนทาง (Counter Flow)
T°in = S°out และ T°out = S° in
ในการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ดี เส้นการไหลจะมีการไหลสวนทางกันเพื่อการแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพถึง 100% การจ่ายด้านอุณหภูมิทางออกจะเท่ากับอุณหภูมิด้านขาเข้า และการจ่ายด้านอุณหภูมิด้านทางเข้าจะเท่ากับอุณหภูมิด้านขาออก เป็นที่น่าเสียดาย ไม่มีผลการแลกเปลี่ยนความร้อนที่สมบูรณ์แบบ จะต้องมีการสูญเสียเสมอเนื่องจากประสิทธิภาพของฉนวนต่ำ, สุญญากาศที่ไม่ดี และการส่งถ่ายความร้อนที่วิ่งผ่านวัสดุเช่นทองแดง
10.ระบบทำความเย็น
ระบบทำความเย็นส่วนมากใช้ในการปรับอากาศ เพื่อควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น การไหลเวียน คุณภาพและความสะอาดของอากาศ รวมทั้งควบคุมเสียงรบกวน เพื่อให้เกิดความสบายและเป็นผลดีต่อสุขภาพของผู้ที่ทำงานในพื้นที่นั้นๆ นอกจากนั้น ระบบทำความเย็นยังมีความสำคัญในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งที่ต้องการความเย็นเก็บรักษาอาหาร ให้มีความสดเป็นเวลานาน
การทำงานของระบบทำความเย็นใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นหลัก จากการสำรวจพบว่า ระบบปรับอากาศที่ใช้ในอาคารขนาดใหญ่ ใช้พลังงานฟ้าประมาณครึ่งหนึ่งของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมด เช่น โรงพยาบาล โรงแรม เช่นเดียวกับภาคอุตสาหกรรมก็มีใช้ระบบทำความเย็นและระบบปรับอากาศในกระบวนการผลิตต่างๆ เหมือนกัน
เครื่องทำความเย็น
เครื่องทำความเย็นสร้างความเย็นโดยอาศัยคุณสมบัติดูดซับความร้อนของสารทำความเย็นหรือน้ำยาทำความเย็น (Liquid Refrigerant) มีหลักการทำงาน คือ ปล่อยสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวจากถังบรรจุไปตามท่อ เมื่อสารเหลวเหล่านี้ไหลผ่านวาล์วเปิด-ปิด จะถูกทำให้มีความดันสูงขึ้น ความดันจะต่ำลงเมื่อรับความร้อนและระเหยเป็นไอ (Evaporate) ที่ทำให้เกิดความเย็นขึ้นภายในพื้นที่ปรับอากาศ ดังแสดงในรูป
เครื่องทำความเย็นข้างต้น เป็นระบบที่ใช้เฉพาะในโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องการทำความเย็นอย่างรวดเร็วเท่านั้น ในเครื่องทำความเย็นทั่วไปจะออกแบบให้สามารถนำสารทำความเย็นที่ระเหยเป็นแก๊สกลับมาใช้หมุนเวียนได้อีกโดยใช้คอมเพลสเซอร์ (Compressor) เป็นตัวอัดสารทำความเย็นที่เป็นแก๊ส แล้วนำมาระบายความร้อนให้เกิดการกลั่นตัวเป้นของเหลวอีกครั้งแล้วส่งกลับไปเข้าถังบรรจุสารทำความเย็นใหม่ ตู้เย็นได้ใช้ระบบทำความเย็นแบบนี้ ดังแสดงในรูป
แก๊สที่ออกจากคอยล์เย็น (Evaporator) จะมีความดันต่ำ คอมเพลสเซอร์ (Compressor)
ข้อมูลโครงการสิ่งประดิษฐ์เครื่องถ่ายน้ำยาแอร์
มีหลักการค้นคว้าดังต่อไปนี้
1.หลักการทำความเย็นเบื้องต้น
2.ส่วนประกอบของเครื่องปรับอากาศโดยทั่วไป
3.สารทำความเย็น
4.อุณหภูมิ
5.กฎของก๊าซ
6.พลังงาน
7.การส่งถ่ายความร้อน
8.กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
9.วัฎจักรการทำความเย็น
10.ระบบทำความเย็น
11.การบำรุงรักษา
12.คำจำกัดความของคำว่า BTU
13.บทสรุป
เนื้อหาโครงการ
1.หลักการทำความเย็นเบื้องต้น
หลักการทำงานของระบบการทำความเย็นในเครื่องปรับอากาศรถยนต์เป็นระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (vapor compression system) โดยคอมเพรสเซอร์ (compressor) ทำหน้าที่ดูดสารทำความเย็นจากอีแว็ปเปอร์เรเตอร์ (evaporator) สารทำความเย็นในขณะนั้นยังมีสถานะเป็นแก๊สและคอมเพรสเซอร์(compressor)ยังทำหน้าที่อัดสารทำความเย็นออกไปที่คอนเดนเซอร์(condenser)ทำให้สารทำความเย็นมีอุณหภูมิและความดันเพิ่มสูงขึ้นเมื่อสารทำความเย็นไหลผ่านคอนเดนเซอร์(condenser)จะทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจากนั้นสารทำความเย็นไหลต่อไปยังรีซีฟเวอร์/ดรายเออร์(receiver/dryer)เพื่อกรองสิ่งสกปรกและความชื้นที่ปนเปื้อนในสารทำความเย็นสารทำความเย็นไหลไปที่ แอ็คเพนชั่นวาล์ว(expansion valve)แล้วฉีดเป็นฝอยละอองเข้าไปใน อีแว๊ปเปอร์เรเตอร์(evaporator)ทำให้สารทำความเย็นมีความดันต่ำและดูดความร้อนจากภายนอก เพื่อให้ตัวมันเองมีสถานะกลายเป็นแก๊ส ทำให้อุณหภูมิภายนอกลดลง หลังจากนั้นสารทำความเย็นที่เป็นแก๊สจะถูกดูดเข้าไปในคอมเพรสเซอร์ (compressor) เพื่อเริ่มต้นการทำงานใหม่อีกครั้ง
