HOME‎ > ‎E-CLASS‎ > ‎

การทำความเย็น


ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ

posted May 10, 2016, 7:39 PM by Thaklaew Yiamsawasd   [ updated Jun 1, 2016, 7:13 PM ]

วัฏจักรการทำความเย็นแบบอัดไอพื้นฐาน

หลักการเปลี่ยนแปลงสถานะของสาร

หากพิจารณาหลักการทางความร้อนจะพบว่า เมื่อสารได้รับความร้อนจะมีอุณหภูมิ เพิ่มขึ้น และหากเป็นของแข็ง เมื่อได้รับความร้อนถึงจุดๆ หนึ่งซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ของแข็งกลายเป็นสถานะ ของเหลวหรือที่เรียกว่า อุณหภูมิ ณ จุดหลอมเหลว อุณหภูมิ ณ จุดนี้จะไม่เพิ่มขึ้นจนกว่าของแข็งจะ กลายเป็นของเหลวทั้งหมด จากนั้นอุณหภูมิจึงจะเพิ่มขึ้นใหม่ อย่างไรก็ดีขณะที่สารกำลังเปลี่ยนแปลง สถานะจากของแข็งกลายเป็นของเหลวนั้น สารกลับต้องการพลังงานความร้อนในการเปลี่ยนแปลงสถานะ มาก ยกตัวอย่างเซ่น หากต้องการทำให้น้ำแข็ง 1 kg ละลายกลายเป็นน้ำหมดต้องใช้ปริมาณความร้อน เท่ากับ 335 kJ (กิโลจูลน์) ซึ่งเทียบเท่ากับปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 kg มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 80°c (ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 kg มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°c ต้องใช้ปริมาณความร้อนเท่ากับ 4.19 kJ) ใน ทำนองเดียวกันสารในสถานะของเหลวเมื่อได้รับความร้อนถึงจุดๆ หนึ่ง ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ของเหลว กลายเป็นสถานะไอหรือที่เรียกว่า อุณหภูมิ ณ จุดเดือด อุณหภูมิ ณ จุดนั้นจะไม่เพิ่มขึ้นจนกว่าของเหลวจะ กลายเป็นไอทั้งหมด จากนั้นอุณหภูมิจึงจะเพิ่มขึ้นใหม่

นอกจากนั้นยังพบความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดกับความดันด้วย ว่า หากสารอยู่ภายใต้ความดันตํ่า เซ่น บริเวณเขาสูงซึ่งมีความดันบรรยากาศตํ่ากว่าที่ระดับน้ำทะเลอุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจะลดลง ยกตัวอย่างหากต้มน้ำที่ระดับน้ำทะเล น้ำจะเดือดที่ อุณหภูมิประมาณ 100°C แต่หากต้มน้ำบนภูเขาในจะเดือดที่อุณหภูมิตํ่ากว่า 100°C เป็นต้น ในทำนอง เดียวกัน หากสารอยู่ภายใต้ความดันสูง เซ่นบริเวณอุโมงค์ที่ลึกกว่าที่ระดับน้ำทะเล ทำให้ความดันใน บริเวณนั้นสูงกว่าที่ระดับน้ำทะเล อุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้หากต้ม น้ำที่'บริเวณ'นี้ น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิมากกว่า 100°C แต่จะมากกว่าเท่าไรขึ้นอยู่กับระดับความลึกของ อุโมงค์ว่าอยู่ลึกกว่าระดับน้ำทะเลมากน้อยเพียงใด

จากหลักการทางความร้อนดังกล่าว ถ้าสามารถย้อนกระบวนการทางความร้อนด้วยการ ถ่ายเทความร้อนออกจากสารได้ ย่อมทำให้สารเปลี่ยนสถานะย้อนกลับ กล่าวดือจากสถานะก๊าซ กลายเป็นของเหลว และจากสถานะของเหลวกลายเป็นของแข็ง โดยในขณะเปลี่ยนแปลงสถานะอุณหภูมิ ของสารจะคงที่ที่อุณหภูมิหนึ่งๆ ด้วย นอกจากนี้จากความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิจุดหลอมเหลวและจุด เดือดกับความดัน ทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงสถานะของสารจากสถานะก๊าซกลายเป็นของเหลว หรือจาก สถานะของเหลวกลายเป็นของแข็งที่อุณหภูมิต่างๆ ได้ด้วย หากทำการเปลี่ยนแปลงความดัน กล่าวดือที่ ความดันสูงอุณหภูมิในการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารจะสูงตามไปด้วย และที่ความดันตํ่าอุณหภูมิในการ เปลี่ยนแปลงสถานะของสารจะตํ่าตามไปด้วย

