การทำความเย็นและการปรับอากาศ

43 รูปที่2.17 วัฏจักรทำงอุณหพลศำสตร์ บนแผนภำพp-V (ดัดแปลงจำก [4])

44 ค าถามท้ายบท 1. เหตุใดอุณหพลศำสตร์จึงเกี่ยวข้องกับสภำวะสมดุลเท่ำนั้น 2. เหตุใดจึงมีกำรก ำหนดคุณสมบัติในสมดุลทำงอุณหพลศำสตร์ 3. ควำมแตกต่ำงระหว่ำงระบบปิดและระบบเปิดคืออะไร 4. สมมติฐำนในส ำนวน dW pdV = และ dQ Tds = คืออะไร 5. พลังงำนสร้ำงขึ้นจำกอะไร 6. ควำมร้อนหมำยถึงอะไร และสำมำรถเก็บไว้ในระบบได้หรือไม่ 7. งำน pdV แตกต่ำงจำก vdp อย่ำงไร 8. กระบวนกำรใดเป็นงำน vdp ขั้นต ่ำ และท ำไม 9. จงแสดงให้เห็นว่ำกำรละเมิดกฏของ Clausius เป็นกำรละเมิดค ำกล่ำวของ KelvinPlanck ของกฎข้อที่สองทำงอุณหพลศำสตร์ 10. จงให้ค ำจ ำกัดควำมของเอนโทรปี 11. กฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์เกี่ยวกับพลังงำน เหตุใดจึงต้องกำรกฎข้อที่สองของ อุณหพลศำสตร์ 12. จงแสดงให้เห็นว่ำเอนโทรปีของระบบโดดเดี่ยว (Isolated system) จะเพิ่มขึ้นได้ 13. จงแสดงให้เห็นว่ำเอนโทรปีของโลกจะเพิ่มขึ้นเสมอ 14. จงหำนิพจน์ส ำหรับเอนโทรปีของกำรผสมไอโซเทอร์มอลของก๊ำซสองชนิดในแง่ของ ควำมดันย่อย 15. วิธีกำรถ่ำยโอนควำมร้อนจำกอุณหภูมิต ่ำไปยังอุณหภูมิสูง 16. สำรบริสุทธิ์คืออะไร

45 เอกสารอ้างอิง 1. Ronald H. Howell, William J. Coad, Harry & J. Sauer, Jr. (2013). Principles of heating ventilation and air conditioning (7 th Ed), ASHRAE. 2. Ramesh Chandra Arora. (2010). Refrigeration and Air Conditioning. Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Technology, Asoke K. Ghosh. 3. Daniel Micallef. (February 29, 2020). Fundamentals of refrigeration thermodynamics (Kindle Ed), ebook company. 4. R.S. Khurmi & J.K.GUPTA. (2011). A textbook of refrigeration and air conditioning (5 th Ed), Eurasia publishing house private limited. 5. Charlotte Pho. (November 09, 2021). Explore The Ancient Tower Making Ice in The Persian Desert. Vietnam times. https://vietnamtimes.org.vn/explore-theancient-tower-making-ice-in-the-persian-desert-37507.html 6. Manova. (May 26, 2019) Why is the water in the earthen pot cool. Learnmoredeeply. https://learnmoredeeply.com/ 7. National Museum of American. History Jacob Perkins Ice Machine, 1834, Model., https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_846195 8. กุลเชษฐ์ เพียรทอง. (2553). การท าความเย็น, มหำวิทยำลัยอุบลรำชธำนี. (พิมพ์ครั้ง ที่ 3) อุบลรำชธำนี.

46 หน่วยที่3 วัฏจักรแบบอัดไอ (Vaporcompression cycle) วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 1. หำค่ำคุณสมบัติทำงอุณหพลศำสตร์โดยใช้สมกำรสภำวะต่ำงๆ ตำรำง และแผนภำพ ได้ 2. อธิบำยกำรเปลี่ยนแปลงภำวะต่ำงๆ บนแผนภำพ T-s และ P-h ได้ 3. หำค่ำควำมร้อนและงำน ที่ถ่ำยเทในกระบวนกำรทำงอุณหพลศำสตร์ต่ำงๆ ได้ 4. อธิบำยระบบท ำควำมเย็นวัฏจักรต่ำงๆ ได้ 5. อธิบำยสภำวะที่เกิดในกำรระบบวัฏจักรอำกำศได้ด้วย แผนภำพ T-s ได้ 6. ค ำนวณค่ำต่ำงๆที่เปลี่ยนแปลงในวัฏจักรต่ำงๆ ได้ 7. วิเครำะห์และท ำกำรค ำนวณวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โน ได้ 8. วิเครำะห์และท ำกำรค ำนวณระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอมำตรฐำน ได้ ในหน่วยนี้จะกล่ำวถึงหลักกำรของวัฏจักรท ำควำมเย็นตั้งแต่วัฏจักรคำร์โน (Carnot cycle) วัฏจักรอัดไอมำตรฐำนหรือวหรือวัฏจักรอิ่มตัวขั้นตอนเดียว (Vapor compression cycle หรือ Single State Saturation; SSS) จนถึงวัฏจักรอัดไอจริง (Actual vapor cycle) ตลอดจนแนวทำง กำรค ำนวณและตัวอย่ำงของกำรค ำนวณในกระบวนกำรต่ำงๆ ที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรที่ได้กล่ำวถึง ในข้ำงต้น 3.1 บทน า กระบวนกำรท ำควำมเย็น (Refrigeration) เป็นกระบวนกำรทำงเทอร์โมไดนำมิกส์ ที่ถ่ำย เทควำมร้อนจำกจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง หรือบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิต ่ำ โดยกำร ท ำงำนจะเป็นวัฏจักร ที่เรียกว่ำ วัฏจักรกำรท ำควำมเย็น (Refrigeration cycles) วัฏจักรทั่วไปจะ เป็นแบบไออัดตัวในอุดมคติ(Vapor - compression refrigeration cycles) โดยมีสำรท ำควำม เย็น (Refrigerant) เป็นสำรตัวกลำงระเหยและควบแน่นสลับกัน ภำยใต้ควำมดันที่แตกต่ำงกัน ด้วย นอกจำกนี้แล้ววัฎจักรอัดไอ (Vapor-compression cycle) เป็นวัฎจักรที่ใช้งำนมำกที่สุด ในทำงปฏิบัติวัฎจักรนี้ไอของสำรท ำควำมเย็นจะถูกดูดและอัดให้มีควำมดันสูงโดยเครื่องอัดไอ (Compressor) แล้วกลั่นตัวเป็นของเหลวที่เครื่องควบแน่น (Condenser) หลังจำกนั้นควำมดันจะ ลดลงเมื่อผ่ำนอุปกรณ์ลดควำมดัน เมื่อควำมดันลดลงต ่ำสำรท ำควำมเย็นจะระเหยเป็นไออีกครั้ง ที่เครื่องระเหย (Evaporator) โดยทั่วไปกำรท ำควำมเย็นสำมำรถผลิตได้สี่วิธีกำรดังต่อไปนี้: 1. ระบบกำรท ำควำมเย็นแบบอัดไอ 2. กำรอัดก๊ำซแล้วให้ขยำยตัวเพื่อให้งำนและอุณหภูมิต ่ำ 3. กำรอัดก๊ำซแล้วควบคุมปริมำณหรือให้ขยำยตัวอย่ำงไม่จ ำกัด

47 4. วิธีเทอร์โมอิเล็กทริก กำรท ำควำมเย็นสำมวิธีแรกเกี่ยวข้องกับกำรอัดไอ หลักกำรท ำงำนของวิธีแรก คือระบบกำร ท ำควำมเย็นแบบอัดไอ ของเหลวท ำงำน (สำรท ำควำมเย็น) ระเหยที่อุณหภูมิและควำมดันต ่ำ อุณหภูมิยังคงคงที่ในขณะที่เอนทำลปีของกำรระเหยหรือควำมร้อนแฝงถูกดูดซับจำกพื้นที่หรือ ผลิตภัณฑ์ที่จะระบำยควำมร้อน ไอระเหยของสำรท ำควำมเย็นจะถูกอัดให้มีควำมดันสูงเพื่อไม่ให้ สำมำรถรับควำมร้อนจำกสิ่งแวดล้อมได้อีกและไอสำรท ำควำมเย็นระเหยจะถูกควบแน่นและวน กลับเพื่อดูดซับควำมร้อนอีกครั้ง ระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอถูกน ำมำใช้ในกำรใช้งำนส่วนใหญ่ ตั้งแต่ตู้เย็นในครัวเรือนไปจนถึงระบบอุตสำหกรรมขนำดใหญ่ กำรอัดไอสำมำรถท ำได้ทั้งทำง กลไกหรือโดยวิธีกำรดูดซับ กำรท ำควำมเย็นวิธีที่สองที่เกี่ยวข้องกับกำรอัดก๊ำซถูกน ำมำใช้กับ CO2 ส ำหรับกำรท ำควำมเย็นในกำรใช้งำนทำงทะเลเนื่องจำกควำมปลอดภัย และยังพบว่ำ น ำมำใช้งำนในระบบปรับอำกำศของเครื่องบิน วิธีกำรอัดก๊ำซทั้งสองวิธีใช้เพื่อท ำให้ก๊ำซกลับ กลำยเป็นเหลว กำรขยำยตัวกลับไม่ได้(ไม่ถูกจ ำกัด) หรือกระบวนกำรควบคุมปริมำณอำจไม่ท ำ ให้อุณหภูมิลดลงเสมอไป กำรขยำยตัวกลับไม่ได้(ไม่ถูกจ ำกัด) หรือกระบวนกำรควบคุมปริมำณอำจไม่ท ำให้อุณหภูมิ ลดลงเสมอไป เนื่องจำกกำรผันกลับไม่ได้อำจน ำไปสู่ผลกระทบจำกควำมร้อน เอนทำลปียังคง คงที่ในระหว่ำงกระบวนกำรนี้ค่ำสัมประสิทธิ์จูล-ทอมป์ สัน หรือ Joule -Thompson coefficient ( T p / )h คือกำรวัดอุณหภูมิที่ลดลงโดยมีควำมดันลดลงในระหว่ำงกระบวนกำรควบคุม ปริมำณ (Throttling process) ค่ำสัมประสิทธิ์นี้ควรจะเป็นค่ำบวกเพื่อเป็นผลให้เกิดกำรระบำย ควำมร้อนด้วยกระบวนกำรควบคุมปริมำณ ส่วนใหญ่สิ่งนี้เกิดขึ้นกับก๊ำซจริง (Real gas) ที่ควำม ดันสูงและอุณหภูมิต ่ำใกล้กับอุณหภูมิอินเวอร์ชัน (Inversion temperature) หรืออุณหภูมิผกผัน (ภำวะปกติของอุณหภูมิของบรรยำกำศคือ อุณหภูมิด้ำนบนจะต ่ำกว่ำด้ำนล่ำง หรือยิ่งสูงยิ่ง อุณหภูมิต ่ำ) ปรำกฎกำรณ์เพลทีเยอร์ (Peltier effect) ถูกน ำมำใช้ในกระบวนกำรท ำควำมเย็น หำกมี กระแสไฟฟ้ำไหลตรงผ่ำนจุดเชื่อมต่อสองจุดของโลหะที่แตกต่ำงกัน ที่จุดต่อนี้ด้ำนหนึ่งจะถูกท ำให้ ร้อนขึ้นในขณะที่อีกด้ำนหนึ่งจะเย็นลง หรือ Peltier effect เป็นปรำกฎกำรณ์จะเกิดขึ้นเมื่อมี กระแสไฟฟ้ำไหลจะมีควำมร้อนเกิดขึ้นที่รอยต่อของตัวน ำ และควำมร้อนจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่ ทิศทำงกับกำรไหลของกระแสไฟฟ้ำอีกทีถ้ำป้อนกระแสไฟฟ้ำเข้ำไปตรงๆ จะท ำให้ปลำยขั้วร้อนจะ มีอุณหภูมิร้อนขึ้น และปลำยขั้วเย็นจะมีอุณหภูมิเย็นลง แต่ในทำงกลับกัน ถ้ำสลับทิศทำงกำรไหล ของกระแสจะท ำให้อุณหภูมิฝั่งขั้วร้อนนั้นมีอุณหภูมิเย็นลง สำรกึ่งตัวน ำ (Semiconductors) เป็น ตัวเลือกที่ดีส ำหรับ Peltier effect เนื่องจำกมีควำมต้ำนทำนไฟฟ้ ำต ่ำและมีค่ำสัมประสิทธิ์ เพลทีเยอร์(Peltier coefficient) สูงพอสมควร ประสิทธิภำพของวิธีกำรเทอร์โมอิเล็กทริกค่อนข้ำง ต ่ำ ดังนั้นระบบนี้จึงถูกใช้กับงำนงำนที่ต้องกำรประสิทธิภำพไม่สูง เช่น ในตู้เย็นขนำดเล็กส ำหรับ กำรท ำควำมเย็นชิ้นงำนทดลอง และเครื่องมือส ำหรับวัดอุณหภูมิจุดน ้ำค้ำง เป็นต้น [1]

48 3.2 เครื่องยนต์ความร้อน [2] เครื่องยนต์ควำมร้อน (Heat engine) เป็นระบบที่แปลงพลังงำนควำมร้อนจำกแหล่ง อุณหภูมิสูงเป็นงำนที่เกิดประโยชน์ภำยใต้สิ่งแวดล้อม ในขณะเดียวกันก็ปฏิเสธควำมร้อนไปยัง แหล่งที่มีอุณหภูมิต ่ำตำมกฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์ ในรูปที่ 2.9 ได้อ้ำงอิงถึงเครื่องยนต์ควำมร้อนไว้แล้ว เครื่องยนต์ควำมร้อนท ำงำนภำยใต้ วัฏจักรอุณหพลศำสตร์ซึ่งเป็นไปตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ตัวอย่ำงเช่นแหล่งอุณหภูมิ สูงสำมำรถหำได้จำกกำรเผำไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องยนต์ควำมร้อนที่ผลิตงำนอำจ ประกอบด้วยวำล์ว ลูกสูบ เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อน และอื่นๆ แหล่งควำมร้อนอุณหภูมิต ่ำอำจ เป็นบรรยำกำศ หรือตัวอย่ำงเช่นบ่อน ้ำที่อุณหภูมิสม ่ำเสมอ ไม่ใช่จุดมุ่งหมำยของหน่วยนี้หรือต ำรำนี้แต่จุดประสงค์เพื่อเป็นข้อมูลพื้นฐำนส ำหรับ วัฏจักรอัดไอ หำกมีควำมสนใจเกี่ยวกับวัฏจักรเครื่องยนต์ควำมร้อนเพิ่มเติมผู้อ่ำนควรอ่ำน หนังสืออุณหพลศำสตร์ต่ำงๆ เช่น Eastop และ McConkey (1993) ซึ่งจะให้ข้อมูลเชิงลึกที่ ครอบคลุมเกี่ยวกับเครื่องยนต์ควำมร้อนต่ำงๆ เช่น วัฏจักรออตโตและวัฏจักรเบรย์ตัน เป็นต้น ประสิทธิภำพของเครื่องยนต์ควำมร้อนได้ก ำหนดไว้ในสมกำรที่ 2.24 หน่วยที่ 2 แล้ว และ ยังเน้นว่ำกฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์หมำยควำมว่ำ < 100% นอกจำกนี้ยังสำมำรถพิสูจน์ ได้ว่ำประสิทธิภำพทำงอุณหพลศำสตร์ที่ดีที่สุดของเครื่องยนต์ควำมร้อนคือวัฏจักรในอุดมคติที่ เรียกว่ำ วัฏจักรคำร์โนต์(Carnot cycle) ค ำว่ำ วัฏจักรในอุดมคติ มีค ำส ำคัญที่จะอธิบำยถึง คือ จำกแผนภำพ T-s ของวัฏจักรคำร์ โนต์ส ำหรับเครื่องยนต์ควำมร้อนแสดงในรูปที่ 3.1 กระบวนกำรที่เกี่ยวข้องในวัฏจักรคำร์โนต์ ได้แก่ กำรถ่ำยเทควำมร้อนเข้ำระบบที่อุณหภูมิคงที่ (1-2), กำรขยำยตัวแบบไอเซนโทรปิก (2-3), กำรถ่ำยเทควำมร้อนออกควำมร้อนที่อุณหภูมิคงที่ (3-4) และกำรอัดตัวแบบไอเซน ทรอปิก (4-1) กระบวนกำรทั้งหมดจะแสดงด้วยเส้นที่ต่อกันอย่ำงต่อเนื่อง ซึ่งเป็นกระบวนกำร ย้อนกลับได้ในทำงปฏิบัติระบบดังกล่ำวสร้ำงได้ยำกเป็นพิเศษเนื่องจำกควำมต้องกำรควำมร้อน ที่จะถ่ำยโอนที่อุณหภูมิคงที่ในขณะที่ยังคงรักษำกระบวนกำรย้อนกลับได้สิ่งเหล่ำนี้ที่จะเกิดขึ้น ตำมกระบวนกำรจะเกิดขึ้นได้ดีเมื่อมีพื้นที่ถ่ำยเทควำมร้อนที่มีขนำดใหญ่มำกพอและกำรถ่ำยเท ควำมร้อนจะด ำเนินกำรได้ช้ำมำก ซึ่งปัญหำทั้งทั้งสองข้อนี้อำจต้องใช้ต้นทุนที้สูงมำกหรือเป็นไป ไม่ได้ที่จะด ำเนินกำรได้จึงได้เรียกว่ำวัฏจักรในอุดมคติ เพื่อวัตถุประสงค์ทำงวิศวกรรม วัฏจักรคำร์โนต์เป็นวัฏจักรอันดับต้นที่มีควำมน่ำสนใจ ในทำงวิชำกำรเป็นอย่ำงยิ่ง และเป็นเกณฑ์มำตรฐำนในกำรใช้พลังงำนควำมร้อน จะเห็นได้ว่ำ วัฏจักรคำร์โนต์กลำยเป็นข้อมูลอ้ำงอิงที่มีประโยชน์กับวิศวกรที่จะใช้เป็นพื้นฐำนตัดสินใจในกำร ออกแบบหรือท ำกำรตรวจสอบเชิงปฏิบัติในกำรค ำนวณตำมสมกำรวัฏจักรคำร์โนต์ที่ 2.25 ควำม ร้อนที่ให้มำและควำมร้อนที่ถูกปฏิเสธสำมำรถพบได้จำกพื้นที่ภำยใต้กระบวนกำร 1-2 และ 3-4 ตำมล ำดับ ดังนั้น