2.ส่วนประกอบของเครื่องปรับอากาศโดยทั่วๆไป
- คอมเพรสเซอร์ (compressor) เป็นอุปกรณ์ที่ดูดสารทำความเย็นจากอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์ และเพิ่มแรงดันให้สารทำความเย็นที่ส่งไปยังคอนเดนเซอร์ โดยมีความดันมากกว่า14.1กก./ตร.ซม
คอมเพรสเซอร์แบ่งออกเป็น3ชนิดคือ
1.แบบรีซิโพรเคติ้ง(reciprocatingtype)
2.แบบสวอชเพลต(swashplatetype)
3. แบบเวนโรตารี (Vane rotary type)
- คอนเดนเซอร์ (condenser) ทำหน้าที่ระบายความร้อน ทำให้สารทำความเย็นอุณหภูมิต่ำลง เปลี่ยนสถานะจาก แก๊สเป็นของเหลว
รูปคอนเดนเซอร์
- รีซีฟเวอร์ / ดรายเออร์ (receiver / dryer) ทำหน้าที่ กรองสิ่งสกปรก และ ความชื่น จากระบบ ถ้าสารทำความเย็นมีความชื่นปนอยู่ จะทำให้เกิดการกัดกร่อนชิ้นส่วนต่าง ๆ ในระบบและจะกลายเป็นน้ำแข็งในอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์ ทำให้สารทำความเย็นในระบบไหลไม่สะดวก
รูป รีซีฟเวอร์ / ดรายเออร์
- แอ็คเพนชั่นวาล์ว (expansion valve) เป็นอุปกรณ์ลิ้นควบคุมอัตราการไหลของสารทำความเย็นที่ไหลไปยังอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์มาก หรือ น้อย ตามต้องการซึ่งจะควบคุมโดยการรับสัญญาณอุณหภูมิที่ท่อทางออกของอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์
แอ็คเพนชั่นวาล์ว แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
1. แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบกำลังดันคงที่ (Constant pressure expansion valve)
2. แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบใช้ความร้อน (Thermal expansion valve)
3. แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบลูกลอย (Float valve)
* แอ็คเพนชั่นวาล์วแบบใช้ความร้อน มีใช้กับเครื่องปรับอากาศรถยนต์ทั่ว ๆ ไป
- อีแว๊ปเปอร์เรเตอร์ (evaporator) เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้สารทำความเย็นเปลี่ยนสถานะกลายเป็นแก๊สสารทำความเย็นจะดูดความร้อนจากอากาศโดยรอบ ทำให้อุณหภูมิของอากาศที่ถูกเป่าเข้าไปในห้องผู้โดยสารเย็นลง
อีแว๊ปเปอร์เรเตอร์แบ่งออกเป็น2แบบคือ
- แบบแผ่นครีบรอบท่อ (plate fin type)
-แบบแผ่นท่อวกวน (serpentine type)
3.สารทำความเย็น
สารทำความเย็น หรือ ฟรีออน (freon) ทำหน้าที่เป็นสารตัวกลางสำหรับถ่ายเทความร้อนออกจากห้องโดยสาร โดยดูดซึมความร้อนเข้าสู่ตัวเองในขณะที่ อุณหภูมิ และ ความดันต่ำและถ่ายเทความร้อนออกจากตัวเองในขณะที่อุณหภูมิและความดันสูง
สารทำความเย็นแบ่งออกเป็น4ชนิด
1. อินออร์แกนิก คอมพาวด์ (inorganic compourds) เป็นสารทำความเย็น ได้แก่ พวกแอมโมเนีย ก๊าซกรดกำมะถัน และน้ำ
2. ไฮโดรคาร์บอน (hydro carbons) เป็นสารทำความเย็นประเภท มีเทน (methane) อีเทน (ethane) โปรเพน (propane) ซึ่งใช้เป็นสารทำความเย็นได้ แต่มีปัญหาเกี่ยวกับความปลอดภัย จึงใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีคอล
3. ส่วนผสมอะซีโอโทรปิก (azeotropic mixture) เป็นส่วนผสมของสารทำความเย็นที่แตกต่างกันแต่มารวมกันเป็นสารทำความเย็นชนิดเดียวกัน
4. ฮาโลจี้เนตคาร์ไบด์ (Halogenated carbide) เป็นสารทำความเย็นที่นำมาใช้ในเครื่องทำความเย็นในปัจจุบัน คือ Fluorinated hydrocarbon of methane series ซึ่งเรียกว่า สารทำความเย็น หรือ ฟรีออน สารทำความเย็นนี้มีส่วนผสมระหว่าง ฟูออรีน , คลอรีน และ มีเทน ตามสัดส่วนต่าง ๆ โดยจำแนกเป็นเบอร์เช่น R-12 , R-22 , R-500
สารทำความเย็น R-12 หรือสาร CFC (chlorinate fluorocabon) มีส่วนอย่างมากในการทำลายชั้นบรรยากาศของโลก นานาชาติได้ตกลงที่จะเลิกผลิตและยุติการใช้สารที่ทำลายสารที่ทำลายโอโซน รวมถึง R-12 ด้วยเหตุนี้ สาร R-134a ได้ถูกพัฒนานำมาใช้เป็นอีกทางเลือก สำหรับใช้แทน R-12
วงจรพื้นฐานระบบทำความเย็นแบบ Indirect Contact
ที่กล่าวมานั้นเป็นระบบทำความเย็นแบบไม่สัมผัสตรง (Indirect Contact) คือ สารทำความเย็นจะมีสารตัวกลางในการ
ทำให้อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์เย็นลง แต่ในอุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งหรืออุตสาหกรรมบางประเภทจะมีการใช้งานระบบทำ
ความเย็นแบบที่มีการสัมผัสตรง(Direct Contact) ระหว่างสารทำความเย็นกับผลิตภัณฑ์โดยตรง สารทำความเย็นเหลวจะ
สัมผัสและดึงความร้อนจากผลิตภัณฑ์เพื่อเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ ส่งผลให้อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ลดต่ำลง
ซึ่งสามารถลดต่ำลงถึงจุดเยือกแข็งได้โดยใช้เวลาเพียงสั้นๆ เท่านั้น สารทำความเย็นที่นิยมใช้คือ ไนโตรเจนเหลว(N2) และ
คาร์บอนไดออกไซด์เหลว(CO2) เราเรียกว่า Cryogenic Refrigeration ระบบนี้มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินการสูงกว่าระบบอัดไอ
แต่มีความเหมาะสมกับงานที่มีการเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์อยู่เสมอและการผลิตไม่ต่อเนื่อง
การเปรียบเทียบ R-134a กับ R-12
1. R-134a ไม่สามารถนำมาใช้ร่วมกับน้ำมันหล่อลื่นคอมเพรสเซอร์ทั่วไปได้ น้ำมันคอมเพรสเซอร์สำหรับ R-12 จะไม่ละลายใน R-134a ดังนั้นจึงไม่สามารถไหลเวียน และทำให้อายุการใช้งานของคอมเพรสเซอร์ลดลง
ตารางเปรียบเทียบน้ำมันคอมเพรสเซอร์สำหรับ R134a และ R12
* PAG: Polyalkyleneglycol (synthetic oil)
2. R-134a จะทำให้ซีลเสียหาย รวมถึงท่ออ่อนด้วย ในระบบปรับอากาศที่ใช้ R-12 จะใช้ซีลที่ทำจาก NBR (nitrile butadiene rubber) แต่ NBR จะละลายได้ใน R-134a ดังนั้นจึงใช้ RBR (rubber in behalf of R-134a) ซึ่งจะพัฒนาใช้สำหรับ R-134a ทำวัสดุใช้เป็นซีล วัสดุที่ใช้ทำท่อความดันสูงและต่ำ จะใช้ NBR แต่ถ้าเป็นระบบปรับอากาศที่ใช้ R134a สารทำความเย็นจะรั่วไหลออกมา ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนวัสดุทำท่อใหม่เพื่อใช้กับ R134a การซึมของสารทำความเย็น และน้ำจะลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการใช้ R12
3. R-134a สามารถดูดความชื้นได้มากกว่า R-12 จึงมีแนวโน้มจะเกิดสนิมภายในระบบได้ง่ายปัจจุบันสารดูดความชื่นที่ใช้จะเป็นซิลิกาเจล ถ้าต้องการดูดความชื้นออกจากวงจร R-134a จะต้องใช้ซิลิกาเจลจำนวนมาก แต่ถ้าให้ได้ผลดีสำหรับระบบที่ใช้ R-134a จะใช้สารดูดความชื้น ซีโอไลต์ แทนซิลิกาเจล รูปสารดูดความชื้น
4. ในขณะทำงานเมื่อ R-134a มีอุณหภูมิสูงขึ้น จะทำให้ความดันและภาระสูงขึ้นอย่างมาก ดังนั้น จะต้องเปลี่ยนแปลงคลัทช์แม่เหล็ก เปลี่ยนค่าต่าง ๆ เกี่ยวกับ สวิตช์ ความดันแอ็คเพนชั่นวาล์ว และ ชุดควบคุมกำลังดันอีแว๊ปเปอร์เรเตอร์
4.อุณหภูมิ (Temperature)
อุณหภูมิ หมายถึง “ปริมาณของระดับความร้อน หรือความเย็นใด ๆ สามารถวัดระดับอุณหภูมิได้จาก เครื่องมือวัดที่เรียกว่า “เทอร์โมมิเตอร์ (Thermometer)”
ในการวัดอุณหภูมิในสมัยแรก ๆ นั้นทำได้ยาก เพราะว่ายังไม่มีมาตรฐานในการกำหนดสเกลอุณหภูมิ ให้เป็นที่แน่นอน การตั้งระดับสเกลอุณหภูมิในยุคแรกนั้นผู้ทดลองจะเป็นผู้ตั้งเอง ค่าที่ได้จึงไม่เหมือนกับผู้ทดลองคนอื่น และเป็นที่เข้าใจยาก เมื่อทดลองทำซ้ำหลาย ๆ ครั้งความคลาดเคลื่อนจึงมีมาก ในเวลาต่อมาได้มีการกำหนดการวัดอุณหภูมิให้เป็นสเกลมาตรฐาน โดยมีการกำหนดให้จุด ๆ หนึ่งเป็นจุดเริ่มนับอุณหภูมิ เป็น “จุดที่แน่นอน” จุดนี้จะเปลี่ยนไปตามชนิดของสสาร
จุดที่แน่นอน (Fixed point) จุดนี้เป็นอุณหภูมิเฉพาะของแต่ละสสาร เป็น “จุดร่วม 3 จุด” ที่นำมาใช้ในวิชาเทอร์โมไดนามิกส์สมัยใหม่ ในน้ำจุดร่วม 3 จุดจะอยู่ที่ 273.16 K (0°C) คือจุดเยือกแข็งของน้ำ
จุดร่วม 3 จุด (Triple point) หมายถึงสภาวะเฟสสมดุลที่กล่าวถึงในวิชาเทอร์ไดนามิกส์ ณ จุดนี้สถานะทั้งสามจะร่วมจุดเดียวกัน คือ สถานะของแข็ง ของเหลว และไอ ของสสาร ในจุดนี้ไม่มีการเปลี่ยนสถานะ มีความดัน และอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง
นายเอนเดอร์ส เซลเซียส (Anders Celsius) (พ.ศ. 2244-2287) เป็นนักดาราศาสตร์ และนักประดิษฐ์ ชาวสวีเดน เป็นคนคิดค้นหน่วยอุณหภูมิองศาเซลเซียส (°C) โดยตั้งให้น้ำเป็นมาตรฐานในการกำหนดสเกลอุณหภูมิ กำหนดให้จุดเยือกแข็งของน้ำ เท่ากับ 0°C (ถ้าในทางเทอร์โมไดนามิกส์ คือจุดร่วม 3 จุด) จุดเดือดของน้ำ เท่ากับ 100°C
นายการ์เบรียล ฟาห์เรนไฮท์ (Gabriel Fahrenheit) (พ.ศ. 2229-2279) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน เป็นคนคิดค้นหน่วยอุณหภูมิองศาฟาห์เรนไฮท์ (°F) โดยกำหนดให้จุดเยือกแข็งของน้ำ อยู่ที่ 32°F และจุดเดือดของน้ำ 212°F