49 รูปที่3.1 แผนภำพ T-s ของวัฏจักรเครื่องยนต์ควำมร้อนคำร์โนต์(ดัดแปลงจำก [2]) 1 1 1 2 Q T s s = ( - ) (3.1) และควำมร้อนที่ถูกปฏิเสธ หรือ Heat rejected เท่ำกับ 2 3 3 4 Q T s s = ( - ) (3.2) เมื่อ 2 1 3 4 s s s s - = - (3.3) หรือกล่ำวได้ว่ำ 2 3 2 1 Q T s s = ( - ) (3.4) ดังนั้น จำกสมกำร 2.55 2 1 = 1- ×100% Q Q 3 1 2 1 1 2 ( - ) = 1- ×100% ( - ) T s s T s s 3 1 = 1- 100% T T (3.5) เครื่องยนต์ควำมร้อนจะช่วยให้พลังงำนควำมร้อนจำกแหล่งควำมร้อนสูงถูกเปลี่ยนบำงส่วน เป็นงำนที่มีประโยชน์และเป็นควำมร้อนไปยังแหล่งควำมร้อนอุณหภูมิต ่ำ ซึ่งจะอธิบำยไว้ในส่วนนี้ เพื่อควำมเข้ำใจในกำรศึกษำระบบท ำควำมเย็นต่อไป โดย QH เป็นกำรถ่ำยเทควำมร้อนจำก แหล่งควำมร้อนอุณหภูมิสูง ที่TH โดยเปลี่ยนส่วนหนึ่งเป็นงำน W และปฏิเสธพลังงำนที่เหลือ เป็น QL กำรถ่ำยเทควำมร้อนไปยังแหล่งควำมร้อนอุณหภูมิต ่ำ (แหล่งรับควำมร้อน) ที่อุณหภูมิ TL ดังแสดงในรูปที่ 3.2 TL คืออุณหภูมิของสภำพแวดล้อมนั่นคืออำกำศเย็นหรือน ้ำที่ควำมร้อน ถูกปฏิเสธ

50 ในนิยำมของ Kelvin-Planck เกี่ยวกับกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนำมิกส์คือ “เป็นไปไม่ได้ที่ อุปกรณ์จะท างานเป็นวัฏจักรและแปลงความร้อนทั้งหมดไปเป็นงาน” จำกกฎข้อที่1 ของอุณหพลศำสตร์ W = QH - QL (3.6) ประสิทธิภำพของเครื่องยนต์ควำมร้อนถูกก ำหนดเป็น = H W Q (3.7) รูปที่3.2 เครื่องยนต์ควำมร้อน (ดัดแปลงจำก [1]) 3.3เครื่องยนต์ความร้อนย้อนกลับ [1] ในกรณีของเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับมีสิ่งที่น่ำสนใจในเกี่ยวกับปริมำณอยู่สอง ปริมำณขึ้นอยู่กับกำรใช้งำนของระบบ ปริมำณที่สนใจอำจเป็นควำมร้อนที่ถูกดึงออกมำจำกแหล่ง ควำมร้อนอุณหภูมิต ่ำ (เพื่อให้เกิดกำรท ำควำมเย็น หรือ Cooling effect) และในทำงตรงกันข้ำม ของอีกปริมำณคืออำจใช้พลังงำนควำมร้อนที่ถ่ำยโอนไปยังแหล่งควำมร้อนอุณหภูมิสูง (เพื่อใช้ใน กำรท ำควำมร้อน) แม้ว่ำในวัฏจักรเครื่องยนต์ควำมร้อนย้อนกลับจะมีสองปริมำณที่สนใจเป็นพิเศษ แต่ในกำรใช้งำนส่วนใหญ่เป็นเพียงประเด็นแรกที่เป็นที่ต้องกำร ถ้ำควำมร้อนที่ถูกดึงออกหรือสกัด ออกจำกแหล่งควำมร้อนที่มีอุณหภูมิต ่ำเพื่อกำรท ำควำมเย็น จะเรียกว่ำ เครื่องท ำควำมเย็น

51 (Refrigerator) ถ้ำต้องจ่ำยควำมร้อนไปยังแหล่งควำมร้อนที่มีอุณหภูมิสูงจะเรียกว่ำ ปั๊มควำมร้อน (Heat pump) โดยวัตถุประสงค์ของเอกสำรต ำรำนี้จะกล่ำวถึงคือกำรท ำงำนของเครื่องท ำควำม เย็น แต่อย่ำงไรก็ตำมก็จะได้กล่ำวถึงปั๊มควำมร้อนไว้ในที่นี่บ้ำงถึงควำมแตกต่ำงระหว่ำงเครื่องท ำ ควำมเย็นและปั๊มควำมร้อนนั้นขึ้นอยู่กับควำมจ ำเป็นในกำรใช้งำน เครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับในรูปที่ 3.3 แสดงให้เห็นว่ำพลังงำนควำมร้อน Q1 จะถูก ถ่ำยโอนจำกแหล่งควำมร้อนที่อุณหภูมิต ่ำ จะต้องมีงำน W ให้ระบบ พลังงำนควำมร้อน Q2 จะถูก ส่งกลับไปยังแหล่งคว่ำมร้อนที่มีอุณหภูมิสูง โดยหลักกำรแล้ว งำนสุทธิจำกเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับเมื่อเทียบกับปริมำณงำน อื่นๆ นี้มีขนำดเล็กมำกและในสถำนกำรณ์ส่วนใหญ่ไม่มีควำมพยำยำมในกำรแยกปริมำณพลังงำน ที่เล็กน้อยนี้ออก หลักกำรท ำงำนของวัฏจักรย้อนกลับแสดงในรูปที่3.4 ควำมร้อน (Q1 ) ถูกถ่ำยโอน ไปยังเครื่องระเหย (Evaporator) ของเหลวท ำงำนจะถูกบีบอัดให้มีแรงดันสูงที่เครื่องอัดไอ (Compressor) และถ่ำยโอนไปยังเครื่องควบแน่น (Condenser) ที่พลังงำนควำมร้อน (Q2 ) ถูก ถ่ำยเทออก สำมำรถดึงงำนออกที่กังหัน (Turbine) และควำมดันจะลดลงกลับไปที่ควำมดันระเหย รูปที่3.3 เครื่องยนต์ควำมร้อนย้อนกลับ (ดัดแปลงจำก [2]) ในเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับจะใช้ค ำว่ำ สัมประสิทธิ์ของสมรรถนะ (Coefficient of Performance, COP) เพื่อใช้วัดประสิทธิภำพ จึงก ำหนดให้COP ไว้ดังนี้ COP = Q W (3.8)

52 รูปที่3.4 ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ควำมร้อนย้อนกลับ (ดัดแปลงจำก [2]) ส ำหรับกำรท ำควำมเย็น ปริมำณที่สนใจคือ Q1 และด้วยเหตุนี้สมกำร 3.8 จึงกลำยเป็น 1 ref COP = Q W (3.9) ส ำหรับปั๊มควำมร้อน ปริมำณที่สนใจคือ Q2และด้วยเหตุนี้สมกำร 3.9 จึงกลำยเป็น 2 hp COP = - Q W (3.10) ควำมสัมพันธ์ที่น ำมำใช้ให้เป็นประโยชน์ระหว่ำงค่ำสัมประสิทธิ์ของสมรรถนะของเครื่องท ำ ควำมเย็นและปั๊มควำมร้อนสำมำรถได้มำจำกกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ด้วยสมกำรที่2.15 1 2 Q W Q + = 1 2 +1- = 0 Q Q W W (3.11) ดังนั้นกำรใช้สมกำรที่3.9 และ 3.10 จะได้ hp ref COP = COP + 1 (3.12) จำกสมกำร 3.11 หมำยควำมว่ำ COP ของปั๊มควำมร้อนจะสูงกว่ำเครื่องท ำควำมเย็นเสมอ นอกจำกนี้COPhp จะมำกกว่ำ 1 เสมอ

53 3.4วัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อนย้อนกลับคาร์โนต์ วัฏจักรคำร์โนต์ส ำหรับเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับเป็นวัฏจักรที่มีประสิทธิภำพมำก ที่สุด เช่นเดียวกับกรณีของเครื่องยนต์ควำมร้อน ซึ่งหมำยควำมว่ำ COP สูงสุดที่เป็นไปได้ ส ำหรับเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับของเครื่องท ำควำมเย็นและปั๊มควำมร้อนจะน้อยกว่ำ ค่ำสูงสุดตำมทฤษฎีนี้เสมอ และระบบดังกล่ำวไม่สำมำรถสร้ำงได้เนื่องจำกเหตุผลที่กล่ำวถึง ส ำหรับเครื่องยนต์ควำมร้อน แต่อย่ำงไรก็ตำมวัฏจักรนี้ยังคงใช้เป็นเกณฑ์มำตรฐำนหรือกำร อ้ำงอิงในกำรออกแบบระบบที่ใช้งำนได้จริงมำกขึ้น [2] แผนภำพ T-s ของวัฏจักรคำร์โนต์แบบย้อนกลับแสดงในรูปที่ 3.5 ในระหว่ำงกระบวนกำร 1-2 ของเหลวท ำงำนจะถูกบีบอัดจำกควำมดันและอุณหภูมิต ่ำเป็นอุณหภูมิสูง ควำมร้อนจะถูก ปฏิเสธที่อุณหภูมิคงที่ในกระบวนกำร 2-3 ควำมดันและอุณหภูมิลดลงในกระบวนกำร 3-4 ซึ่ง สำมำรถสกัดงำนบำงอย่ำงได้จำกนั้นของเหลวจะถูกท ำให้ร้อนอีกครั้งที่อุณหภูมิคงที่ในช่วง 4-1 ควำมร้อนเข้ำสู่ระบบได้รับจำก : Q1 = T1 (s2 - s1 ) (3.13) รูปที่3.5 แผนภำพ T-s ของวัฏจักรแบบย้อนกลับคำร์โนต์(ดัดแปลงจำก [2]) ส่วนควำมร้อนที่ถูกเอำออกจำกระบบจะได้รับจำก Q2 = T3 (s3 - s4 ) (3.14) เมื่อ s2 -s1=s3 -s4 (3.15) ซึ่งได้ Q2 = T3 (s2 - s1 ) (3.16) จำกสมกำรสัมประสิทธิ์ของสมรรถนะเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับส ำหรับกำร ท ำควำมเย็นที่ 3.9 สำมำรถเขียนใหม่ได้เป็น

54 1 ref 1 2 COP = -( - ) Q Q Q ( ) 1 2 1 ref 1 2 1 3 2 1 ( - ) COP = - ( - ) - ( - ) T s s T s s T s s (3.17) เมื่อลดควำมซับซ้อนลงจะได้สมกำร 1 ref 3 1 COP = ( - ) T T T (3.18) ส ำหรับปั๊มควำมร้อนที่มำของ COP นั้นคล้ำยกัน คือ 2 ref 1 2 COP = -( - ) Q Q Q ( ) 3 2 1 ref 1 2 1 3 2 1 ( - ) COP = - ( - ) - ( - ) T s s T s s T s s (3.19) ลดควำมซับซ้อนลงจะได้สมกำร 3 hp 3 1 COP = ( - ) T T T (3.20) ดังที่เห็นได้ทั้งสองค ำจ ำกัดควำมของ COP ส ำหรับวัฏจักรคำร์โนต์นั้นขึ้นอยู่กับแหล่งควำม ร้อนที่มีอุณหภูมิต ่ำและสูง ซึ่งนี่เป็นกรณีของเครื่องยนต์ควำมร้อน 3.5 วัฏจักรการท าความเย็นคาร์โนต์ วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์(The carnot refrigeration cycle) เป็นวัฏจักรย้อนกลับ กระบวนกำรทั้งหมดในกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์สำมำรถย้อนกลับได้ดังนั้นจึงเป็นวัฏจักรกำร ท ำควำมเย็นที่มีประสิทธิภำพมำกที่สุด ในรูปที่ 3.6(a) เป็นแผนภำพไดอะแกรมของระบบ ท ำควำมเย็นวงจรคำร์โนต์รูปที่ 3.6(b) แสดงวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์โดยใช้ก๊ำซเป็นสำร ท ำงำน วัฏจักรคำร์โนต์นี้ประกอบด้วยกระบวนกำรย้อนกลับ 4 กระบวนกำร ได้แก่ 1. กระบวนกำร isothermal 4-1 ซึ่งควำมร้อน q1 ถูกสกัดออกที่อุณหภูมิคงที่ T1 ต่อ ปอนด์(กิโลกรัม) ของสำรท ำงำน 2. กระบวนกำรบีบอัด isentropic 1-2 3. กระบวนกำร isothermal 2-3 ซึ่ง q2 ถูกปฏิเสธที่อุณหภูมิคงที่T2 ต่อปอนด์(กิโลกรัม) ของสำรท ำงำน

55 4. กระบวนกำรขยำยตัวของ isentropic 3-4 ในรูปที่3.6(c) แสดงวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์โดยใช้ไอเป็นสำรท ำงำน ไอระเหยเปียก เป็นสำรท ำงำนชนิดเดียวที่กระบวนกำรจ่ำยควำมร้อนและกระบวนกำรปฏิเสธควำมร้อนสำมำรถ เกิดขึ้นได้ง่ำยที่อุณหภูมิคงที่ นี่เป็นเพรำะอุณหภูมิของไอเปียกยังคงคงที่เมื่อควำมร้อนแฝงถูก จ่ำยหรือปฏิเสธ เช่นเดียวกับในวัฏจักรก๊ำซ มีสองกระบวนกำร isothermal ที่ 4-1 และ 2-3 ดูด ซับควำมร้อนที่อุณหภูมิT1 และปฏิเสธควำมร้อนที่T2 ตำมล ำดับ และระบบมีสองกระบวนกำร isentropic คือกระบวนกำรอัดที่1-2 และอีกกระบวนกำรหนึ่งส ำหรับกำรขยำยตัวที่ 3-4 [3] (a) (b) (c) รูปที่3.6 วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์; (a) แผนภำพไดอะแกรมของระบบท ำควำมเย็น วงจรคำร์โนต์; (b) วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์โดยใช้ก๊ำซเป็นสำรท ำงำน; (c) วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์โดยใช้ไอเป็นสำรท ำงำน (ดัดแปลงจำก [3]) ประสิทธิภำพของวัฏจักรท ำควำมเย็นคำร์โนต์ตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ที่ เรียกว่ำกฎแห่งกำรอนุรักษ์พลังงำน เมื่อระบบท ำงำนภำยใต้วัฏจักรอุณหพลศำสตร์ควำม ร้อนสุทธิที่จ่ำยให้กับระบบจะเท่ำกับงำนสุทธิหรือ