วิลเลี่ยม จอห์น แม็คเควน แรงคิน (William John MacQuorn Rankine) (พ.ศ. 2363-2415) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวสก็อตแลนด์ เป็นคนคิดค้นหน่วยอุณหภูมิองศาแรงคิน (°R) เป็นหน่วยอุณหภูมิองศาสัมบูรณ์ที่จะนำไปเทียบกับอุณหภูมิองศาฟาห์เรนไฮท์ โดยจุด 0°R อยู่ที่ 459.67°F จุดเยือกแข็งของน้ำ เท่ากับ 491.67°R
วิลเลียม ทอมสัน เคลวิน (William Thomson Kelvin) (พ.ศ. 2367-2450) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวอังกฤษ เป็นผู้คิดค้นหน่วยอุณหภูมิเคลวิน (K : ไม่มีเครื่องหมายองศา) เป็นหน่วยอุณหภูมิที่ใช้ในการศึกษาในวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ โดยกำหนดให้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0K) เป็นจุดเริ่มต้น โดยไม่ได้เทียบกับสสารใด ๆ อุณหภูมิของห้องอยู่ที่ 300k
เมื่อสสารถูกเปลี่ยนสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง เช่น น้ำแข็งเปลี่ยนไปเป็นน้ำ สถานะเปลี่ยนแต่ทว่า โมเลกุลจะไม่เปลี่ยน จะมีความสัมพันธ์ของสถานะที่เกิดขึ้นนั้น ก็คือ โมเลกุลของของแข็งจะอยู่ชิดกัน เคลื่อนที่ได้ยากรูปร่างมักคงที่ไม่เปลี่ยน ส่วนโมเลกุลของของไหลโมเลกุลจะอยู่ห่างกันแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีน้อยและเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าของเหลวจึงสามารถไหลได้อย่างอิสระรูปร่างจะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ
5.กฎของก๊าซ
- ความดันกับการขยายตัวของก๊าซจะเป็นอัตราส่วนที่แน่นอนที่อุณหภูมิสัมบูรณ์
- ปริมาตร และความดันสัมบูรณ์ของก๊าซมีการเปลี่ยนแปลงในอัตราส่วนที่แน่นอน ที่อุณหภูมิสัมบูรณ์
- อุณหภูมิ และปริมาณ น้ำหนักก๊าซ มีการเปลี่ยนแปลงแบบผกผันที่ความดันสัมบูรณ์
จากทั้ง 3 ข้อที่กล่าวมาเราจะสามารถเขียนสมการได้ดังนี้
P x V = k x T
กำหนดให้ P = ความดันสัมบูรณ์ (lb/in2, N/mm2)
V = ปริมาตรจำเพาะ (ft3/lb, m3/kg)
T = อุณหภูมิสัมบูรณ์ (K)
k = ค่าคงที่ (k ของอากาศ = 0.37)
ของไหลที่ใช้ในระบบไครโอเจนิกส์
ไนโตรเจน (Nitrogen: N2)
ไนโตรเจนเหลวจัดว่าเป็นก๊าซเฉื่อย, ไม่มีสี, ไม่มีกลิ่น, ไม่กัดกร่อน, มีความเย็นยวดยิ่ง และไม่ติดไฟ อัตราการขยายตัวของไนโตรเจน 1: 694 ถ้าเกิดอุบัติเหตุรั่วไหลบริเวณนั้นจะเป็นจุดอับออกซิเจน (การละลายของก๊าซออกซิเจนในอากาศจะต่ำกว่าระดับความจำเป็นในการหล่อเลี้ยงชีวิต) จะหายใจไม่ออก และถ้าบริเวณนั้นมีสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็จะตายในที่สุด
อาร์กอนเหลวจัดว่าเป็นก๊าซเฉื่อย, ไม่มีสี, ไม่มีกลิ่น, ไม่กัดกร่อน, มีความเย็นยวดยิ่ง และไม่ติดไฟ อัตราการขยายตัวของไนโตรเจน 1: 840 ถ้าเกิดอุบัติเหตุรั่วไหลบริเวณนั้นจะเป็นจุดอับออกซิเจน จะหายใจไม่ออก และถ้าบริเวณนั้นมีสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็จะตายในที่สุด
ฮีเลี่ยม (Helium: He)
ฮีเลี่ยมเหลวจัดว่าเป็นก๊าซเฉื่อย, ไม่มีสี, ไม่มีกลิ่น, ไม่กัดกร่อน, มีความเย็นยวดยิ่ง และไม่ติดไฟ อัตราการขยายตัวของไนโตรเจน 1: 700 ถ้าเกิดอุบัติเหตุรั่วไหลบริเวณนั้นจะเป็นจุดอับออกซิเจน จะหายใจไม่ออก และถ้าบริเวณนั้นมีสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็จะตายในที่สุด
ทำการเปรียบเทียบจุดเดือดของสารทำความเย็น R-22 กับสารที่ใช้กับระบบ
ไครโอเจนิกส์
สารที่ใช้ทำความเย็น จุดเดือด
°F °C K
R-22 -41.4 -40.76 232.4
AR -297.6 -185.76 87.4
H2 -423.0 -252.73 20.43
O2 -297.3 -183.03 90.13
N2 -350.5 -195.78 77.35
He -452.1 -268.9 4.26
Ne -410.4 -245.95 27.21
ตารางที่ 3 เปรียบเทียบจุดเดือดของสารที่ใช้ทำความเย็น
6.พลังงาน (Energy)
พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงานได้ของสสาร โดยเฉพาะต้องมีแรงกระทำให้สสารเคลื่อนที่ได้ตามระยะทางที่แน่นอน หน่วยของพลังงานนั้นได้กำหนดให้เป็นหน่วยจูล (J: 1J = 1Nm) เมื่อพลังงานทำงานภายใต้เวลาที่วัดได้ เวลาก็จะมีส่วนเกี่ยวข้องกับพลังงานก็จะเป็นกำลังงาน (Power:W, 1W = 1Nm/s = 1J/s) ถ้าทำการเปรียบเทียบกำลังงานจากหน่วยวัตต์ ให้เป็นแรงม้าก็จะได้
1W = 1/746 HP (Horse Power)
หรือ 1HP = 746W
ถ้าในหน่วยของอังกฤษก็จะเป็นหน่วยทางความร้อน หรือเรียกว่าหน่วย บีทียู (British Thermal Units; BTUs) เป็นหน่วยที่นิยมใช้ในเรื่องของการทำความเย็น ความหมายของ 1BTU ก็คือ พลังงานที่ใส่ให้กับน้ำ 1 ปอนด์ ให้มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1°F
ตันความเย็นหมายถึง น้ำแข็งที่มีมวล 1ตัน (Ton; 1ton = 1000kg) สามารถละลายได้ภายใน 24 ชม. โดยใช้พลังงาน 288,000 BTU/24hr
ดังนั้นใน 1ชม. จะใช้พลังงานเท่ากับ 12000 BTU ก็จะเป็น 1ตันความเย็น
ประสิทธิภาพของระบบไครโอเจนิกส์ ขึ้นอยู่กับวิธีการส่งถ่ายพลังงานทางความร้อน และจะได้อธิบายรายละเอียดในหัวข้อต่อ ๆ ไป
การแปลงหน่วย
1 ปอนด์ (lb) = 0.4536 กิโลกรัม (kg)
1 ลูกบาศก์ฟุต (ft3) = 28.316 ลิตร (Litter) = 7.481แกลลอน (gal)
1 gal = 0.1337 ft3 = 0.0038 ลูกบาศก์เมตร (m3) = 3.785 Litter = 231 ลูกบาศก์นิ้ว(in3)
1 BTU = 1054.8 J
1 W = 3.413 BTU/hr
ฮีเลียม อุณหภูมิ 70 °F ที่1 บรรยากาศ (atm)
1 kg = 213.23 ft3
1 g = 0.21323 ft3
60 g/s = 12.7938 CFS = 767.628 CFM
อากาศที่อุณหภูมิ 70 °F ที่1 atm
1 kg = 29.42 ft3
1 g = 0.02942 ft3
60 g/s = 1.7652 CFS = 105.912 CFM
7.การส่งถ่ายความร้อน (Heat transfer)
ความร้อนสามารถเคลื่อนที่ได้ 3 รูปแบบ คือ การนำ การพา และการแผ่รังสี พฤติกรรมทางความร้อนจะเคลื่อนที่จากอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น น้ำแข็งในแก้วน้ำที่มีน้ำอยู่ น้ำจะมีอุณหภูมิสูงกว่าจึงถ่ายเทความร้อนไปที่น้ำแข็งที่มีอุณหภูมิเย็นกว่า ทำให้น้ำแข็งละลาย และหยุดถ่ายเทความร้อนต่อเมื่อมันมีอุณหภูมิที่เท่ากัน
การนำ (Conduction)
เป็นการส่งถ่ายอุณหภูมิโดยที่ตัวกลางนั้นอยู่กับที่ ยกตัวอย่างเช่น เราจับแท่งเหล็กแท่งหนึ่ง แล้วนำปลายของแท่งเหล็กนั้นไปเผาไฟ สักพักมือเราที่จับปลายอีกด้านก็จะรู้สึกถึงความร้อนที่มือ นี้คือตัวอย่างของการนำความร้อน ตัวกลางได้แก่ แท่งเหล็กที่มีความร้อนวิ่งผ่าน ส่วนตัวอย่างอื่นเช่น การนำความร้อนผ่านกำแพงบ้าน (กำแพงเป็นตัวกลาง) ความร้อนผ่านหลังคา (หลังคาเป็นตัวกลาง) ความร้อนผ่านผนังท่อ (ผนังท่อเป็นตัวกลาง)
ส่วนอัตราการนำความร้อน ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ และคุณสมบัติการนำความร้อนของวัสดุ
การพา (Convection)
เป็นการส่งถ่ายอุณหภูมิโดยที่ตัวกลางนั้นเคลื่อนที่ไปกับอุณหภูมิด้วย ยกตัวอย่างเช่น น้ำที่มีอุณหภูมิไหลผ่านท่อซึ่งน้ำจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่พาความร้อนไปกับน้ำเคลื่อนที่ไปพร้อมกัน
ส่วนอัตราการพาความร้อน ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ ความเร็วของการไหลของตัวกลาง และชนิดของของไหล
การแผ่รังสี (Radiation)
เป็นการถ่ายเทอุณหภูมิที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ยกตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก ความร้อนเคลื่อนผ่านอวกาศ ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก ผ่านบ้าน และก็มาถึงคนก็จะรู้สึกร้อน
อัตราในการแผ่รังสีความร้อน ที่มีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ ปริมาณอุณหภูมิที่แพร่ออกจากแหล่งกำเนิด แล้วนำการแพร่นั้นมาเปรียบเทียบกับวัตถุดำ (วัตถุดำเป็นวัตถุทางอุดมคติไม่มีจริงในโลกนี้ ส่วนที่เห็นว่าเป็นสีดำ ในทางวิทยาศาสตร์ไม่ถือว่าดำจริง)
ในบางครั้งเราจะพบว่า การถ่ายเทความร้อนนั้นมีได้ทั้ง 3 แบบผสมกันไป ยกตัวอย่างเช่น แท่งเหล็กที่เราเอามือจับ และนำเอาอีกด้านหนึ่งไปเผาไฟ
การนำ ก็คือความร้อนวิ่งผ่านแท่งเหล็กมาสู่มือเรา
การพา ก็คือเมื่อลมพัดผ่าน ความร้อนของแท่งเหล็กก็จะวิ่งมาหาเรา
ส่วนการแผ่รังสี ก็คือความร้อนของแท่งเหล็กแผ่ออกมาทำให้รู้สึกร้อน ถ้าลองเอากระจกไสไปกันระหว่างเรากับแท่งเหล็กร้อน เรายังรู้สึกถึงความร้อนนั้นอยู่ ความร้อนที่มาจากเหล็กร้อนนั้นเคลื่อนที่ผ่านแก้วได้