56 ควำมร้อนที่รับเข้ำ + ควำมร้อนที่ถ่ำยเทออก = งำนสุทธิที่ท ำ (3.21) จำกรูปที่3.6(a),วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์ q1 -q2=- W หรือ q1=q2 - W (3.22) q2=q1+ W เมื่อ q1 คือ ควำมร้อนที่ระบบได้รับจำกสภำพแวดล้อมต่อปอนด์(หรือ กิโลกรัม) ของสำร ท ำงำนที่อุณหภูมิT1 ; เครื่องหมำยของ q1 เป็นบวก q2 คือ ควำมร้อนที่ถูกเอำออกจำกระบบสู่สิ่งแวดล้อมต่อปอนด์(หรือ กิโลกรัม) ของสำร ท ำงำนที่อุณหภูมิT2 ; เครื่องหมำยของ q2 เป็นลบ W คือ งำนที่ท ำสุทธิ (Net work done) ของระบบ; สัญลักษณ์จะเป็นบวก หรือหำกเป็นงำน ที่เข้ำระบบ; สัญลักษณ์จะเป็นลบ เช่นเดียวกับวัฏจักรคำร์โนต์ส ำหรับเครื่องยนต์ควำมร้อนแบบย้อนกลับ ควำมร้อนที่ระบบรับ โดยสำรท ำงำนจำกแหล่งควำมร้อนหรือสิ่งแวดล้อมที่อุณหภูมิT1 ผลกำรท ำควำมเย็นต่อปอนด์ (กิโลกรัม) ของสำรท ำงำนคือ q1 = T1 (s1 - s4 ) (3.23) โดยที่ S1 , S4 = เอนโทรปีที่จุดสถำนะ 1 และ 4 ตำมล ำดับ ด้วยหน่วย Btu/lb°R หรือ kJ/kg°K ส่วนควำมร้อนที่ถูกปฏิเสธไปยังอุปกรณ์ระบำยควำมร้อนที่อุณหภูมิT2 สำมำรถค ำนวณ ได้จำก q2 = -T2 (s3 - s2 ) = T2 (s2 - s3 ) (3.24) เมื่อ s2 , s3 คือเอนโทรปีที่จุดสถำนะ 2 และ 3 ตำมล ำดับ ด้วยหน่วย Btu/lb°R หรือkJ/kg°K เนื่องจำกกระบวนกำร 1-2 เป็นกระบวนกำรไอเซนโทรปิก (isentropic), s1 เท่ำกับ s2 , และใน กระบวนกำร isentropic 3-4, s3 เท่ำกับ s4 ด้วย ดังนั้น q2 = T2 (s1 - s4 ) (3.25) ส ำหรับ COP ของเครื่องท ำควำมเย็น ดังสมกำรที่ 3.9 และ 3.18 คืออัตรำส่วนของผลกำร ท ำควำมเย็น q1 ต่ออินพุตงำน Win ทั้งใน Btu/lb (kJ/kg) นั่นคือ COPref = ผลกำรท ำควำมเย็น/งำนเข้ำ = q1 /Win (3.26) โดยที่ q1 คือผลกำรท ำควำมเย็น (Refrigeration Effect) หรือ R.E

57 3.6วัฏจักรอัดไอ วัฏจักรคำร์โนต์ไม่สำมำรถท ำงำนได้ในทำงปฏิบัติจริงในกระบวนอัดไอ เนื่องจำกกำรยุบตัว ของของเหลวจะเกิดขึ้นระหว่ำงกำรบีบอัดของสำรท ำควำมเย็นที่มีสองสถำนะคือของเหลวและ ก๊ำซ นอกจำกนี้ของผสมนี้ส่วนใหญ่จะอยู่ในสถำนะของเหลวท ำงำนซึ่งจะขยำยตัวได้น้อยมำก หลังจำกกำรควบแน่นในเครื่องยนต์ควำมร้อน เพรำะฉะนั้น จึงใช้วัฏจักรอัดไอในอุดมคติแบบ ขั้นตอนเดียว (Single-stage ideal vapor compression cycle) แทนวงจรคำร์โนต์ (a) (b) (c) รูปที่3.7 วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นอัดไอในอุดมคติ : (a) แผนภำพไดอะแกรมของระบบ ท ำควำมเย็น; (b) แผนภำพ p-h ; (c)แผนภำพ T-s (ดัดแปลงจำก [3]) รูปที่ 3.7 แสดงให้เห็นวงจรกำรบีบอัดไอแบบขั้นตอนเดียวในอุดมคติ(Ideal single-stage vapor compression cycle) ซึ่งกำรอัดเกิดขึ้นในพื้นที่ที่มีควำมร้อนสูงเกินไป อุปกรณ์ควบคุม ปริมำณ (Throttling device) เช่น วำล์วขยำย (Expansion valve) ใช้แทนเครื่องยนต์ควำมร้อน single-state หมำยควำมว่ำมีกำรบีบอัดเพียงขั้นตอนเดียว วัฏจักรในอุดมคติคือวงจรที่ กระบวนกำรอัดแบบ isentropic และกำรสูญเสียแรงดันในท่อ วำล์วและส่วนประกอบอื่นๆ มีน้อย

58 มำก ในบทนี้จะกล่ำวถึงวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นครอบคลุมทั้งหมดที่เป็นวัฏจักรในอุดมคติยกเว้น รอบกำรวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นแบบอำกำศขยำยตัว (Air expansion refrigeration cycle) กำรอัดไอหมำยควำมว่ำสำรท ำควำมเย็นไอถูกบีบอัดให้มีควำมดันสูงขึ้น จำกนั้นของเหลวที่ ควบแน่นจะถูกเค้นให้มีแรงดันต ่ำลงเพื่อให้เกิดผลกำรท ำควำมเย็นโดยกำรระเหย ซึ่งหลักกำรจะ แตกต่ำงจำกระบบท ำควำมเย็นแบบดูดซึม (Absorption refrigeration cycle) หรือระบบท ำควำมเย็น แบบอำกำศขยำยตัว 3.6.1 กระบวนกำรไหล (Flow processes) ในรูปที่ 3.7(b) และ 3.7(c) แสดงวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นบนแผนภำพ p-h และ แผนภำพ T-S สำรท ำควำมเย็นจะเริ่มระเหยและระเหยทั้งหมดในเครื่องระเหยและก่อให้เกิดผล กำรท ำควำมเย็น (Refrigerating effect) จำกนั้นสำรท ำควำมเย็นสถำนะแก๊สจะถูกดึงออกมำโดย เครื่องอัดไอที่จุดที่1 และถูกอัดจำกจุดที่1 ไปจุดที่2 แล้วจึงถูกควบแน่นเป็นของเหลวในเครื่อง ควบแน่น ควำมร้อนแฝงของกำรควบแน่นจะถูกระบำยออกไปยังแผงระบำยควำมร้อน สำร ท ำควำมเย็นสถำนะของเหลวที่จุดที่ 3 ไหลผ่ำนวำล์วขยำยหรือวำล์วลดควำมดัน ซึ่งช่วยลด ควำมดันกำรระเหยให้สำรท ำควำมเย็นระเหยตัวที่ควำมดันต ่ำลง ในวัฏจักรอัดไอในอุดมคติ กระบวนกำรควบคุมปริมำณที่วำล์วขยำยเป็นกระบวนกำรเดียวที่ไม่สำมำรถย้อนกลับได้มักจะ แสดงให้เห็นด้วยเส้นประ ของเหลวบำงส่วนระเหยะเป็นไอและเข้ำสู่เครื่องระเหยที่จุดสถำนะ 4 ส่วนของเหลวที่เหลือจะระเหยที่อุณหภูมิกำรระเหย จึงท ำงำนเสร็จสิ้นวัฏจักรอย่ำงสมบูรณ์ 3.6.2 ประสิทธิภำพของวัฏจักร (Cycle performance) ส ำหรับกระบวนกำรระเหยระหว่ำงจุดที่4 และ 1 ตำมสมกำรพลังงำนกำรไหลคงที่ 2 2 4 4 1 1 # + + + = + 2 x778 2 x778 c c h v h v q W g g (3.27) โดยที่ h1 ,h4 เป็นเอนทำลปีของสำรท ำควำมเย็นที่จุดที่1และ 4 ตำมล ำดับ, Btu/lb (J/kg) V1 , V4 เป็นควำมเร็วของสำรท ำควำมเย็นที่จุดที่1 และ 4 ตำมล ำดับ, ft/s (m/s) q# เป็นควำมร้อนต่อปอนด์(กิโลกรัม) ของสำรท ำงำนระหว่ำงกระบวนกำร ระเหย, Btu/lb (J/kg) gc เป็นปัจจัยหรือแฟคเตอร์ของกำรแปลงหน่วยด้ำนมิติ32 lbm ·ft/lbf· s 2 เนื่องจำกไม่มีงำนในระหว่ำงกำรระเหย กำรเปลี่ยนแปลงของพลังงำนจลน์ระหว่ำงจุดที่ 4 และ 1 จึงมีขนำดเล็กเมื่อเทียบกับค่ำอื่นๆ ในสมกำร (3.27) และมักจะไม่ให้ควำมสนใจ จำก 4 # 1 h q h W + + = ผลกำรท ำควำมเย็น (R.E.) qref ,Btu/lb (J/kg) จะได้เป็น

59 # 1 4 = = - ref q q h h (3.28) ส ำหรับกำรอัดตัวแบบ isentropic ระหว่ำงจุดที่1 และ 2 กำรใช้สมกำรพลังงำนกำรไหลคงที่ (Steady flow energy) และเพิกเฉยต่อกำรเปลี่ยนแปลงของพลังงำนจลน์ซึ่งมี 1 2 2 1 + 0 = + - = - h h W W h h งำนที่ให้กับระบบคืองำนที่เครื่องอัดไอ Win , Btu/lb (kJ/kg) จะได้รับเป็น 2 1 = - W h h in (3.29) ในท ำนองเดียวกัน, ส ำหรับกำรควบแน่นระหว่ำงจุดที่2 และจุดที่3 2 # 3 h q h + = + 0 ควำมร้อนที่ปล่อยออกมำจำกสำรท ำควำมเย็นในคอนเดนเซอร์-q# , Btu/lb (kJ/kg), เป็น # 2 3 - = - q h h (3.30) ส ำหรับกระบวนกำรควบคุมปริมำตรระหว่ำงจุดที่ 3 และจุดที่ 4 สมมติว่ำกำรสูญเสียควำม ร้อนคือ 3 4 h h + 0 = + 0 หรือ 3 4 h h = (3.31) COPref ของวงจรกำรอัดไอในอุดมคติแบบขั้นตอนเดียว ดังสมกำร (3.26) คือ COPref = ผลการท าความเย็น / งานเข้า = q1 /Win = 1 4 2 1 - - h h h h (3.32) อัตรำกำรไหลเชิงมวลของสำรท ำควำมเย็น lb/h (kg/s) ที่ไหลผ่ำนเครื่องระเหย คือ = rc r rf Q m q (3.33) โดยที่ Qrc คือ ควำมสำมำรถในกำรท ำควำมเย็น, Btu/h (W)

60 จำกสมกำร (3.32), หำกควำมแตกต่ำงของควำมดันควบแน่นและกำรระเหยน้อย หรือหำก ควำมแตกต่ำงอุณหภูมิระหว่ำงกำรควบแน่นและกำรระเหย, Win ที่คอมเพรสเซอร์ที่สร้ำง Qrcจะ ต ่ำ ดังนั้น COP จะยิ่งสูงขึ้น หรือควำมดันระเหย (pev) และอุณหภูมิกำรระเหย (Tev) ที่สูงขึ้น หรือ ควำมดันควบแน่น (pcon) และอุณหภูมิกำรควบแน่น (Tcon) ที่ต ่ำจะประหยัดพลังงำนเสมอ [3] วัฏจักรอัดไอมำตรฐำนหรือวัฏจักรอัดไอหรือวัฏจักรอิ่มตัวขั้นตอนเดียว (Vapor compression cycle หรือ Single State Saturation; SSS) เป็นแบบจ ำลองส ำหรับวัฏจักรจริง เนื่องจำกมีควำมใกล้เคียงใกล้กับวัฏจักรคำร์โนต์ย้อนกลับมำกที่สุด จำกแผนภำพ T-s และ p-h ของวัฏจักรแสดงในรูปที่ 3.8 และ 3.9 ตำมล ำดับ [1] สมมติฐำนของวงจรอัดไอมำตรฐำนคือ : 1. สถำนะสำรท ำควำมเย็นที่ทำงเข้ำเครื่องอัดไอหรือทำงออกเครื่องระเหยเป็น สถำนะไออิ่มตัว 2. กำรอัดไอเป็นกระบวนกำร Isentropic 3. กำรปฏิเสธควำมร้อน (Heat rejection) เป็นกระบวนกำรIsobaric 4. สถำนะสำรท ำควำมเย็นที่ทำงออกเครื่องควบแน่นเป็นของเหลวอิ่มตัว 5. กำรขยำยตัวคือกำรควบคุมปริมำณด้วยเอนทำลปีคงที่ (Constant enthalpy) 6. กำรดูดซับควำมร้อน (Heat absorption) โดยกำรระเหยและเป็นกระบวนกำร Isobaric เครื่องอัดไอ (Compressor)สมมติว่ำท ำงำนในสถำนะคงที่ (Steady state) และกำรอัดที่ กระบวนกำร isentropic ด้วย, PE = KE=0, ตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ของเครื่อง อัดไอ ได้ 2 1 W m h h = ( - ) , kW (3.34) 2 1 W h h = ( - ) , kJ/kg (3.35) และ s2= s1 (3.36) เครื่องควบแน่น (Condenser)สมมติว่ำท ำงำนในสถำนะคงที่, PE = KE= 0 และ ไม่มีงำนที่ท ำ (Work done) เกิดขึ้นในระหว่ำงกำร reject heat, ตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ส ำหรับเครื่องควบแน่น ได้ 2 3 = ( - ) Q m h h c , kW (3.37) 2 3 = ( - ) c q h h , kJ/kg (3.38)

61 เครื่องระเหย (Evaporator)สมมติว่ำสถำนะกำรท ำงำนคงที่เช่นเดียวกับเครื่องอัดไอ และ เครื่องควบแน่น, PE = KE =0และไม่มีงำนที่ท ำเกิดขึ้นในระหว่ำงกำรดูดซับควำมร้อน (Heat absorption), ตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ส ำหรับเครื่องระเหย ได้ 1 4 = ( - ) Q m h h e , kW (3.39) 1 4 = ( - ) e q h h , kJ/kg (3.40) วาล์วขยาย (Expansion valve)อุปกรณ์ควบคุมปริมำณเป็นกระบวนกำรที่ไม่สำมำรถ ย้อนกลับได้ซึ่งควำมดันจะลดลงในขณะที่ไม่มีงำนเกิดขึ้น ขนำดของวำล์วมีขนำดเล็ก กำรถ่ำยเท ควำมร้อนจำกวำล์วขยำยตัวนั้นน้อยมำก สมมติว่ำกำรท ำงำนในสถำนะคงที่, PE = KE = 0 และไม่มีงำนเพลำ (Shaft work done) เกิดขึ้น ตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ส ำหรับวำล์ว ขยำยตัวให้ผลเป็น 3 4 Q W m h h = = 0 = ( - ) (3.41) หรือ h4=h3 (3.42) นี่เป็นกระบวนกำรที่ไม่สำมำรถย้อนกลับได้และแสดงด้วยเส้นประบนแผนภำพ T-s เห็น ได้ชัดว่ำ s4 > s3 ในแผนภำพ p-h จะแสดงด้วยเส้นแนวตั้ง ผลการท าความเย็น (Refrigeration effect; RE.) คือควำมแตกต่ำงของเอนทำลปี จ ำเพำะในเครื่องระเหยเรียกว่ำผลกำรท ำควำมเย็น นั่นคือ 1 4 = ( - ) e q h h ตำมสมกำรที่ (3.40) ผลกำรท ำควำมเย็นขึ้นอยู่กับควำมร้อนแฝงของสำรท ำควำมเย็น ค่ำนี้มีมำกส ำหรับสำรท ำควำม เย็น NH3 เมื่อเทียบกับค่ำส ำหรับสำรท ำควำมเย็นประเภท CFCs ส่วนอุณหภูมิTc และ Te จะ แตกต่ำงกันเล็กน้อย อัตรำกำรไหลเชิงมวลของสำรท ำควำมเย็น (Vs ) มีควำมสัมพันธ์กับอัตรำ กำรไหลกวำดจริงที่สำรท ำควำมเย็นเข้ำสู่เครื่องอัดไอ, ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับขนำดทำงกำยภำพ ควำมเร็วรอบและประสิทธิภำพเชิงปริมำตรของเครื่องอัดไอนั่นเอง แต่หำก 1 เป็นปริมำตร เฉพำะที่ทำงเข้ำเครื่องอัดไอ ดังนั้น 1 = s V m (3.43) 1 4 1 ( - ) = s e V h h Q , kW (3.44) ในเทอมของ 1 4 1 ( - ) h h มีหน่วยของ kJ/m 3 สิ่งนี้บ่งบอกถึงควำมสำมำรถในกำรท ำควำม เย็นต่อหน่วยอัตรำกำรไหลของปริมำตร ขึ้นอยู่กับสำรท ำควำมเย็น Tcและ Te และเรียกว่ำผล กำรท ำควำมเย็นเชิงปริมำตร

62 สัมประสิทธ์ิของสมรรถนะ (Coefficient of performance; COP) หมำยถึงอัตรำส่วน ของกำรวัดผลลัพธ์ที่ต้องกำรต่อกำรวัดผลของงำน นั่นก็คือ อัตรำส่วนของผลกำรท ำควำมเย็นต่อ งำนที่ให้ระบบ และแสดงเป็นสมกำรที่ (3.32) คือ 1 4 2 1 - COP = = - e q h h W h h จำกสมกำร, COP จึงขึ้นอยู่กับเอนทำลปีที่จุดสถำนะทั้งสี่ของวัฏจักร (ตำมรูปที่ 3.9) ซึ่ง ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิTe , Tc และสมบัติของสำรท ำควำมเย็นที่ใช้ในระบบ กำรอัดในวัฏจักร สันนิษฐำนว่ำเป็นกระบวนกำรไอเซนโทรปิก นั่นก็คือย้อนกลับได้เป็น กระบวนอะเดียเบติกย้อนกลับได้หมำยควำมว่ำกระบวนกำรจะด ำเนินกำรอย่ำงช้ำๆ ผ่ำนสถำนะ สมดุลจ ำนวนมำกและกระบวนกำรได้รับอนุญำตให้เข้ำสู่สมดุลในแต่ละสภำวะ เพื่อให้ กระบวนกำรสำมำรถย้อนกลับได้หำกมีงำนเข้ำระบบและกำรถ่ำยเทควำมร้อนแบบย้อนกลับได้ ในควำมเป็นจริงกำรอัดจะเกิดขึ้นในเวลำจ ำกัด และจะไม่สำมำรถย้อนกลับได้กำรใช้สภำวะทำง อุดมคติจะท ำให้สำมำรถค ำนวณควำมต้องกำรงำนได้อย่ำงง่ำยดำย จำกกระบวนกำรไอเซน โทรปิกเป็นอะเดียเบติก ดังนั้น หำกน ำมำเป็นมำตรฐำนของกำรท ำงำนขั้นต ่ำจะบอกเป็นนัยว่ำไม่ มีกำรถ่ำยเทควำมร้อนระหว่ำงกำรอัด ในกระบวนกำรจริง (Actual process) มีกำรปฏิเสธควำม ร้อนระหว่ำงกำรอัด พิจำรณำกำรปฏิเสธควำมร้อน Q12 ระหว่ำงกำรอัดที่แสดงในรูปที่ 3.8 ดังนั้น W = -W12 : งำนที่ให้ระบบจึงเป็นลบ Q = -Q12 : ควำมร้อนที่เอำออกจำกระบบจึงเป็นลบ จำกกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์จะได้ 12 12 2 1 - + = ( - ) Q W m h h 12 2 1 12 W m h h Q = ( - )+ (3.45) ในกรณีเช่นนี้งำนจะเพิ่มขึ้นหำกเพิ่มเอนทำลปีของสำรท ำควำมเย็น และไม่มีกำรกำรถ่ำยเท ควำมร้อนออก หำกต้องกำรให้งำนที่ท ำลดลงต้องให้Q12 เป็นศูนย์นั่นคือกระบวนกำรนี้ต้องเป็น กระบวนกำรอะเดียแบติก นอกจำกนี้หำกกระบวนกำรสำมำรถย้อนกลับได้ก็ไม่จ ำเป็นต้องกำรงำน เพื่อเอำชนะแรงเสียดทำน ดังนั้น ข้อก ำหนดในกำรท ำงำนจึงน้อยมำกส ำหรับกระบวนกำร ไอเซนโทรปิก

63 รูปที่3.8 วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นแบบอัดไอมำตรฐำนบนแผนภำพ T-s (ดัดแปลงจำก [1]) รูปที่3.9 วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นแบบอัดไอมำตรฐำนบนแผนภำพ p-h(ดัดแปลงจำก [1]) ส ำหรับเครื่องอัดอำกำศ (Air compressors) เป็นกำรอัดแบบไอโซเทอร์มอลถูกน ำมำใช้เป็น มำตรฐำน อำกำศมักจะเข้ำสู่เครื่องอัดไอที่อุณหภูมิห้องและเมื่อเกิดกำรบีบอัด อุณหภูมิของ อำกำศอัดสูงขึ้นดังนั้นจึงถ่ำยเทควำมร้อนออกไปยังสิ่งแวดล้อมได้ ส ำหรับกระบวนกำร

64 ไอเซนโทรปิก α p –1/ ในขณะที่กระบวนกำรไอโซเทอร์มอล α 1/p ดังนั้น ปริมำตรจ ำเพำะจะ ลดลงในอัตรำที่เร็วขึ้น ส ำหรับกระบวนกำรไอโซเทอร์มอล และควำมต้องกำร dp มีขนำดเล็ก กว่ำกำรอัดแบบไอเซนโทรปิก หำกอำกำศถูกสันนิษฐำนว่ำเป็นก๊ำซสมบูรณ์แบบ (Perfect gas) หรือแก๊สสมมติเอนทำลปี จะเป็นฟังชั่นของอุณหภูมิเท่ำนั้นส ำหรับกำรอัดแบบไอโซเทอร์มอล เป็นผลให้T2 = T1 และ h2= h1 , ดังนั้น สมกำรที่ 3.45 ควำมต้องกำรงำนจะลดลงส ำหรับกำรบีบอัดไอโซเทอร์มอลของ ก๊ำซสมบูรณ์แบบ งำนที่ท ำจะเท่ำกับควำมร้อนที่ปฏิเสธหรือควำมร้อนที่เอำออกจำกระบบ (W = Q) นั่นคืองำนที่ท ำเพื่อรักษำก๊ำซสมบูรณ์ที่อุณหภูมิคงที่ในขณะที่ควำมดันเพิ่มขึ้น ในกรณีของระบบท ำควำมเย็น สำรท ำควำมเย็นที่เข้ำสู่เครื่องอัดไอมีอุณหภูมิต ่ำมำกเมื่อ เทียบกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ดังนั้นควำมร้อนจึงไม่สำมำรถถ่ำยเทจำกสำรท ำควำมเย็นสู่ สภำพแวดล้อมได้ในตอนท้ำยของกำรอัดนี้อุณหภูมิไอระเหยอำจสูงกว่ำอุณหภูมิห้องและควำม ร้อนบำงส่วนสำมำรถถูกถ่ำยเทให้กับสิ่งแวดล้อมได้แต่อย่ำงไรก็ตำม ในปัจจุบันเครื่องอัดไอมี ประสิทธิภำพมำกจึงท ำให้มีเวลำในกำรถ่ำยเทควำมร้อนน้อยลงมำก อุณหภูมิอิ่มตัว (Saturated temperature) ยังเพิ่มขึ้นตำมควำมดันที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นในระหว่ำงกำรอัด กำรเพิ่มขึ้นของ อุณหภูมิจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้และกำรอัดแบบไอโซเทอร์มอลไม่สำมำรถท ำได้กำรอัดจริงจะต้อง ท ำงำนมำกกว่ำกำรอัดแบบไอเซนโทรปิก เนื่องจำกไม่สำมำรถย้อนกลับได้เนื่องจำกผลจำกแรง เสียดทำนและกำรถ่ำยเทควำมร้อนท่ำมกลำงควำมแตกต่ำงของอุณหภูมิเอนโทรปีจะไม่คงที่ใน ระหว่ำงกำรอัดแสดงด้วยเส้นประ 1-2 ในรูปที่3.8 แสดงเส้นประใช้เพื่อระบุว่ำเป็นกระบวนกำร ที่ไม่สำมำรถย้อนกลับได้ กระบวนกำรจริงนั้นยำกมำกที่จะติดตำมและก ำหนด ดังนั้นจึงมีกำร ก ำหนดประสิทธิภำพไอเซนโทรปิก (Isentropic efficiency) ส ำหรับเครื่องอัดไอซึ่ง ประสิทธิภาพ ไอเซนโทรปิกของคอมเพรสเซอร์เป็นอัตรำส่วนของงำนเฉพำะไอเซนโทรปิก (h2 - h1 ) ต่องำน เฉพำะจริง (h2-h1 ) แลสำมำรถหำได้โดย 2 1 2 1 isentropic work - = = actual work - isen h h h h (3.46) ประสิทธิภำพไอเซนทรอปิกแตกต่ำงกันไปตำมควำมดันเครื่องควบแน่นและควำมดันเครื่อง ระเหย โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 0.5 ส ำหรับเครื่องอัดไอชนิดปิดสนิท (Hermetic compressor) และ ประมำณ 0.8 ส ำหรับเครื่องอัดไอขนำดใหญ่ ที่Te และ Tc ที่ก ำหนดสัมประสิทธิ์ของสมรรถนะ (Coefficient of performance: COP) ของวงจรคำร์โนแบบย้อนกลับสูงสุด แนวคิดของ ประสิทธิภำพกำรท ำควำมเย็นถูกน ำไปใช้เพื่อหำประสิทธิภำพของวัฏจักร ประสิทธิภำพกำรท ำ ควำมเย็น (Refrigerating efficiency) จึงถูกก ำหนดให้เป็น COP = COP R RC (3.47)

65 สมกำรนี้จะช่วยบ่งชี้ว่ำวัฏจักรหรือระบบท ำควำมเย็นเข้ำใกล้วัฏจักรย้อนกลับในอุดมคติมำก เพียงใด ตัวอย่างที่ 3.1 วัฏจักรอัดไอมำตรฐำนมีควำมสำมำรถในกำรท ำควำมเย็นได้ 50 kW ใช้สำร ท ำควำมเย็น R-22 ท ำงำนที่อุณหภูมิกำรกลั่นตัว (Condensing temperature) 35๐C และ อุณหภูมิระเหยตัว (Evaporating temperature) -10๐C จงค ำนวณหำ a) Refrigeration Effect ในหน่วย kJ/kg b) อัตรำกำรไหลเชิงมวลของสำรท ำควำมเย็น ในหน่วย kg/s c) ก ำลังงำนของเครื่องอัดไอที่ต้องกำรในหน่วย kW d) สัมประสิทธิ์สมรรถนะ (COP) e) อัตรำกำรไหลเชิงปริมำตรที่เข้ำเครื่องอัดไอ f) ก ำลังงำนต่อ kW กำรท ำควำมเย็น g) อุณหภูมิสำรท ำควำมเย็นที่ทำงออกเครื่องอัดไอ วิธีทา ร่ำงแผนภำพวัฏจักรบนแผนภำพ p-h ของ R-22 และก ำหนดจุดดังนี้ 1. ร่ำงเส้นอุณหภูมิกลั่นตัว และอุณหภูมิระเหย (เส้นประทั้ง 2 เส้นบนแผนภำพที่ อุณหภูมิกลั่นตัว 35๐C และอุณหภูมิระเหย -10๐C) ลงบนแผนภำพ p-h ของ R-22 โดยเส้นทั้ง 2 ลำกผ่ำนเส้นทำงซ้ำยของแผนภำพหรือเส้นของเหลวอิ่มตัว และทำงขวำของแผนภำพคือเส้นไอ อิ่มตัว ดังรูปที่ 3.10 รูปที่ 3.10 เส้นอุณหภูมิกลั่นตัว และอุณหภูมิระเหยบนแผนภำพ p-h 2. เมื่อได้เส้นอุณหภูมิทั้งสองเส้นที่ลำกผ่ำนเส้นของเหลวอิ่มตัวและไออิ่มตัวแล้ว เริ่ม ก ำหนดต ำแหน่งที่ง่ำยขึ้นก่อน โดยให้ต ำแหน่งที่ 1 คือต ำแหน่งสำรท ำควำมเย็นก่อนเข้ำเครื่อง อัดไอ เนื่องจำกวัฏจักรอัดไอมำตรฐำนถูกก ำหนดให้สำมำรถค ำนวณได้ง่ำย และได้ค่ำใกล้เคียง

66 กับควำมจริงมำก นอกจำกนี้ในทำงปฏิบัติสถำนะของสำรท ำควำมเย็นที่เข้ำเครื่องอัดไอต้องมี สถำนะเป็นไอหรือก๊ำซเท่ำนั้น ซึ่งหำกมีของเหลวผสมเข้ำมำนั่นอำจจะสันนิษฐำนว่ำสำรท ำควำม เย็นไม่สำมำรถระเหยได้หมดในเครื่องระเหย ระบบไม่สำมำรถสร้ำงควำมเย็นได้ตำมต้องกำร และจะเกิดควำมเสียหำยให้กับเครื่องอัดไอโดยเฉพำะวำล์วด้ำนดูดของเครื่องอัดไอ ดังนั้นจุดที่ 1 คือต ำแหน่งที่ออกจำกเครื่องระเหย และเป็นก๊ำซได้ ก็คือต ำแหน่งที่1 ดังรูปที่3.10 เท่ำนั้น 3. ก ำหนดต ำแหน่งที่ 3 โดยต ำแหน่งที่ 3 คือต ำแหน่งที่สำรท ำควำมเย็นควบแน่นเป็น ของเหลวอิ่มตัวที่ออกจำกเครื่องควบแน่นดังรูปที่ 3.11(a) ลงบนแผนภำพ p-h ดังรูปที่ 3.12สำร ท ำควำมเย็นที่ออกจำกเครื่องควบแน่นต้องเป็นของเหลวอิ่มตัวเพื่อให้สำรท ำควำมเย็นสำมำรถ รับควำมร้อนจำกสิ่งแวดล้อมหรือพื้นที่ที่ต้องกำรสร้ำงควำมเย็นได้หำกสำรท ำควำมเย็นที่ออก จำกเครื่องควบแน่นเป็นของผสมแล้ว ในส่วนของก๊ำซจะไม่สำมำรถรับควำมร้อนจำกพื้นที่ที่ ต้องกำรได้ (a) (b) รูปที่ 3.11 ต ำแหน่งที่ 1; (a) วัฏจักรท ำควำมเย็น และ (b) แผนภำพ p-h รูปที่3.12 ต ำแหน่งที่ 3 บนแผนภำพ p-h

67 4. จำกจุดที่ 3 ที่ทำงออกเครื่องควบแน่นผ่ำนวำล์วขยำยเข้ำสู่ทำงเข้ำเครื่องระเหย โดย วำล์วขยำยท ำหน้ำที่ลดควำมดันโดยไม่มีกำรถ่ำยเทควำมร้อนและงำนเข้ำ-ออกจำกระบบ ดังนั้น ในวัฏจักรอัดไอมำตรฐำนจะได้เป็นเส้นเอลทำลปีคงที่จำกต ำแหน่งที่ 3 ไปตัดกับเส้นอุณหภูมิ คงที่เป็นต ำแหน่งที่ 4 ดังรูปที่3.13 รูปที่3.13 ต ำแหน่งที่4 บนแผนภำพ p-h 5. ตำมที่กำรอัดในวัฏจักรมำตรำฐำนสันนิษฐำนว่ำเป็นกระบวนกำรไอเซนโทรปิก หรือ เอนโทรปีคงที่ (s=Const.) นั่นคือกำรอัดสำรท ำควำมเย็นจำกต ำแหน่งที่ 1 หรือทำงเข้ำเครื่องอัดไอ ไปทำงออกเครื่องอัดไอ (ต ำแหน่งที่ 2) จะท ำงำนบนกระบวนกำรไอเซนโทรปิ ก เส้นแสดง กระบวนกำรอัดจำกต ำแหน่งที่1 ไปต ำแหน่งที่ 2 จึงลำกขนำนเส้นเอนโทรปีคงที่จนไปตัดเส้นควำม ดันคงที่ที่เป็นควำมดันเดียวกับเครื่องควบแน่น ดังกรำฟบนแผนภำพ p-h ดังรูปที่3.14 รูปที่ 3.14 ต ำแหน่งที่ 2 บนแผนภำพ p-h

68 จำกก ำหนดต ำแหน่งทั้ง 4 จุด ที่เส้นอุณหภูมิเป็นหลัก และหำคุณสมบัติต่ำงๆ จำก แผนภำพ p-h ของสำรท ำควำมเย็น R-22 ได้ค่ำดังแสดงในรูปที่3.15 ค่ำของ h1 คือ เอนทำลปีของไออิ่มตัวที่ -10๐C ซึ่งมีค่ำประมำณ h1= 401 kJ/kg หำค่ำ h2 ลำกเส้นจำกจุด 1 ไปตำมเส้นเอนโทรปีคงที่จนถึงเส้นควำมดันอิ่มตัวที่ สอดคล้องกับอุณหภูมิ 35๐C ในที่นี้ คือ 1,354 kPa จะได้ค่ำ h2 = 435 kJ/kg รูปที่ 3.15 ค่ำเอนทำลปีจำกแผนภำพ p-h (ดัดแปลงจำก [4]) ค่ำ h3และ h4 จะเท่ำกัน ซึ่งเท่ำกับเอนทำลปีของของเหลวอิ่มตัวที่ 35๐C, h3 = h4 = 243 kJ/kg สรุปคือ h1 =401 kJ/kg h2=435 kJ/kg h3= h4=243 kJ/kg a) R.E =h1 -h4= 401-243 = 158 kJ/kg b) อัตรำกำรไหลของสำรท ำควำมเย็น สำมำรถค ำนวณได้จำกกำรหำรขนำดกำรท ำ ควำมเย็นด้วย R.E อัตรำกำรไหลของสำรท ำควำมเย็น = 50 kW 158 kJ/kg = 0.32 kg/s c) ก ำลังงำนที่ต้องกำรส ำหรับเครื่องอัดไอ คือ งำนของกำรอัดตัวในหน่วย kJ/kg คูณ กับอัตรำกำรไหลของสำรท ำควำมเย็น ก ำลังงำนของเครื่องอัดไอ = (0.32 kg/s)(435 - 401 kJ/kg)