การถ่ายเทความร้อนในระบบไครโอเจนิกส์ มีอุณหภูมิที่ไหลผ่านออกมาเป็นอุณหภูมิที่สูญเสีย ในบริเวณที่ต้องการรักษาอุณหภูมิให้มีค่าคงที่ การแก้ไขในระบบไครโอเจนิกส์เพื่อไม่ให้อุณหภูมิสูญเสียนี้ ยกตัวอย่างเช่น ใช้วิธีแจ็คเก็ตสุญญากาศ (Vacuum jackets), เกราะป้องกันโดยใช้ไนโตรเจน (Nitrogen shields) ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีวิธีลดการสูญเสียของอุณหภูมิอีกหลายวิธี ขึ้นอยู่กับความชำนาญ และประสบการณ์ ของผู้ปฏิบัติงานด้านไครโอเจนิกส์
เอนทาลปี (Enthalpy)
เอนทาลปี คือปริมาณความร้อนที่ผ่านเข้าหรือออกจากระบบ เป็นกระบวนการความดันคงที่ สมการของเอนทาลปีก็คือ
H = E + PV
ได้กำหนดให้
H = เอนทาลปี
E = พลังงานภายใน
และ PV = ผลคูณของความดัน และปริมาตร
เป็นการวัดพลังงานของระบบ ต่อหน่วยมวล พร้อมทั้งทำความเข้าใจกับการเปลี่ยนแปลงทางความร้อน 3 แบบ นั้นก็คือ ความร้อนสัมผัส ความร้อนแฝง และความร้อนรวม
ความร้อนสัมผัส (Sensible heat)
เป็นการเปลี่ยนอุณหภูมิของสสาร โดยที่สสารนั้นไม่มีการเปลี่ยนสถานะ ยกตัวอย่างเช่น การต้มน้ำ 1 ปอนด์ ให้มีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 0°C (32°F) ถึง 100°C (212°F) น้ำจะไม่เปลี่ยนสถานะจากน้ำร้อนกลายเป็นไอน้ำ ความร้อนที่ใช้ประมาณ 180BTU
ความร้อนแฝง (Latent heat)
เป็นความร้อนที่เปลี่ยนสถานะของสสารเช่น จากของแข็งเป็นของเหลว ของเหลวเป็นไอ ในช่วงเปลี่ยนสถานะนี้อุณหภูมิที่ใช้มีค่าคงที่ เช่น น้ำ 1 ปอนด์ที่อุณหภูมิ 0°C มีสถานะอยู่ระหว่างน้ำแข็ง กับน้ำ ความร้อนที่ใช้ประมาณ 140BTU ส่วนการทำให้เป็นไอ โดยน้ำ 1 ปอนด์ ที่อุณหภูมิ 100°C มีสถานะอยู่ระหว่างน้ำกับไอน้ำ ความร้อนที่ใช้ประมาณ 970 BTU
ความร้อนรวม (Total heat)
เป็นผลรวมของความร้อนสัมผัส และความร้อนแฝง อย่างตัวอย่างที่ได้กล่าวข้างต้น
ความร้อนสัมผัสที่ทำให้น้ำไม่เปลี่ยนสถานะประมาณ 180 BTU
รวมกับความร้อนแฝงที่ทำให้น้ำแข็งไปเป็นน้ำ 140BTU
และรวมกับความร้อนแฝงที่ทำให้น้ำไปเป็นไอน้ำ 970 BTU
ดังนั้นความร้อนรวมจะได้ = 180+140+970 = 1290 BTU/น้ำ 1ปอนด์ หรือใช้กำลังงานทั้งหมด 378W
8.กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
ในการทำงานเกี่ยวกับอุณหภูมิกฎของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นมีความจำเป็นต้องกล่าวถึงเสมอ ในวิชาไครโอเจนิกส์กฎทางเทอร์โมไดนามิกส์มีความสำคัญอย่างมาก
กฎ 2 ข้อแรก จะมีการผสมผสานเชื่อมโยงถึงกัน พลังงานจะไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ตามกฎอนุรักษ์พลังงาน ในกฎข้อแรกจะกล่าวถึงพลังงานที่ป้อนเข้าไปก็จะเท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่เป็นเช่นนั้น ในการทำงานจริงเราจะพบว่า
1. พลังงานที่ให้ไปกับงานที่ออกมาจะไม่เท่ากัน สาเหตุเนื่องจากมีการสูญเสียประสิทธิภาพทางความร้อนเกิดขึ้น
2. ไม่มีเครื่องกลใด ๆในโลกนี้ที่สามารถทำงานให้ได้มีประสิทธิภาพ 100% เต็ม
ทั้ง 2 ข้อนี้ครอบคลุมการทำงานของเครื่องจักร หรือระบบทุกชนิด ในข้อแรกนั้นตามความเป็นจริงแล้วพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลาย ตามกฎอนุรักษ์พลังงาน ในทางจินตนาการนั้นพลังงานที่ป้อนเข้าไปจะได้เท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่ได้เป็นเช่นนั้น เพราะมีการสูญเสียเกิดขึ้น ส่วนในข้อที่ 2 ไม่มีทางเป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานได้เต็มที่ อันเนื่องมาจากการสูญเสียในรูปแบบต่าง ๆ เช่น สูญเสียทางความร้อน สูญเสียจากแรงเสียดทานทางกล จุดข้อต่อที่มีมากทำให้ประสิทธิภาพทางกลต่ำ (อันเกิดจากการเคลื่อนไหวของเครื่องจักรกล)
ในความจริงงานที่เกิดขึ้นจะต้องอาศัยแรงที่ป้อนเข้าไปจนได้ระยะทาง เพื่อให้เกิดงาน ถ้าไม่มีแรงกระทำก็ไม่มีงาน ไม่ว่าจะเป็นแรงที่เกิดจากการกระทำของธรรมชาติ หรือแรงที่เกิดจากกระทำของมนุษย์ เราจะพบว่าความร้อนไม่สามารถเคลื่อนที่จากส่วนที่เย็นไปสู่ส่วนที่ร้อนได้โดยไม่มีการให้พลังงานเข้าไป ส่วนข้างล่างนี้เป็นตัวอย่างในกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ที่เกี่ยวกับงาน
• ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่ร้อนเข้าไปสู่บริเวณที่เย็นเสมอ
• ก๊าซจะไหลจากบริเวณที่มีความดันสูงไปสู่ที่มีความดันต่ำเสมอ
• ก๊าซ 2 ชนิดที่ไหลกระจายในบริเวณเดียวกันจะผสมกันเสมอ
• น้ำเกลือ สามารถแยกน้ำออกจากเกลือได้โดยให้พลังงานความร้อน
• การเกิดขึ้นของสนิมเหล็ก
• การแตกละเอียดของก้อนหิน
จากตัวอย่างที่กล่าวมานี้เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ ที่แสดงความหมายของกฎข้อที่ 2 ทางเทอร์โมไดนามิกส์ (ที่อ้างอิงถึง เอ็นโทรปี (Entropy): การวัดระดับของความผิดปกติในสสาร หรือระบบ: เอ็นโทรปีจะเพิ่มขึ้นเสมอ และขณะเดียวกันพลังงานก็จะลดลงในระบบปิด ขณะที่อยู่ในพื้นที่กว้าง)
ในการทำงานจริงประสิทธิภาพที่ได้ จะน้อยกว่า งานที่คิดได้จากวัฏจักรคาร์โนด และในสมการนี้สามารถคำนวณพลังงานเพื่อให้ความเย็นมีอุณหภูมิเข้าสู่ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ซึ่งจะเป็นไปตามกฎข้อที่ 3 ของเทอร์โมไดนามิกส์ ที่สามารถนำมาใช้ในระบบไครโอเจนิกส์
ฮีเลียมเหลว
ในบรรดาก๊าซทั้งหมดที่นำมาทำของเหลว ฮีเลียมจัดได้ว่าเป็นก๊าซที่ทำเป็นของเหลวได้ยากที่สุด เพราะฮีเลียมเป็นสารที่มีจุดเดือดที่ต่ำมาก ๆ คือ 4.2 K เท่านั้นเอง และการทำความเย็นแบบจูล-ทอมสันสามารถทำให้ฮีเลียมทำความเย็นได้ประมาณ 40 K ฮีเลียมจึงเป็นสารที่เหมาะที่จะนำมาใช้ในห้องปฏิบัติการ เนื่องจากว่า ฮีเลียมมีราคาสูง หายาก และต้องใช้เครื่องกลที่ซับซ้อนในการควบคุม จะนำมาใช้ก็ต่อเมื่อมีความจำเป็นจริง ๆ ในการวิจัยจำเป็นที่จะต้องใช้ผลของจูลทอมสันมาทำการอ้างอิงผลที่ได้จากการคำนวณเสมอ
อะตอมของฮีเลียมมีสมมาตรเป็นทรงกลม และมีขนาดที่เล็กกว่าธาตุอื่น ๆ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมเป็นแรงวัน เดอร์ วาว (Van der Waals Forces) ซึ่งเกิดจากขั้วอะตอมที่ตรงกันข้ามมาชิดกัน เป็นแรงดึงดูดอย่างอ่อนระหว่างอะตอมอิเล็กตรอน และโมเลกุลของฮีเลียม จึงทำให้ฮีเลียมมีสถานภาพอ่อนแอกว่าธาตุอื่น ดังนั้นก๊าซฮีเลียมสามารถทำอุณหภูมิถึงจุดวิกฤติได้ และจุดเดือดของฮีเลียมจึงต่ำที่สุดในธาตุทั้งหมด
ในการวิจัยทางไครโอเจนิกส์นั้นจะใช้ฮีเลียม 2 ไอโซโทป มาใช้งาน ก็คือ 3He และ 4He ฮีเลียมทั้ง 2 แบบนั้นสามารถที่จะทำความเย็นได้ต่ำที่สุด ภายใต้สภาวะความดันไออิ่มตัว
ฮีเลี่ยมที่ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศของโลกเป็นอันตรายอย่างมาก ปัจจุบันจึงไม่ปล่อยฮีเลียมออกสู่ชั้นบรรยากาศ แต่จะใช้วิธีส่งเก็บเข้าไปในท่อพัก และนำกลับมาใช้ใหม่
9.วัฏจักรการทำความเย็น
วัฏจักรการทำความเย็นที่แสดงในที่นี้เป็นระบบการใช้น้ำยา R-22 มีส่วนประกอบที่สำคัญได้แก่ เครื่องอัด และเอ็กแพนชั่นวาล์ว วาล์วนี้จะเป็นเขตแบ่งกันระหว่างด้านความดันสูง และด้านความดันต่ำ
มันเป็นวัฏจักรการทำงานที่ย้อนกลับได้ เป็นระบบปิด สามารถแปรเปลี่ยนพลังงานจากระดับต่ำไปสู่ระดับที่สูง ซึ่งตรงข้ามกับพลังงานทางธรรมชาติ ที่เปลี่ยนจากพลังงานระดับสูง ไปสู่พลังงานที่มีระดับต่ำ ในวัฏจักรการทำความเย็นจึงต้องมีการป้อนพลังงานเข้าไปในวัฏจักรเสมอเพื่อชดเชยกับงานที่ต้องเสียไปในรูปของความร้อน ประสิทธิภาพจึงไม่ได้ 100 % นอกจากนี้ประสิทธิภาพยังขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ และการทำงานของอุปกรณ์แต่ละชนิดอีกด้วย
หลักการทำความเย็นขั้นพื้นฐานทั่วไปสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับการทำความเย็นที่เป็นระบบไครโอเจนิกส์ได้อย่างดี
เครื่องอัด (Compressor)
เครื่องอัดเป็นตัวเพิ่มพลังงานของสารจากก๊าซที่มีความดันต่ำ, อุณหภูมิต่ำ ไปเป็นของก๊าซที่มีความดันสูง, อุณหภูมิสูง สารจะไหลไปตามท่อทางไปที่เครื่องควบแน่น
เครื่องควบแน่น (Condensor)
เครื่องควบแน่นเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนของสารความเย็น กล่าวง่าย ๆ ก็คือทำหน้าที่ลดอุณหภูมิของสารความเย็น ที่มาจากเครื่องอัด จากก๊าซไปเป็นของเหลวที่เย็นตัวลง แต่ความดันยังสูงอยู่
เอ็กแพนชั่นวาล์วทางความร้อน (Thermal expansion valve)
หน้าที่ง่าย ๆของเอ็กแพนชั่นวาล์ว ก็คือจะทำหน้าที่ขยายของเหลว ไปเป็นก๊าซเย็นอย่างฉับพลัน ลักษณะของเอ็กแพนชั่นวาล์ว คือการลดพื้นที่หน้าตัดของท่อทางสารทำความเย็น นอกจากนี้ก็ยังมี ท่อขนาดเล็ก (Capillary tube) ที่ทำหน้าที่คล้ายกัน
อีแวปเปอเรเตอร์ (Evaporator)
อีแวปเปอเรเตอร์เป็นการแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งจากก๊าซเย็นที่มาจากเอ็กแพนชั่นวาล์วไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับพื้นที่ที่ต้องการทำความเย็น (ยกตัวอย่างพื้นที่ที่ต้องการให้เย็นเช่น ภายในตู้เย็น, ภายในห้องปรับอากาศ ของไหลที่ไหลเวียนภายในห้องทำความเย็นจะเป็นอากาศ)