69 = 10.6 kW d) ค่ำ COP จะเท่ำกับอัตรำกำรท ำควำมเย็นหำรด้วยก ำลังงำนของเครื่องอัดไอ COP = 50 kW 10.6 kW = 4.72 e) อัตรำปริมำตรกำรไหลที่ทำงเข้ำเครื่องอัดไอจะหำได้ต้องทรำบค่ำของปริมำตรจ ำเพำะ ของสำรท ำควำมเย็นที่จุด 1 จำกแผนภำพ p-h ดังรูปที่3.16 จะได้ค่ำเป็น 0.0654 m 3 /kg ดังนั้น ปริมำตรของกำรไหล = (0.32 kg/s)(0.0654 m3 /kg) = 0.0206 m 3 /s หรือ 20.6 L/s รูปที่ 3.16 ค่ำปริมำตรจ ำเพำะจำกแผนภูมิ p-h f) ก ำลังงำนต่อ kW กำรท ำควำมเย็นหำได้จำก ก ำลังงำนต่อ kW ท ำควำมเย็น = 10.6 kW 50 kW = 0.212 kW/kW g) อุณหภูมิส่งออกจำกเครื่องอัดไอ คืออุณหภูมิที่จุด 2 ซึ่งอ่ำนได้จำกจำกแผนภำพ P-h ใน รูปที่ 3.17 ได้เท่ำกับ 57๐C

70 รูปที่ 3.17 ค่ำอุณหภูมิส่งออกจำกเครื่องอัดไอจำกแผนภูมิ p-h ตัวอย่างที่3.2 จงหำเอนทำลปีและปริมำตรจ ำเพำะระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอ ส ำหรับกำร อัดไอแบบ ไอเซนทรอปิกจำกควำมดันอิ่มตัวที่สอดคล้องกับอุณหภูมิเครื่องระเหยที่ -10๐C, ที่ สถำนะ 1 ถึงอุณหภูมิ40 ๐C ที่สถำนะ 2 ส ำหรับสำรท ำควำมเย็น CHClF2 หรือ R-22 [1] วิธีท า ร่ำงแผนภำพวัฏจักรบนแผนภำพ P-h ของ R-22 กระบวนกำรอัดไอแบบไอเซน โทรปิก ต ำแหน่ง 1-2 ส ำหรับ RC (Reversed Carnot cycle) อิ่มตัว และก ำหนดจุดดังรูปที่ 3.18 รูปที่3.18 ก ำหนดต ำแหน่งบนวัฏจักรท ำควำมเย็นแบบอัดไอและแผนภำพ p-h จำกแผนภำพ p-h ของ CHClF2 หรือ R-22 ได้ s1 = s2 0.95 p2 10.0 bar

71 h2 273 kJ/kg และ 2 0.027 m 3 /kg เมื่อร่ำงแผนภำพ p-h ของสำรท ำควำมเย็น CHClF2 แล้ว และสำมำรถก ำหนดจุดบน แผนภำพได้ เอนทำลปีและปริมำตรจ ำเพำะ และค่ำอื่นๆ ได้ดังรูปที่ 3.19 รูปที่ 3.19แผนภำพ p-h ข้อสังเกตุ: แผนภูมิควำมดัน-เอนทำลปีมีควำมแม่นย ำ และสะดวกมำกส ำหรับใช้ในกำร ค ำนวณวัฏจักรอุณหพลศำสตร์มีประโยชน์อย่ำงยิ่งส ำหรับกำรหำค่ำของเอนทำลปีโดยเฉพำะ ส ำหรับกำรอัดแบบไอเซนทรอปิก ซึ่ง Richard Mollier เป็นผู้เสนอแผนภูมินี้ขึ้น สเกลของ ควำมดันในแผนภูมินี้จะเป็นสมกำรลอกำริทึม (Logarithmic) สเกลลอกำริทึมจะให้ควำมแม่นย ำสูง ที่แรงดันต ่ำ และที่ต ำแหน่งใกล้ควำมดันวิกฤตของแผนภูมิหรือจุดวิกฤต (Critical point) จะมีสเกล ของแผนภูมิห่ำงกันน้อยมำก เส้นเอนโทรปีคงที่โค้งลงเนื่องจำกกำรสเกลของควำมดันนี้แผนภำพ p-h ของรูปที่ 3.9 ก็มีสเกลควำมดันเชิงเส้น เส้นไอโซเทอร์มอลในแผนภูมินี้เป็นเส้นที่วิ่งลงจำก เส้นไออิ่มตัว เส้นเหล่ำนี้เหมือนกับเส้นของเอนทำลปีคงที่ (เส้นแนวตั้ง) ที่ควำมดันต ่ำซึ่งบ่งชี้ว่ำ เอนทำลปีไม่แตกต่ำงกันอย่ำงมีนัยส ำคัญกับควำมดันที่ควำมดันต ่ำ วัฏจักรอัดไอ (วัฏจักร SSS) แสดงได้ง่ำยในแผนภูมินี้สถำนะที่ 2 หลังจำกกำรอัดแบบ isentropic หรือ เอนโทรปีคงที่ที่ควำม ดันเดียวกันกับเครื่องควบแน่น ซึ่งเริ่มต้นจำกต ำแหน่งที่1 ที่เป็นจุดเริ่มต้นของเอนโทรปีคงที่โดย เริ่มจำกอุณหภูมิเครื่องระเหยที่สถำนะที่1 นั่นเอง กระบวนกำรควบคุมปริมำณต ำแหน่ง 3-4 เป็น เส้นแนวตั้งระหว่ำงควำมดันทั้งสอง แผนภูมิดังกล่ำวสำมำรถใช้ได้แต่มีกำรสูญเสียควำมแม่นย ำลง เมื่อเทียบกับกำรใช้ตำรำงสมบัติทำงอุณหพลศำสตร์ของสำรท ำควำมเย็น

72 3.7 ของเหลวเยน ็ ยิ่งและไอร้อนยวดยิ่ง 3.7.1 กำรท ำของเหลวเย็นยิ่ง หรือ Subcooling บ่อยครั้งที่สำรท ำควำมเย็นเหลวที่ออกจำกเครื่องควบแน่นอำจถูกท ำให้เย็นลงซึ่ง หมำยควำมว่ำอุณหภูมิน้อยกว่ำอุณหภูมิอิ่มตัวที่ควำมดันควบแน่น กำรท ำของเหลวเย็นยิ่งอำจ เกิดขึ้น กล่ำวคือ สมมติว่ำ ของเหลวอำจถูกท ำให้เย็นลงภำยในเครื่องควบแน่นหรือหลังจำกออก จำกเครื่องควบแน่น หำกใช้เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนแบบเปลือกและท่อ(Shell-and-tube heat exchanger) ที่มีน ้ำอยู่ด้ำนในท่อเป็นตัวระบำยควำมร้อนของเครื่องควบแน่น จำกนั้นสำมำรถท ำ subcooling ได้หำกน ้ำเย็นสัมผัสกับสำรท ำควำมเย็นเหลวซึ่งสะสมที่ด้ำนล่ำงของเปลือก subcooling มักจะได้มำจำกน ้ำเย็นที่แยกออกจำก subcooling ในเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อน (Heat Exchanger; HEX.) ดังรูปที่3.20 รูปที่3.20 เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนแบบเปลือกและท่อ ในรูปที่ 3.20 น ้ำเย็นอำจถูกป้อนอย่ำงอิสระไปยัง HEX และเครื่องควบแน่นย่อยดังแสดงใน รูปที่ 3.21 หรือน ้ำไหลออกจำก HEX ย่อยอำจถูกป้อนไปยังเครื่องควบแน่น (แสดงด้วยเส้นประ ในรูปที่ 3.21) ในเครื่องควบแน่นระบำยควำมร้อนด้วยอำกำศอำจได้รับ subcooling หำก ของเหลวสัมผัสกับอำกำศที่เย็นที่สุดที่เข้ำสู่เครื่องควบแน่นเนื่องจำกอุณหภูมิของเหลวอิ่มตัวสูง กว่ำอุณหภูมิขำเข้ำของอำกำศ 10 ถึง 15 ๐C วำล์วขยำยตัวมักจะมีลักษณะเป็นคอคอด (Orifice) ซึ่งใช้ส ำหรับควบคุมกำรไหลของ ของเหลว หำกส่วนผสมของของเหลวและไอเข้ำสู่ปำกทำงเข้ำ อัตรำกำรไหลของมวลจะลดลง อย่ำงมำกเนื่องจำกควำมหนำแน่นของส่วนผสมของของเหลวและไอระเหยน้อยกว่ำของเหลว มำก ดังนั้นควรระบำยควำมร้อนออกจำกสำรท ำควำมย็นให้หมดเพื่อให้แน่ใจว่ำมีเพียงสำร ท ำควำมเย็นเหลว หรือ subcooled liquid เท่ำนั้นที่เข้ำสู่วำล์วขยำยตัว วำล์วขยำยตัวเชื่อมต่อ กับเครื่องควบแน่นโดยท่อซึ่งจะเกิดแรงดันตกขึ้นเนื่องจำกแรงเสียดทำนของท่อ และแรงดันตก จะเกิดขึ้นเนื่องจำกแรงโน้มถ่วงหำกวำล์วขยำยตัวถูกติดตั้งที่ระดับควำมสูงกว่ำเครื่องควบแน่น ดังนั้นหำกของเหลวอิ่มตัวเข้ำสู่ท่อจำกนั้นเมื่อถึงวำล์วขยำยตัวควำมดันจะลดลงจำกต ำแหน่ง 3

73 เป็น 3a ในรูปที่ 3.22 และของเหลวจะเริ่มระเหยกลำยเป็นส่วนผสมของของเหลวและไอระเหย จึงท ำให้อัตรำกำรไหลผ่ำนวำล์วขยำยตัวเสียไป จึงท ำให้อัตรำกำรไหลของสำรท ำควำมเย็นเหลว ที่ผ่ำนวำล์วขยำยลดลง ที่ควำมดันตกคร่อมเท่ำกันจะเปลี่ยนสถำนะจำก 3 เป็น 3 a โดยที่ ของเหลวยังคงอยู่ในสถำนะ subcooled หรืออยู่ในสถำนะอิ่มตัวมำกที่สุดดังแสดงในรูปที่ 3.22 ดังนั้นจึงเป็นที่ต้องกำรที่จะท ำให้สำรท ำควำมเย็นเหลว subcooled ก่อนที่สำรท ำควำมเย็นจะเข้ำ สู่วำล์วขยำยตัว [1] รูปที่ 3.21 วัฏจักรท ำควำมเย็นแบบอัดไอร่วมกับ Subcooling HEX. (ดัดแปลงจำก [1]) ข้อดีอีกประกำรของ subcooling คือผลของกำรท ำควำมเย็น หรือค่ำ Refrigeration Effect (R.E) เพิ่มขึ้น อย่ำงเช่นส ำหรับกำรท ำ subcooling ในทุกองศำเซลเซียส ( ๐C) ที่เพิ่มขึ้น ของผลกำรท ำควำมเย็นจะเป็นสัดส่วนกับควำมร้อนจ ำเพำะของของเหลวซึ่งจะมีค่ำสูงมำกใน ระบบที่ใช้NH3 เป็นสำรท ำควำเย็น เอนทำลปีของของไหลเย็นยิ่ง หรือ subcooled liquid ไม่มีอยู่ในตำรำงคุณสมบัติจะต้อง มีกำรค ำนวณด้วยรูปที่ 3.22 และ 3.23 แสดงสถำนะ subcooled บนไดอะแกรม T-s และ p-h

74 รูปที่ 3.22แผนภำพ P-h แสดงผลจำก subcooling (ดัดแปลงจำก [1]) รูปที่ 3.23แผนภำพ T-s แสดงผลจำก subcooling(ดัดแปลงจำก [1]) 3.7.2 กำรท ำไอร้อนยวดยิ่ง หรือ Superheating ไอระเหยของสำรท ำควำมเย็นที่ออกจำกเครื่องระเหยจะมีอุณหภูมิต ่ำกว่ำอุณหภูมิ ของอำกำศโดยรอบ ท่อที่เชื่อมต่อเครื่องระเหยกับเครื่องอัดไอมักจะถูกหุ้มฉนวน ถึงกระนั้น ก็ยัง มีกำรเกิดกำรรั่วไหลของถ่ำยเทควำมร้อนที่เกิดขึ้นกับสำรท ำควำมเย็นและเกิดควำมร้อนสูง ยิ่งยวดขึ้นกับท่อนี้และเข้ำสู่เครื่องอัดไอ นอกจำกนี้ยังเกิดควำมดันตกคร่อมขึ้นในท่อเนื่องจำก ควำมต้ำนทำนของแรงเสียดทำนที่ผนังท่อ จุดส ำคัญคือต้องกำรชี้ให้เห็นว่ำควำมร้อนสูงเป็น สิ่งจ ำเป็นและต้องกำร เนื่องจำกจะช่วยให้มั่นใจได้ว่ำสำรท ำควำมเย็นในสถำนะของเหลวจะไม่ เข้ำสู่เครื่องอัดไอ

75 ดังได้อธิบำยไว้แล้วในข้ำงต้น คือ เครื่องอัดไอจะท ำงำนกับไอแห้งเท่ำนั้น และกำรเกิดควำม เสียหำยจำกของเหลวที่เข้ำเครื่องอัดไอ ซึ่งจะสรุปให้เป็นข้อๆ ดังนี้ 1. สำรท ำควำมเย็นเหลวที่เคลื่อนที่เข้ำเครื่องอัดไอจะมีลักษณะเป็นละออง หรือหยด เล็กๆ (Droplets) คลื่อนที่ด้วยควำมเร็วสูงและจะกระแทกวำล์วของเครื่องอัดไอ เช่นเดียวกับลูกกระสุนปืนซึ่งจะก่อให้เกิดควำมเสียหำยขึ้น 2. หยดของเหลวจะผสมกับน ้ำมันหล่อลื่นมำกกว่ำสำรท ำควำมเย็นในสถำนะไอ ท ำให้ เกิดสึกหรอกับเครื่องอัดไอแบบลูกสูบ 3. กำรก่อตัวของฟองอำกำศและกำรระเบิดของฟองอำกำศในระหว่ำงกำรระเหยท ำให้ พื้นผิวของใบมีดของคอมเพรสเซอร์แรงเหวี่ยงเสียหำยและเพิ่มควำมต้ำนทำนแรง เสียดทำน ดังนั้นจึงเป็นที่พึงปรำรถนำที่จะเพิ่มควำมร้อนให้กับไอระเหยก่อนที่จะเข้ำสู่เครื่องอัดไอ บำงครั้งก็ท ำโดยกำรท ำให้ไอระเหยร้อนจัดในเครื่องระเหยเอง ด้วยวำล์วลดควำมดันชนิดควบคุม ด้วยควำมร้อน (Thermostatic Expansion Valve – TXV) หรือวำล์วขยำยชนิดควบคุมอุณหภูมิ ซึ่งจะส่งผลให้ได้รับผลกำรท ำควำมเย็นเพิ่มขึ้น แต่อย่ำงไรก็ตำม กำรที่จะพยำยำมท ำให้เกิด ควำมร้อนสูงโดยกำรถ่ำยเทควำมร้อนในท่อระหว่ำงเครื่องระเหยกับเครื่องอัดไอนี้ก็ท ำงำนได้ไม่ แน่นอนและก่อให้เกิดกำรสูญเสียพลังงำนและลด COP ดังนั้นจึงขอแนะน ำว่ำไอระเหยอำจถูก ท ำให้ร้อนจัดในกระบวนกำรที่สร้ำงขึ้นเสริมใหม่ หรือ regenerative process นั่นคือ ใช้เครื่อง แลกเปลี่ยนควำมร้อนระหว่ำงสำรท ำควำมเย็นเหลวและสำรท ำควำมเย็นไอ ดังรูปที่ 3.23 ใน เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนนี้ไออุณหภูมิต ่ำที่ออกจำกเครื่องระเหยจะได้รับควำมร้อนสูงยิ่งยวด โดยกำรถ่ำยเทควำมร้อนจำกสำรท ำควำมเย็นเหลวที่ออกจำกเครื่องควบแน่น รูปที่ 3.23 เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนแบบ Liquid-to-suction ที่ติดตั้งกับระบบท ำควำมเย็น [5] ในเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนนี้ไอสำรท ำควำมเย็นอุณหภูมิต ่ำที่ออกจำกเครื่องระเหยจะ ได้รับควำมร้อนสูงยิ่งยวดโดยกำรถ่ำยเทควำมร้อนจำกของเหลวออกจำกเครื่องควบแน่น ซึ่ง ในทำงกลับกันของเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนจะเป็น subcooling ดังนั้นเครื่องแลกเปลี่ยนควำม ร้อนนี้จึงท ำงำนได้ตำมวัตถุประสงค์ที่ต้องกำรคือท ำให้ของเหลวเย็นลงและท ำให้ไอเป็นร้อน