อุปกรณ์ทั้ง 4 ที่กล่าวมานี้เป็นส่วนที่สำคัญของการทำความเย็น ไม่สามารถขาดได้ นอกเหนือจากนี้ก็ยังมีอุปกรณ์เสริมอีกมากมาย เช่น ถังพักน้ำยา (Receiver tank) ตาแมว (sign glass) และเทคนิคการโค้งงอท่อ แต่จะไม่กล่าวรายละเอียดในที่นี้
มีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนหลายชนิดที่ใช้ในระบบไครโอเจนิกส์ ในรูปแสดงหลักการในการแลกเปลี่ยนความร้อน ที่ใช้ในส่วนหลัก จนกระทั่งถูกพัฒนาไปถึงนำไปใช้ในระบบทำความเย็นของดาวเทียม โครงสร้างของการแลกเปลี่ยนความร้อนนี้ ปกติอ้างถึงท่อ และเปลือกของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
ท่อ และเปลือกของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Tube &Shell Heat Exchangers)
ตัวของท่อทางส่งสารจะมีครีบทองแดงติดอยู่ ซึ่งมีลักษณะที่วนรอบท่อ ตลอดความยาวในอุปกรณ์แลกเปลี่ยน คล้ายสันเกลียวเลื้อยท่อ และที่จะวกไปวนมาภายในเปลือกอุปกรณ์ การแลกเปลี่ยนความร้อนทำได้โดยการพาจากของไหลที่ไหลผ่านผิวสัมผัสครีบทองแดง และโดยการนำโดยความร้อนไหลจากท่อออกสู่ผนัง ส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ในภาชนะที่เป็นสุญญากาศ และเป็นฉนวนอย่างดีจะเกิดการสูญเสียความร้อนได้น้อยที่จะไหลออกสู่ภายนอก
การไหลสวนทาง (Counter Flow)
T°in = S°out และ T°out = S° in
ในการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ดี เส้นการไหลจะมีการไหลสวนทางกันเพื่อการแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพถึง 100% การจ่ายด้านอุณหภูมิทางออกจะเท่ากับอุณหภูมิด้านขาเข้า และการจ่ายด้านอุณหภูมิด้านทางเข้าจะเท่ากับอุณหภูมิด้านขาออก เป็นที่น่าเสียดาย ไม่มีผลการแลกเปลี่ยนความร้อนที่สมบูรณ์แบบ จะต้องมีการสูญเสียเสมอเนื่องจากประสิทธิภาพของฉนวนต่ำ, สุญญากาศที่ไม่ดี และการส่งถ่ายความร้อนที่วิ่งผ่านวัสดุเช่นทองแดง
10.ระบบทำความเย็น
ระบบทำความเย็นส่วนมากใช้ในการปรับอากาศ เพื่อควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น การไหลเวียน คุณภาพและความสะอาดของอากาศ รวมทั้งควบคุมเสียงรบกวน เพื่อให้เกิดความสบายและเป็นผลดีต่อสุขภาพของผู้ที่ทำงานในพื้นที่นั้นๆ นอกจากนั้น ระบบทำความเย็นยังมีความสำคัญในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งที่ต้องการความเย็นเก็บรักษาอาหาร ให้มีความสดเป็นเวลานาน
การทำงานของระบบทำความเย็นใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นหลัก จากการสำรวจพบว่า ระบบปรับอากาศที่ใช้ในอาคารขนาดใหญ่ ใช้พลังงานฟ้าประมาณครึ่งหนึ่งของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมด เช่น โรงพยาบาล โรงแรม เช่นเดียวกับภาคอุตสาหกรรมก็มีใช้ระบบทำความเย็นและระบบปรับอากาศในกระบวนการผลิตต่างๆ เหมือนกัน
เครื่องทำความเย็น
เครื่องทำความเย็นสร้างความเย็นโดยอาศัยคุณสมบัติดูดซับความร้อนของสารทำความเย็นหรือน้ำยาทำความเย็น (Liquid Refrigerant) มีหลักการทำงาน คือ ปล่อยสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวจากถังบรรจุไปตามท่อ เมื่อสารเหลวเหล่านี้ไหลผ่านวาล์วเปิด-ปิด จะถูกทำให้มีความดันสูงขึ้น ความดันจะต่ำลงเมื่อรับความร้อนและระเหยเป็นไอ (Evaporate) ที่ทำให้เกิดความเย็นขึ้นภายในพื้นที่ปรับอากาศ ดังแสดงในรูป
เครื่องทำความเย็นข้างต้น เป็นระบบที่ใช้เฉพาะในโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องการทำความเย็นอย่างรวดเร็วเท่านั้น ในเครื่องทำความเย็นทั่วไปจะออกแบบให้สามารถนำสารทำความเย็นที่ระเหยเป็นแก๊สกลับมาใช้หมุนเวียนได้อีกโดยใช้คอมเพลสเซอร์ (Compressor) เป็นตัวอัดสารทำความเย็นที่เป็นแก๊ส แล้วนำมาระบายความร้อนให้เกิดการกลั่นตัวเป้นของเหลวอีกครั้งแล้วส่งกลับไปเข้าถังบรรจุสารทำความเย็นใหม่ ตู้เย็นได้ใช้ระบบทำความเย็นแบบนี้ ดังแสดงในรูป
แก๊สที่ออกจากคอยล์เย็น (Evaporator) จะมีความดันต่ำ คอมเพลสเซอร์ (Compressor)
คำสำคัญ (Tags): #เครื่องถ่ายน้ำยาแอร์
หมายเลขบันทึก: 381938เขียนเมื่อ 5 สิงหาคม 2010 11:07 น. ()ความเห็น (0)
ไม่มีความเห็น