76 ยิ่งยวด แผนภำพของวัฏจักรดังกล่ำวแสดงในรูปที่ 3.24(a) และแผนภำพวงจร T-s และ p-h แสดงในรูปที่3.24(b) และ 3.24(c) ตำมล ำดับ (a) แผนภำพวัฏจักร (b) แผนภำพ T- s (c) แผนภำพ P-h รูปที่3.24 ระบบท ำควำมเย็นที่ติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อน (ดัดแปลงจำก [1]) ผลกำรท ำควำมเย็นเพิ่มขึ้นโดย h3 - h3 และหำกสมมติว่ำ HEX นี้มีควำมเป็นฉนวนอย่ำง สมบูรณ์ไม่ให้มีกำรถ่ำยเทควำมร้อนรั่วไหลไปยังสภำพแวดล้อม กำรสมดุลของพลังงำนส ำหรับ เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนนี้จะได้เป็น 3 4 1 1 h h h h - = - (3.48) 1 3 1 3 = - = - e q h h h h (3.49) 3 3 3 3 1 1 - = ( - ) = ( - ) pf pg h h c t t c t t

77 1 1 3 3 ( - ) - t t t t >( ) ดังนั้น > pf pg c c ถ้ำเปรียบเทียบกันระหว่ำงระบบที่ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนกับวัฎจักรอัดไอมำตรฐำนแล้ว มีข้อดีกว่ำคือที่เครื่องท ำควำมเย็นขนำดเดียวกันจะให้ค่ำของ R.E สูงกว่ำ ดังนั้น และ COP ก็ ต้องสูงขึ้น แต่อย่ำงไรก็ตำมอำจไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป ถึงแม้ว่ำค่ำของ R.E จะสูงขึ้น แต่ไอสำร ท ำควำมเย็นทำงด้ำนดูดของเครื่องอัดไอจะเป็นไอร้อนยวดยิ่งซึ่งงำนของกำรอัดตัวในหน่วย kJ/kg ก็จะต้องสูงกว่ำกรณีสำรท ำควำมเย็นเป็นเป็นไออิ่มตัว และในแง่ของขนำดควำมจุที่ ต ำแหน่งที่ 1 จะมีปริมำตรจ ำเพำะสูงกว่ำที่จุด 1 อย่ำงแน่นอนแต่เครื่องอัดไอจะมีปริมำตรกวำด คงเดิม ดังนั้น อัตรำกำรไหลของมวลสำรท ำควำมเย็นจึงน้อยลง ซึ่งจะเป็นอุปสรรคในกำรเพิ่มขึ้น ของ COP ดังนั้นกำรใช้เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนแบบนี้ ก็อำจจะมีข้อได้เปรียบ-ข้อเสียเปรียบ เช่นกัน หรือนั้นหมำยถึง COP จะไม่ได้เพิ่มขึ้นเสมอไป ตัวอย่างที่ 3.3 ระบบอัดไอแบบแรงเหวี่ยงแบบขั้นตอนเดียวขนำด 500 Ton of Refrigeration (TR) (หรือ 1,760 kW) ใช้HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon-22) หรือ R-22 เป็นสำรท ำควำมเย็น สำรท ำควำมเย็นเข้ำสู่เครื่องอัดไอที่สถำนะไออิ่มตัวแห้ง กระบวนกำรอัดไอ สันนิษฐำนว่ำเป็น isentropic ก๊ำซร้อนจะถูกปล่อยไปยังเครื่องควบแน่น และควบแน่นที่อุณหภูมิ 95๐ F (35๐C) สำรท ำควำมเย็นเหลวอิ่มตัวจะไหลผ่ำนอุปกรณ์ควบคุมปริมำณ และระเหยตัวที่ อุณหภูมิ35๐ F (1.7๐C) จงค ำนวณหำ 1. ผลกำรท ำควำมเย็น (R.E) และ 2. งำนที่ให้เครื่องอัดไอ (Win) 3. ค่ำสัมประสิทธิ์ของสมรรถนะ (COP) ของระบบ 4. อัตรำกำรไหลของมวลของสำร ท ำควำมเย็น และ 5.ค ำนวณ COP และพลังงำนที่ประหยัดได้ในกำรท ำงำน หำกสำรท ำควำมเย็น ถูกท ำให้เย็นลงที่อุณหภูมิ90๐ F (32.2๐C) [3] วิธีท า ร่ำงวัฏจักรบนแผนภำพ p-h ของ R-22 กระบวนกำรอัดแบบ isentropic และก ำหนด จุดดังรูปที่ 3.25 1. ค ำนวณหำผลกำรท ำควำมเย็น, qe หรือ R.E =h1 -h4 เอนทำลปีของสำรท ำควำมเย็นเหลวอิ่มตัวที่อุณหภูมิ95๐ F (35๐C) ต ำแหน่งที่ 3 ดัง แสดงในรูปที่3.25 มีค่ำ h3=h4=38 Btu/lb เอนทำลปีของสำรท ำควำมเย็นไออิ่มตัวที่อุณหภูมิ35 ๐ F (1.7๐C) ต ำแหน่งที่ 1 ดังแสดง ในรูปที่3.25 มีค่ำ h1= 108 Btu/lb ดังนั้นผลกำรท ำควำมเย็น หรือ R.E ค ำนวณจำก, R.E = h1 - h4 = 108-38 = 70 Btu/lb (หรือ 70 Btu/lb x 2.326 = 163 kJ/kg)

78 รูปที่ 3.25 ก ำหนดต ำแหน่งบนแผนภำพ p-h 2. ค ำนวณหำงำนที่ให้เครื่องอัดไอ, Win=h2 -h1 เอนทำลปีของสำรท ำควำมเย็นไอร้อนยวดยิ่งที่ควำมดัน ต ำแหน่งที่ 2 จำก s1= s2 และ p2=p3 ดังแสดงในรูปที่3.25 มีค่ำ h2 = 118 Btu/lb ดังนั้นงำนที่ให้เครื่องอัดไอ หรือ Win= h2 -h1=118-108 =10 Btu/lb (หรือ 10 Btu/lb x 2.326 = 23 kJ/kg) 3. ค ำนวณหำสัมประสิทธิ์ของสมรรถนะ งำนที่ให้เครื่องอัดไอ, 1 4 2 1 - COP = = - e in q h h W h h ดังนั้น 70 COP = = = 7 10 e in q W 4. ค ำนวณอัตรำกำรไหลเชิงมวล (mass flow rate; m ) ของสำรท ำควำมเย็น จำก 500 12,000 m = = = 85,702 lb/hr (38,875 kg/hr) 70 RC in Q x W หมายเหตุ:1 TR =12,000 Btu/hr ค ำนวณ COP และพลังงำนที่ประหยัดได้ในอินพุตกำรท ำงำนหำกสำรท ำควำมเย็นถูก ท ำให้เย็นลงเป็นของเหลวเย็นยิ่ง (Subcooled) ที่อุณหภูมิ90๐ F (32.2๐C) ที่ควำมดันเดิม p2=p3 เขียนแผนภำพ p-h ดังรูปที่3.26

79 รูปที่ 3.26สำรท ำควำมเย็นเหลวเย็นยิ่งบนแผนภำพ p-h เอนทำลปีของสำรท ำควำมเย็นเหลวเย็นยิ่งที่อุณหภูมิ90 ๐ F (32.2๐C) ต ำแหน่งที่ 3 ดัง แสดงในรูปที่3.26 มีค่ำ h3 =h4=36 Btu/lb ดังนั้น ผลกำรท ำควำมเย็นจะเพิ่มขึ้นเป็น RE =h1 -h4 = 108-36 = 72 Btu/lb (หรือ 72 Btu/lb x 2.326 = 168 kJ/kg) นอกจำกนี้ COP เพิ่มเป็น 72 COP = = = 7.2 10 e in q W ค ำนวณหำค่ำพลังงำนไฟฟ้ำของเครื่องอัดไอ (Pin) โดยไม่มีกำรระบำยควำมร้อนย่อยหรือ กรณีที่ไม่มีเนื่อง Subcooling จะได้ค่ำก ำลังเป็น 500 200 = = 338 hp (252 kW) 42.41 7 in x P x หมายเหตุ: จำก 1TR มีค่ำ 200 Btu/min, 1 hp มีค่ำ 42.41 Btu/min และ 1 hp มีค่ำ 746 W กรณีระบบเป็น Subcooling 500 200 = = 330 hp (246 kW) 42.41 7.2 in x P x พลังงำนไฟฟ้ำที่ประหยัดได้สำมำรถค ำนวณเป็น

80 338 - 330 = 0.022 338 หรือ 2.2% 3.8วัฏจักรอัดไอจริง วัฏจักรอัดไอจริง (Actual vapor-compression cycle) กับวัฏจักรมำตรฐำนที่ได้กล่ำวไว้ใน ข้ำงต้นจะมีบำงส่วนที่แตกต่ำงกันบ้ำงไม่มำกนัก หำกจะอธิบำยด้วยแผนภำพควำมสัมพันธ์ของ ควำมดันกับเอนทำลปีก็จะเข้ำใจในหลักกำรของวัฏจักรอัดไอจริงได้ไม่ยำก ดังรูปที่3.27 ควำมแตกต่ำงที่เกิดขึ้นหลักๆ ในระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอจริง คือ 1. ควำมดันในเครื่องควบแน่นและเครื่องระเหยจะลดลง เนื่องจำกแรงเสียดทำนในท่อ สำรท ำควำมเย็น ท ำให้เกิดสภำวะของเหลวที่เครื่องควบแน่นได้ง่ำยกว่ำ และเกิดสภำวะไอร้อน ยวดยิ่งที่ออกจำกเครื่องระเหย 2. ผลจำกกำรสูญเสียควำมดันนี้มีผลให้กระบวนอัดตัวจำกต ำแหน่งที่1 ไปต ำแหน่งที่2 ต้องใช้งำนอัดเพิ่มขึ้น ดังนั้นในวัฎจักรจริงจะไม่เกิดกำรอัดตัวแบบไอเซนทรอปิก 3. ประสิทธิภำพจะต ่ำกว่ำกำรอัดตัวแบบไอเซนทรอปิก เนื่องจำกมีแรงเสียดทำนและ กำรสูญเสียอื่นๆ ในระบบ [4] รูปที่3.27 ระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอจริงกับระบบมำตรฐำน (ดัดแปลงจำก [4])

81 ค าถามท้ายบท 1. ตู้เย็น Carnot เอำควำมร้อนออก 150 kJ ต่อนำทีจำกพื้นที่ซึ่งเก็บรักษำไว้ที่ -20ºC และ ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยำกำศที่ 45ºC จงหำงำนที่จ ำเป็นต้องใช้ในระบบ 2. โรงห้องเย็นจะต้องเก็บปลำ 50 TR. อุณหภูมิที่ปลำได้รับ = 35ºC อุณหภูมิกำรเก็บรักษำ ของปลำ = -10ºC, Cp ของปลำที่สูงกว่ำจุดเยือกแข็ง = 2.94 kJ/kgºC, Cp ของปลำที่ต ่ำ กว่ำจุดเยือกแข็ง = 1.26 kJ/kg°C จุดเยือกแข็งของปลำ = -5°C ควำมร้อนแฝงของปลำ = 250 kJ/kg หำกกำรท ำควำมเย็นท ำได้ภำยในครึ่งวัน จงหำ: a) ก ำลังกำรผลิตของ โรงงำนท ำควำมเย็น b) COP Carnot c) หำก COP จริง = 2.5 COP Carnot หำ พลังงำนที่จ ำเป็นในกำรด ำเนินกิจกำรโรงนี้ 3. เลือกชุดควบแน่นระบำยควำมร้อนด้วยอำกำศเพื่อรองรับเครื่องท ำควำมเย็น 15 TR. ส ำหรับลำนโบว์ลิ่งในริชมอนด์ เวอร์จิเนีย อุณหภูมิกำรระเหยคือ 45F จงหำ COP ของ ชุดอุปกรณ์นี้ 4. เลือกเครื่องท ำน ้ำเย็นแบบแพคเกจส ำหรับรับภำระ 21 TR. น ้ำเย็นเย็นจำก 55 ถึง 44F น ้ำเข้ำเครื่องควบแน่นที่ 90F และออกที่ 100 F ปัจจัยกำรเปรอะเปื้อน (Fouling factors) ของชุดท ำน ้ำเย็นและเครื่องควบแน่นคือ 0.0005 จงหำ COP ของหน่วย 5. จงหำวิสัยสำมำรถ, KW ที่ต้องกำร และ COP ของชุดท ำควำมเย็นที่เลือกในปัญหำโจทย์ ข้อก่อนหน้ำนี้หำกปัจจัยกำรเปรอะเปื้อน (Fouling factors) ของเครื่องควบแน่น คือ 0.001 6. เลือกปั๊มควำมร้อนส ำหรับบ้ำนในลอสแองเจลิสแคลิฟอร์เนีย ส ำหรับกำรออกแบบภำระ กำรท ำควำมเย็น 46,000 BTU/hr และออกแบบภำระควำมร้อน 42,000 BTU/hr จงหำ COP ควำมร้อน 7. ก ำหนดควำมสำมำรถในกำรท ำควำมเย็นกำรออกแบบและ COP ของปั๊มควำมร้อนที่ เลือกในปัญหำโจทย์ข้อก่อนนี้ 8. ปั๊มควำมร้อนจะถูกเลือกส ำหรับเครื่องปรับอำกำศฤดูร้อนและฤดูหนำวของบ้ำนใน ชำร์ลสตันเซำท์แคโรไลนำ ภำระควำมร้อนที่ออกแบบคือ 32,000 BTU/hr และภำระกำร ท ำควำมเย็นที่ออกแบบคือ 40,000 BTU/hr เลือกปั๊มควำมร้อนที่เพียงพอต่อกำร รับภำระในฤดูร้อน จงหำขนำดเครื่องท ำควำมร้อนไฟฟ้ำที่ต้องกำรในฤดูหนำว

82 เอกสารอ้างอิง 1. Ramesh Chandra Arora. (2010). Refrigeration and Air Conditioning. Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Technology, Asoke K. Ghosh. 2. Daniel Micallef. (February 29, 2020). Fundamentals of refrigeration thermodynamics (Kindle Ed), ebook company. 3. Shan K. Wang. (2001). Handbook of air conditioning and refrigeration, R. R. Donnelley & Sons Company,. McGraw-Hi. 4. กุลเชษฐ์ เพียรทอง. (2553). การท าความเย็น, มหำวิทยำลัยอุบลรำชธำนี. (พิมพ์ครั้งที่ 3) อุบลรำชธำนี. 5. Doucette industries. TECHNICAL EXCHANGE: Suction Line Heat Exchangers, สืบค้นเมื่อ 30 พฤษภำคม 2566. จำก www.doucetteindustries.com/Products/Commercial/Suction-Line-Heat-Exchangers

83 หน่วยที่4 อุปกรณ์ระบบท าความเย็นแบบอัดไอ (Vapor compression refrigerationequipment) วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 1. อธิบำยและร่ำงภำพระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอได้ 2. ระบุประเภทของเครื่องอัดไอ เครื่องควบแน่น เครื่องระเหย และอุปกรณ์ควบคุมกำรไหลได้ 3. อธิบำยผลกระทบเชิงคุณภำพของอุณหภูมิเครื่องระเหยและเครื่องควบแน่นต่อ ประสิทธิภำพของเครื่องอัดไอแบบลูกสูบ 4. อภิปรำยผลกระทบของกำรถ่ำยเทควำมร้อน แรงดันตกคร่อม และกำรรั่วไหลของสำรท ำ ควำมเย็นต่อประสิทธิภำพของเครื่องอัดไอได้ 5. อธิบำยวิธีกำรต่ำงๆ ในกำรควบคุมวิสัยสำมำรถของเครื่องอัดไอแบบลูกสูบได้ 6. อภิปรำยวิธีกำรหล่อลื่นเครื่องอัดไอได้ 7. อธิบำยด้วยแผนภำพหลักกำรท ำงำนของเครื่องอัดไอแบบโรตำรี่ และสกรูคู่ได้ 8. อธิบำยลักษณะกำรท ำงำน ข้อดีและกำรใช้งำนของเครื่องอัดไอแบบโรตำรี่และแบบ กระจัดบวกได้ 9. อธิบำยหลักกำรท ำงำนของเครื่องอัดไอแบบแรงเหวี่ยงได้ 10. เปรียบเทียบด้ำนประสิทธิภำพของเครื่องอัดไอแบบต่ำงๆ ได้ 11. จ ำแนกและอธิบำยเครื่องควบแน่นตำมกำรหล่อเย็นของของเหลวภำยนอกที่ใช้ได้ 12. ค ำนวณเครื่องควบแน่นส ำหรับกำรประมำณค่ำสัมประสิทธิ์กำรถ่ำยเทควำมร้อนที่ด้ำน ของเหลวภำยนอกและสำรท ำควำมเย็นและประเมินพื้นที่คอนเดนเซอร์ที่จ ำเป็นส ำหรับ ระบบท ำควำมเย็นที่ก ำหนด 13. อธิบำยผลกระทบของกำรมีก๊ำซที่ไม่ควบแน่นต่อประสิทธิภำพของคอนเดนเซอร์ 14. จ ำแนกเครื่องระเหยสำรท ำควำมเย็นและคุณสมบัติเด่นของเครื่องระเหยประเภทต่ำงๆ 15. ค ำนวณกำรออกแบบควำมร้อนบนเครื่องระเหยสำรท ำควำมเย็นได้ 16. อธิบำยหน้ำที่พื้นฐำนของอุปกรณ์ขยำยในระบบท ำควำมเย็นได้ 17. อธิบำยหลักกำรท ำงำนและคุณสมบัติเด่นของหลอดท่อรูเข็ม วำล์วขยำยอัตโนมัติวำล์ว ขยำยตัวอุณหภูมิวำล์วขยำยตัวชนิดลูกลอยได้ 18. อธิบำยข้อดีข้อเสียและกำรใช้งำนของวำล์วขยำยประเภทต่ำงๆ หน่วยที่4 นี้จะกล่ำวถึงรำยละเอียดของอุปกรณ์ประกอบของวัฏจักรท ำควำมเย็นแบบอัดไอ เท่ำนั้น เนื่องจำกระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอเป็นระบบที่มีใช้งำนมำกที่สุด เป็นที่นิยมโดยทั่วไป ส่วนระบบท ำควำมเย็นที่มีใช้แต่ไม่เป็นที่นิยมนักจะได้กล่ำวถึงในหน่วยอื่นๆ ต่อไป

84 4.1 บทน า ระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอเป็นระบบท ำควำมเย็นที่ใช้กันมำกที่สุด และในระบบต้องใช้ เครื่องอัดไอเพื่อให้เกิดในกำรท ำงำนครบวงรอบ หรือวัฏจักร ระบบกำรท ำควำมเย็นแบบอัดไอ พื้นฐำนดังแสดงในรูปที่ 3.6 กระบวนกำรทำงควำมร้อนที่ส ำคัญ 4 กระบวนกำรเกิดขึ้นดังนี้กำร ระเหยของของเหลว กำรอัดไอ กำรควบแน่นและกำรขยำยตัว กระบวนกำรทำงควำมร้อน 4 กระบวนกำรเกิดขึ้นในอุปกรณ์หลักทั้ง 4 ได้แก่ 1. เครื่องอัดไอ (Compressor) 2. เครื่องควบแน่น (Condenser) 3. วำล์วระเหยสำรท ำควำมเย็นหรือวำล์วขยำย (Expansion valve) 4. เครื่องระเหย (Evaporator) นอกจำกนี้ยังมีอุปกรณ์ประกอบที่จ ำเป็นได้แก่ ท่อและสำรท ำควำมเย็นที่ใช้ในระบบ เป็นต้น โดยหลักกำรท ำงำนของอุปกรณ์ต่ำงๆ ในวัฏจักร จะเริ่มจำกเครื่องอัดไอสำรท ำควำมเย็นเป็น เครื่องบีบอัดสำรท ำควำมเย็นในสถำนะก๊ำซหรือไอจำกเครื่องระเหยและเพิ่มแรงดันเพื่อให้สำรท ำ ควำมเย็นควบแน่นจำกก๊ำซเป็นของเหลวตำมอุณหภูมิที่เหมำะสมกับสำรท ำควำมเย็นและกำรท ำ ควำมเย็นของวัตถุหรือสิ่งแวดล้อมที่ต้องกำรสร้ำงควำมเย็น เครื่องควบแน่นเป็นอุปกรณ์ส ำคัญที่ ใช้ในด้ำนแรงดันสูงของระบบท ำควำมเย็นมีหน้ำที่ก ำจัดหรือถ่ำยเทควำมร้อนออกจำกไอสำรท ำ ควำมเย็นร้อนที่รับมำจำกเครื่องอัดไอ เครื่องระเหยใช้ในด้ำนแรงดันต ่ำของระบบท ำควำมเย็น สำรท ำควำมเย็นเหลวจำกอุปกรณ์ขยำยจะเข้ำสู่เครื่องระเหยซึ่งจะเดือดและเปลี่ยนสถำนะเป็นไอ ระเหย หน้ำที่ของเครื่องระเหยคือกำรดูดซับควำมร้อนจำกพื้นที่หรือตัวกลำงที่ต้องกำรจะระบำย ควำมร้อนหรือต้องกำรลดอุณหภูมิด้วยสำรท ำควำมเย็น อุณหภูมิจุดเดือดของสำรท ำควำมเย็นใน เครื่องระเหยจะต้องน้อยกว่ำตัวกลำงโดยรอบเพื่อให้ควำมร้อนถ่ำยเทไปยังสำรท ำควำมเย็น อุปกรณ์ขยำยหรือวำล์วขยำยซึ่งเรียกอีกอย่ำงว่ำอุปกรณ์ควบคุมปริมำณจะเป็นอุปกรณ์ที่แบ่ง ระบบเป็นสองด้ำน คือด้ำนควำมดันสูงและด้ำนควำมดันต ่ำของระบบ โดยเชื่อมต่อระหว่ำงตัวพัก สำรท ำควำมเย็น (Receiver) และเครื่องระเหย 4.2เครื่องอัดไอ วัตถุประสงค์ของเครื่องอัดไอ คือกำรยอมรับก๊ำซแห้ง (Dry gas) แรงดันต ่ำจำกเครื่องระเหย และเพิ่มแรงดันให้กับเครื่องควบแน่น เครื่องอัดไอเป็นก ำลังส ำคัญ หรือม้ำงำน (Workhorse) ใน อุตสำหกรรมกำรท ำควำมเย็น เป็นเครื่องอัดไอที่ใช้กันอย่ำงแพร่หลำยและมีควำมสำมำรถในกำร ท ำควำมเย็นตั้งแต่เป็นไม่กี่กิโลวัตต์จนถึงเป็นร้อยกิโลวัตต์เครื่องอัดไอสำรท ำควำมเย็น ซึ่งเป็น หัวใจของระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอสำมำรถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือ • เครื่องอัดไอแบบกระจัด (Displacement compressors) และ • เครื่องอัดไอแบบไดนำมิกส์(Dynamic compressors) เครื่องอัดไอทั้งแบบกระจัดและแบบไดนำมิกส์มีทั้งแบบหุ้มปิด (Hermetic types) กึ่งหุ้มปิด (Semi-hermetic types) หรือประเภทเปิด (Open types) [6]

85 เครื่องอัดไออำจเป็นประเภทกำรกระจัด (Displacement) เชิงบวกหรือแบบไดนำมิกส์ (Dynamics) ซึ่งจะได้กล่ำวถึงต่อไปซึ่งถูกแบ่งตำมประเภทดังแผนภำพที่ 4.1 [1] รูปที่ 4.1 แผนภูมิประเภทของเครื่องอัดไอ (ดัดแปลงจำก [1]) ในท้องตลำดมีเครื่องอัดไอหรือคอมเพรสเซอร์หลำยประเภทให้เลือก ชนิดของเครื่องอัดไอที่ ใช้ในระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอมี 5 แบบ คือ 1. เครื่องอัดไอแบบลูกสูบ (Reciprocating compressor) 2. เครื่องอัดไอแบบโรตำรี่ (Rotary compressor) 3. เครื่องอัดไอแบบสกรู(Screw compressor) 4. เครื่องอัดไอแบบสโครล (Scroll compressor) 5. เครื่องอัดไอแบบแรงเหวี่ยงหรือหอยโข่ง (Centrifugal compressor) เครื่องอัดไอแบบลูกสูบและสกรูเหมำะที่สุดส ำหรับใช้กับสำรท ำควำมเย็นที่ต้องกำรกำร กระจัดที่ค่อนต ่ำหรือระบบเล็กและควบแน่นที่ควำมดันค่อนข้ำงสูง เช่น R-12, R-22, แอมโมเนีย เป็นต้น เครื่องอัดไอแบบแรงเหวี่ยงเหมำะส ำหรับกำรจัดกำรสำรท ำควำมเย็นที่ต้องกำรกำร กระจัดสูงหรือระบบใหญ่และท ำงำนที่แรงดันควบแน่นต ่ำ เช่น R-11, R-113 เป็นต้น เครื่องอัดไอ โรตำรี่เหมำะที่สุดส ำหรับสำรท ำควำมเย็นที่มีแรงดันควบแน่นปำนกลำงหรือแรงดันควบแน่นต ่ำ เช่น R-21 และ R-114 เป็นต้น 4.2.1 เครื่องอัดไอแบบลูกสูบ เครื่องอัดไอลูกสูบ (Reciprocating compressor) เป็นเครื่องอัดไอแบบกระจัดเชิงบวก ซึ่งสำมำรถปรับขนำด จ ำนวนกระบอกสูบ ควำมเร็วและวิธีกำรขับเคลื่อนได้เครื่องอัดไอสมัยใหม่ มักจะเป็นแบบท ำงำนด้ำนเดียว (Single-acting) ซึ่งอำจจะมีทั้งสูบเดียวหรือหลำยสูบ ในเครื่องอัด ไอแบบหลำยสูบ กำรจัดวำงกระบอกสูบจะเป็นแบบตัววี(V), แบบแนวรัศมี(Radial) หรือแบบสูบ เรียง (In-line) เครื่องอัดไอแบบลูกสูบประกอบด้วยลูกสูบที่เคลื่อนที่ไปมำในกระบอกสูบ มีวำล์วดูด (Suction) และจ่ำย (Discharge) เพื่อให้เกิดกำรดูดและกำรบีบอัดของไอสำรท ำควำมเย็น โครงสร้ำง และกำรท ำงำนของค่อนข้ำงคล้ำยกับเครื่องยนต์สองจังหวะ ดังแสดงในรูปที่ 4.2 เนื่องจำกกำรดูด

86 และกำรบีบอัดของไอสำรท ำควำมเย็นจะเสร็จสมบูรณ์ในหนึ่งวัฏจักรที่ข้อเหวี่ยงหมุนครบหนึ่งรอบ ท่อทำงด้ำนดูด (Suction) ของเครื่องอัดไอเชื่อมต่อกับทำงออกของเครื่องระเหย ในขณะที่ทำงด้ำน จ่ำย หรือมักเรียก ด้ำนอัด ของเครื่องอัดไอเชื่อมต่อกับทำงเข้ำเครื่องควบแน่น วำล์วดูด (ทำงเข้ำ) และวำล์วอัด (ทำงออก) เปิดและปิดเนื่องจำกควำมแตกต่ำงของแรงดันระหว่ำงกระบอกสูบและท่อ ร่วมที่ทำงเข้ำหรือทำงออก ควำมดันในท่อร่วมทำงเข้ำเท่ำกับหรือน้อยกว่ำควำมดันระเหยเล็กน้อย ในท ำนองเดียวกันควำมดันในท่อร่วมทำงออกจะเท่ำกับหรือมำกกว่ำควำมดันควบแน่นเล็กน้อย วัตถุประสงค์ของท่อร่วมคือเพื่อให้แรงดันด้ำนเข้ำและด้ำนออกที่เสถียรเพื่อกำรท ำงำนที่รำบรื่นของ วำล์วและยังให้พื้นที่ส ำหรับติดตั้งวำล์ว [2] รูปที่4.2 เครื่องอัดไอแบบลูกสูบ (ดัดแปลงจำก [3]) กำรเปิดและปิดเนื่องจำกควำมแตกต่ำงของแรงดันระหว่ำงกระบอกสูบและท่อร่วมที่ ทำงเข้ำหรือทำงออก เป็นกำรเปิด-ปิดวำล์วดูดและปล่อยแรงดันอัตโนมัติโดยหลักกำรดังนี้ เมื่อ ลูกสูบเลื่อนลง ควำมดันภำยในกระบอกสูบลดลงเป็นกำรเริ่มต้นจังหวะดูด วำล์วดูดเปิดเพื่อรับไอ สำรท ำควำมเย็นจำกเครื่องระเหย เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงมำที่ด้ำนล่ำงของกระบอกสูบ จังหวะนี้ วำล์วดูดจะปิดอีกครั้ง เมื่อจังหวะกำรบีบอัดเริ่มต้นขึ้น ด้วยกำรเคลื่อนที่ขึ้นของลูกสูบ แรงดัน กระบอกสูบสูงกว่ำในท่อด้ำนจ่ำย วำล์วระบำยหรือวำล์วอัดจะเปิดขึ้นและก๊ำซอัดจะผ่ำนไปยัง เครื่องควบแน่น กระบวนกำรนี้แสดงบนแผนภำพควำมดัน - ปริมำตรหรือ indicator diagram ใน รูปที่ 4.3 พื้นที่ของแผนภำพนี้แสดงควำมสัมพันธ์ของงำนที่ต้องกำรในกำรอัดไอและปล่อยก๊ำซ

87 รูปที่ 4.3 เครื่องอัดไอแบบลูกสูบ (ดัดแปลงจำก [1]) เครื่องอัดไอที่มีเพลำข้อเหวี่ยง (Crankshaft) แยกออกจำกตัวเรือน (Housing) จะต้องต่อมอเตอร์เข้ำกับเพลำจำกภำยนอก เรำเรียกเครื่องอัดไอแบบนี้ว่ำแบบเปิด (Open-type compressor) ดังแสดงในรูปที่ 4.4 บริเวณรอยต่อที่เพลำต่อมำยังตัวเรือนจะต้องท ำกำรหุ้มปิด ผนึก (Seal) เป็นอย่ำงดีเพื่อป้องกันกำรรั่วซึมแต่แม้ว่ำเรำจะออกแบบกันรั่วซึมมำอย่ำงดีกำร รั่วซึมก็ยังเกิดขึ้นได้เสมอ เพื่อหลีกปัญหำกำรรั่วซึมเช่นนี้ ตัวมอเตอร์และเครื่องอัดไอจะถูกบรรจุ รวมเข้ำในตัวเสื้อเดียวกันซึ่งเป็นเครื่องอัดไอแบบหุ้มปิด (Hermetically sealed compressors) ดังแสดงในรูปที่ 4.5 รูปที่ 4.4 เครื่องอัดไอลูกสูบแบบเปิด (ภำพจำกผู้เขียน)

88 รูปที่4.5 เครื่องอัดไอลูกสูบแบบหุ้มปิด (ภำพจำกผู้เขียน) ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันที่สูงขึ้นในเรื่องของฉนวนไฟฟ้ำ ท ำให้สำมำรถสร้ำง มอเตอร์ไฟฟ้ำที่สัมผัสกับสำรท ำควำมเย็นโดยตรง ในกำรออกแบบบำงกรณีอำจจะดูดสำรท ำ ควำมเย็นผ่ำนตัวมอเตอร์เพื่อระบำยควำมร้อนให้กับมอเตอร์ส่วนใหญ่แล้วในตู้เย็น ตู้แช่แข็ง (Freezers) หรือเครื่องปรับอำกำศในบ้ำนจะใช้เครื่องอัดไอขนำดเล็กที่เป็นแบบหุ้มปิดทั้งสิ้น ซึ่ง เครื่องอัดไอแบบนี้ถ้ำมีควำมชื้นในระบบจะสร้ำงควำมเสียหำยให้ตัวมอเตอร์ได้ ดังนั้นจะต้องขจัด ควำมชื้นออกอย่ำงดีในระหว่ำงกำรประกอบ ส่วนเครื่องอัดไอที่มีขนำดใหญ่ๆ นั้น ฝำสูบจะ สำมำรถถอดออกได้เพื่อสำมำรถให้กำรบริกำรกับวำล์วและลูกสูบได้เรียกเครื่องอัดไอแบบนี้ว่ำ แบบกึ่งหุ้มปิด หรือเซมิเฮอร์เมติค (Semi-hermetic) ดังรูปที่ 4.6 รูปที่ 4.6 เครื่องอัดไอลูกสูบแบบแบบกึ่งหุ้มปิด (ภำพจำกผู้เขียน) เครื่องอัดไอแบบลูกสูบเชิงพำณิชย์เครื่องแรกถูกสร้ำงขึ้นในช่วงกลำงศตวรรษที่ผ่ำน มำ และพัฒนำมำจำกเครื่องยนต์ไอน ้ำที่เป็นเครื่องยนต์ต้นก ำลังหลัก เครื่องอีดไอที่สร้ำงขี้นใน ตอนแรกเป็นแบบลูกสูบท ำงำนสองทำง (Double acting) แต่มีปัญหำในกำรรักษำควำมหนำแน่น

89 ของก๊ำซที่แกนลูกสูบหรือก้ำนสูบ ดังนั้นกำรออกแบบจึงพัฒนำต่อไปเป็นกระบอกสูบท ำงำนทำง เดียวโดยมีข้อเหวี่ยง ที่แรงดันด้ำนดูดเพลำที่หมุนเป็นจุดที่จะรั่วไหลได้จึงต้องใช้กันรั่วด้วย ประเก็นเชือก [5] 4.2.1.1 เครื่องอัดไอแบบหุ้มปิด (Hermetic compressors) เครื่องอัดไอชนิดนี้เป็นที่ นิยมส ำหรับใช้ช่วงอุณหภูมิที่ไม่ต ่ำมำก เช่น ตู้เย็น ตู้แช่ ในเครื่องปรับอำกำศหรือระบบท ำควำม เย็นที่ใช้ในที่อยู่อำศัยกันทั่วไป เครื่องอัดไอนี้มีขนำดเล็ก ต้นทุนกำรผลิตต ่ำ ใช้พื้นที่ในกำรที่ ติดตั้งน้อย ชุดมอเตอร์เครื่องอัดและชิ้นส่วนอื่นๆ ถูกเชื่อมปิดผนึกห่อหุ้มอย่ำงหนำแน่นอยู่ ร่วมกันภำยในเปลือกโลหะมำจำกโรงงำน ดังรูปที่ 4.7 และไม่สำมำรถมองเห็นหรือเข้ำถึง ส่วนประกอบภำยในเพื่อจะบ ำรุงรักษำได้ในเครื่องอัดไอมีพื้นที่ควำมจุไม่มำก มอเตอร์และชุดขับ ที่ถูกเชื่อมปิดผนึกในเรือนที่มีสำรท ำควำมเย็นและน ้ำมันหล่อลื่นในเรือนของเครื่องอัดไอนี้ด้วย ควำมสำมำรถของเครื่องอัดไอนี้ถูกก ำหนดและระบุด้วยควำมสำมำรถของมอเตอร์ตู้เย็นและตู้แช่ แข็งที่ใช้ในครัวเรือนใช้เครื่องอัดไอแบบหุ้มปิดคิดเป็นหลำยล้ำนเครื่อง และสำมำรถสร้ำงให้มี ขนำดสูงสุดสิบกิโลวัตต์มีน ้ำหนักเบำและกะทัดรัดกว่ำประเภทอื่นและจะท ำงำนกับมอเตอร์ ซิงโครนัสสองขั้วที่มีควำมเร็วรอบสูง (2,900 rpm ที่50 Hz) [6] รูปที่4.7 ส่วนประกอบของเครื่องอัดไอลูกสูบแบบแบบหุ้มปิด (ดัดแปลงจำก [1]) 4.2.1.2 เครื่องอัดไอแบบกึ่งหุ้มปิด (Semi-hermetic compressors) ในระบบที่มี ขนำดใหญ่ขึ้น เครื่องอัดไอสำรท ำควำมเย็นมักเป็นแบบกึ่งหุ่มปิด นั่นคือ มอเตอร์ของเครื่องอัดไอ จะอยู่ไม่ภำยในเปลือกหุ้มเดียวกันกับเครื่องอัด หรือไม่มีเปลือกหุ้มของมอเตอร์กับเครื่องอัด เหมือนกับเครื่องอัดไอแบบหุ้มปิด (Hermetic compressors)และสำรท ำควำมเย็นจะไม่ไหลผ่ำน ขดลวดมอเตอร์จึงสำมำรถท ำกำรบ ำรุงรักษำได้โดยตรงและกำรระบำยควำมร้อนให้กับมอเตอร์

90 ที่อยู่ภำยนอกก็ไม่มีควำมจ ำเป็นที่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภำพในกำรท ำงำนและประสิทธิภำพของ ระบบท ำควำมเย็นแต่อย่ำงไร แต่ค่ำใช้จ่ำยสูงกว่ำเครื่องอัดไอแบบหุ้มปิดมำก ประสิทธิภำพ ในทำงทฤษฎีโดยรวมสูงถึง 70% ขึ้นไปหรืออำจสูงขึ้นได้มำกด้วยกำรเพิ่มขนำดมอเตอร์ เนื่องจำกมอเตอร์ขนำดใหญ่มีประสิทธิภำพมำกกว่ำมอเตอร์ขนำดเล็ก และในเครื่องอัดไอแบบ หลำยกระบอกสูบ สำมำรถควบคุมปริมำตรดูดหรือประสิทธิภำพกำรท ำงำนโดยกำรท ำให้บำง กระสูบสูบไม่ท ำงำนได้(เช่น เปิดวำล์วทำงเข้ำค้ำงไว้) หรือให้กระบอกสูบไม่เป็นภำระของ มอเตอร์เมื่อระบบเริ่มต้นกำรท ำงำนซึ่งจะเป็นวิธีที่ช่วยลดแรงบิดเริ่มต้น สิ่งที่กล่ำวถึงข้ำงต้นนี้ถูก พัฒนำเพื่อแก้ปัญหำที่เกิดกับเครื่องอัดไอแบบหุ้มปิด แต่มอเตอร์และคอมเพรสเซอร์ถูกสร้ำงขึ้น ในตู้ประดิษฐ์ที่มีส่วนสลักเกลียวหรือแผงทำงเข้ำเพื่ออ ำนวยควำมสะดวกในกำรให้บริกำร แต่ มอเตอร์และเครื่องอัดไอจะถูกออกแบบให้ยึดติดกันมำจำกโรงงำนด้วยสลักเกลียว เครื่องอัดไอ เหล่ำนี้ที่ผลิตขึ้นมีควำมสำมำรถตั้งแต่ขนำดเล็ก ไปจนถึงขนำดมอเตอร์300 kW ด้วยเหตุนี้ เครื่องอัดไอจึงมีรำคำที่ไม่สูงมำกและข้อดีอีกประกำร คือมีขนำดกะทัดรัด และไม่มีปัญหำกำร รั่วไหลของสำรท ำควำมเย็น รูปที่4.6 แสดงเครื่องอัดไอลูกสูบแบบกึ่งหุ้มปิดชนิดใหม่ส ำหรับกำร ใช้งำนเครื่องท ำควำมเย็นเชิงพำณิชย์ที่อุณหภูมิปำนกลำงและต ่ำ รูปที่ 4.8 แสดงภำพตัดของ เครื่องอัดไอลูกสูบแบบกึ่งหุ้มปิดขั้นเดียว หรือชั้นเดียว (Single-stage) สำมำรถใช้งำนได้กับสำร ท ำควำมเย็น R-134a, R-407c, R-404a, R-507a และ R-22 และในรูปที่ 4.9 แสดงเครื่องอัดไอ ลูกสูบแบบกึ่งหุ้มปิดที่ท ำงำนสองขั้น (Two-stage) ส ำหรับกำรใช้งำนที่อุณหภูมิต ่ำมำกและ คุณสมบัติหลักคือสำมำรถบีบอัดสำรท ำควำมเย็นสองขั้นตอนในตัวเรือนเดียว ในกำรบีบอัดสอง ขั้น อัตรำส่วนกำรบีบอัดถูกแบ่งออกเป็นล ำดับจึงลดกำรท ำงำนที่อุณหภูมิสูงเกินไป และท ำงำน บรรลุตำมวัตถุประสงค์ได้อย่ำงดีโดยเฉพำะอย่ำงยิ่งส ำหรับกำรใช้งำนเครื่องท ำควำมเย็นเชิง พำณิชย์ที่มีภำระกำรท ำควำมเย็นสูง กำรท ำงำนที่ประหยัดพลังงำนที่ภำระสูงสุด (Full load) และ บำงส่วน (Part load)และนอกจำกนี้เครื่องอัดไอลูกสูบแบบกึ่งหุ้มปิดสำมำรถท ำงำนสูงสุดได้ถึงสี่ ขั้น (Four-stage) โดยออกแบบให้มีกระบอกสูบวำงเรียงกันเป็นรูปทรงแปดเหลี่ยม [6] รูปที่ 4.8 แสดงภำพตัดของเครื่องอัดไอลูกสูบแบบกึ่งหุ้มปิด [6]

91 รูปที่4.9 เครื่องอัดไอลูกสูบแบบกึ่งหุ้มปิดที่ท ำงำนสองขั้น [6] 4.2.1.3 เครื่องอัดไอแบบเปิด (Open compressors) เป็นเครื่องอัดไอที่มีตัวขับต้น ก ำลังภำยนอกต้องใช้ซีลที่เพลำผ่ำนออกจำกห้องข้อเหวี่ยงเรียกว่ำเครื่องอัดไอแบบเปิด เครื่องอัด ไอแบบเปิดถูกขับด้วยจำกมอเตอร์ต้นก ำลังจำกภำยนอกซึ่งเป็นข้อก ำหนดจำกกำรใช้สำรท ำควำม เย็น เช่น แอมโมเนียซึ่งเข้ำกันไม่ได้กับทองแดงที่ใช้ในมอเตอร์ไฟฟ้ำ เครื่องอัดไอแบบเปิดอำจ ขับเคลื่อนด้วยสำยพำนหรือเชื่อมต่อโดยตรงกับเพลำของมอเตอร์ไฟฟ้ำ กำรใช้สำยพำนส่งก ำลัง ขับเคลื่อนเป็นโอกำสในกำรปรับควำมเร็วด้วยพูลเลย์ตำมควำมต้องกำรได้แต่ต้องมีอุปกรณ์ ปกป้องอันตรำยจำกสำยพำน และเนื่องจำกมีโหลดด้ำนข้ำงของตลับลูกปืนของเครื่องอัดไอจึง ไม่ใช่ทุกรุ่นที่เหมำะสม ต้นก ำลังขับประเภทนี้ใช้กันอย่ำงแพร่หลำยในกำรใช้งำนขนส่งที่เครื่องอัด ไอถูกขับเคลื่อนจำกเครื่องยนต์ของยำนพำหนะหรือจำกเครื่องยนต์ดีเซลแยกต่ำงหำก ซึ่งไม่ จ ำเป็นต้องเป็นเครื่องอัดไอแบบลูกสูบเท่ำนั้น ซีลเพลำส ำหรับเครื่องอัดไอแบบเปิดจะใช้ซิลแบบวง แหวนคำร์บอนหมุนเมื่อสัมผัสกับวงแหวนโลหะขัดเงำ กำรประกอบจะต้องหล่อลื่นอย่ำงดีเมื่อ ประกอบแล้ววงแหวนคำร์บอนจะถูกสปริงกดให้สัมผัสกันตลอดกับเพลำเมื่อเพลำหมุน 4.2.2 เครื่องอัดไอแบบโรตำรี่ (Rotary compressor) เครื่องอัดไอโรตำรี่มีกำรกระจัดเชิงบวกด้วยต้นก ำลังขับเคลื่อนโดยตรง แบ่งออกได้ เป็น 4 แบบ คือ (i) ลูกสูบหมุน (Rolling piston) (ii) แผ่นกวำด (Rotating vane) (iii) สกรู (Screw) (iv) สโครล (Scroll) โดยรวมคือเครื่องอัดไอโรตำรี่จึงมีกำรเคลื่อนที่แบบหมุนหรือเป็น วงกลมแทนกำรเคลื่อนที่ขึ้น-ลงแบบลูกสูบ เครื่องอัดไอเหล่ำนี้ท ำงำนด้วยใบพัดที่หมุนบนเพลำที่ ไม่เหมือนเพลำปกติก๊ำซเข้ำสู่ช่องว่ำงระหว่ำงโรเตอร์(Rotor) และกระบอกสูบผ่ำนช่องดูด (Suction port) ก๊ำซถูกบีบอัดเมื่อโรเตอร์หมุนเนื่องจำกกำรส่วนประกอบที่ผิดปกติของโรเตอร์ และกระบอกสูบ อำกำศอัดจะถูกปล่อยออกที่ช่องปล่อย (Discharge port) ที่อยู่ตรงข้ำมกัน คอมเพรสเซอร์โรตำรี่ที่ใช้กันทั่วไปมีสองแบบ ได้แก่แบบลูกสูบหมุน (Rolling piston type) และ แบบใบพัดหมุน (Rotating vane type) ซึ่งทั้งสองแบบมีขนำด ประสิทธิภำพและกำรใช้งำน

92 ใกล้เคียงกันมำก เครื่องอัดไอโรตำรี่เป็นที่นิยมในเครื่องท ำควำมเย็นในครัวเรือน และเหมำะ ส ำหรับกำรใช้งำนที่มีกำรไหลเวียนของไอระเหยจ ำนวนมำก และที่ต้องกำรอัตรำส่วนก ำลังอัดต ่ำ 4.2.2.1 เครื่องอัดไอแบบใบกวำดหมุนและลูกสูบหมุน เครื่องอัดไอโรตำรี่แบบใบพัด หมุนหรือใบพัดเลื่อนหรือแผ่นกวำด หรือ Vane compressors มีสองประเภทหลักคือใบพัดเดี่ยว และหลำยใบพัด เครื่องอัดไอโรตำรี่ประกอบด้วยโรเตอร์ที่มีใบมีด (Blades) หรือใบกวำด และ โรเตอร์ที่มีช่องใส่ใบกวำด เมื่อโรเตอร์หมุน ใบกวำดจะถูกเหวี่ยงออกและหดกลับเข้ำไปใน โรเตอร์เมื่อใบกวำดถูกเหวี่ยงออกใบกวำดจะปิดผนังของเรือนเครื่องอัด แบ่งช่องออกเป็นส่วนๆ ที่มีขนำดที่แตกต่ำงกัน ก๊ำซเข้ำสู่พอร์ตไอดีที่เป็นเซ็กเมนต์(Segments หรือห้องหนึ่งที่ถูกแยก ออกจำกห้องใหญ่ของเครื่องอัดจำกใบกวำด) ขนำดใหญ่แล้วถูกบีบอัดเมื่อห้องมีขนำดลดลง และ ถูกปล่อยออกมำใน Segments ที่เล็ก เครื่องอัดไอเหล่ำนี้มักใช้กับตู้เย็นในครัวเรือน ตู้แช่แข็ง และในเครื่องปรับอำกำศ ที่อัตรำส่วนกำรอัดสูงสุดที่เป็นไปได้คือ 7:1 ระบบท ำควำมเย็นขนำด เล็กและระบบที่ใช้แอมโมเนียเป็นสำรท ำควำมเย็นบำงระบบยังใช้คอมเพรสเซอร์ประเภทนี้ใน ระบบกำรอัดแบบหลำยขั้น ซึ่งแต่ละขั้นมีอัตรำส่วนกำรบีบอัดต ่ำ เครื่องอัดไอแบบใบพัดสำมำรถ ใช้เป็นตัวเพิ่มก ำลัง หรือ boosters ได้รูปที่ 4.10 แสดงส่วนประกอบภำยในที่ส ำคัญของเครื่อง อัดไอโรตำรี่ใบพัดหมุน [6] (a) (b) รูปที่4.10 เครื่องอัดไอโรตำรี่แบบใบพัดหมุน (a) เรือนเครื่องอัดไอ (b) เรือนเครื่องอัดไอเมื่อ ประกอบโรเตอร์และใบกวำด (ดัดแปลงจำก [8]) เครื่องอัดไอใบกวำดเลื่อน (Sliding vane compressors) หรือเครื่องอัดไอลูกสูบ หมุน (Rolling piston compressors) มีใบกวำดหนึ่งหรือสองใบ ซึ่งใบกวำดจะไม่หมุนไปกับ ลูกสูบหมุน แต่ถูกยึดอยู่กับเรือนปั๊มหรือกระบอกสูบที่มีรูปทรงกลมและมีสปริงท ำหน้ำที่ดันใบ กวำดให้ติดกับลูกสูบหมุนตลอดเวลำ เครื่องอัดไอเหล่ำนี้จะมีวำล์วด้ำนจ่ำยหรือวำล์วอัด เครื่อง อัดไอแบบลูกสูบหมุนที่ใช้ในระบบท ำควำมเย็นขนำดเล็กทั่วไป (ควำมสำมำรถสูงสุด 2 กิโลวัตต์) เช่น ตู้เย็นหรือเครื่องปรับอำกำศในที่พักอำศัยดังรูปที่ 4.11