ดังนั้นถ้ามีสารตัวกลางที่สามารถเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวไปเป็นสถานะก๊าซได้ที่ อุณหภูมิตํ่ากว่า 0°c หรือตํ่ากว่าอุณหภูมิที่ต้องการทำความเย็น และสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง สถานะดังกล่าว ณ บริเวณพื้นที่ห้องที่ต้องการทำความเย็น ย่อมทำให้อุณหภูมิ ณ บริเวณ'พื้นที่'ห้อง'นั้นมี อุณหภูมิลดลง จากการที่ความร้อนถูกดูดซับโดยสารขณะที่สารกำลังเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลว เป็นสถานะก๊าซ และหากน่าก๊าซที่ได้นี้ไปอัดเพิ่มความดันและอุณหภูมิให้สูงขึ้น โดยให้มีอุณหภูมิสูงกว่า บรรยากาศ ทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนที่ดูดซับไว้ออกสู่บรรยากาศได้ ด้วยการทำให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงสถานะย้อนกลับจากก๊าซกลับมาเป็นของเหลว ณ บริเวณบรรยากาศปกติ (นอกบริเวณพื้นที่ ห้องที่ต้องการทำความเย็น) และหากน่าของเหลวที่ได้นี้ไปลดความดันและอุณหภูมิลงสู่สภาวะในตอน เริ่มต้น จะสามารถน่าของเหลวนี้กลับมาใซ่ใหม่ได้ต่อไป การทำงานก็จะเกิดเป็นวัฏจักร

โดยทั่วไปอุณหภูมิที่ต้องการทำความเย็นจะตํ่าในระดับ 5°c ลงมาจนถึงระดับ -20°c หรือ หากเป็นการแซ่เยือกแข็งอาจถึง -40°c ในขณะที่อุณหภูมิบรรยากาศโดยเฉลี่ยเท่ากับ 35°c ดังนั้นเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนในการดูดซับความร้อนออกจากตู้เย็นของสารทำความเย็น และการถ่ายเทความร้อนจากสารทำความเย็นสู่บรรยากาศภายนอกตู้เย็นเป็นไปด้วยดี อุณหภูมิในขณะที่สารทำความเย็นเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซในขณะดูดซับความร้อนจึงควรตํ่ากว่าอุณหภูมิในตู้เย็น ประมาณ 5 - 10°c นอกจากนี้อุณหภูมิในขณะที่สารทำความเย็นเปลี่ยนแปลงสถานะจากก๊าซเป็นของเหลวในขณะคายความร้อนควรสูงกว่าอุณหภูมิบรรยากาศภายนอกประมาณ 5 - 10°c เซ่นกัน นั่นคือ สารทำความเย็นที่น่ามาใช้เป็นสารตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน (ทำนองเดียวกับฟองน้ำที่ใช้ในการดูดซับน้ำ) ต้องมีสมบัติในการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซที่อุณหภูมิตํ่า ณ ความดันตํ่า และมี สมบัติในการเปลี่ยนแปลงสถานะจากก๊าซเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง ณ ความดันสูง

 

หลักการพื้นฐานของการทำความเย็นแบบอัด

จากข้อค้นพบเกี่ยวกับสมบัติในการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารจึงเป็นที่มาของหลักการ พื้นฐานของการทำความเย็นแบบอัด ซึ่งมีลักษณะพื้นฐาน 4 ประการ คือ

1) กระบวนการอัดสารทำความเย็น (สารตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน) ในสถานะ ก๊าซให้มีความดันสูงและอุณหภูมิสูงด้วยเครื่องอัด

2) กระบวนการคายความร้อนจากสารทำความเย็นให้บรรยากาศภายนอกในขณะที่สาร ทำความเย็นเปลี่ยนแปลงสถานะจากสถานะก๊าซเป็นสถานะของเหลว กระบวนการเกิดขึ้นผ่านอุปกรณ์ที่ เรียกว่า เครื่องควบแน่น

3) กระบวนการลดความดันที่ทำให้สารทำความเย็นมีความดันลดตํ่าลงด้วยอุปกรณ์ลด ความดัน (Pressure reducer) หรือที่มักเรียกว่า วาล์วขยายตัว หรือวาล์วควบคุมสารทำความเย็น

4) กระบวนการดูดซับความร้อนออกจากตู้เย็นหรือบริเวณที่ต้องการทำความเย็นสู่สาร ทำความเย็น ในขณะที่สารทำความเย็นเปลี่ยนแปลงสถานะจากสถานะของเหลวเป็นสถานะก๊าซ กระบวนการเกิดขึ้นผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องระเหย

นอกจากนี้เพื่อให้มีสารทำความเย็นเพียงพอ ในระบบขนาดใหญ่ที่ต้องใช้สารทำความเย็น จำนวนมากจะออกแบบให้มีลังพักสารทำความเย็นเหลว (Liquid receiver) อยู่ระหว่างเครื่องควบแน่น กับวาล์วขยายตัวเพื่อทำการสะสมสารทำความเย็นเหลวที่กลั่นตัวเก็บไว้เมื่อจำเป็น สำหรับในระบบขนาดเล็ก (เช่น ตู้เย็น) ไม่จำเป็นต้องมี แต่จะมีกระเปาะสะสมสารทำความเย็นในสถานะก๊าซ (Accumulator) ระหว่างเครื่องระเหยกับเครื่องอัดเพียงอย่างเดียว

รูปที่ 1 แผนภาพอุปกรณ์การทำความเย็นพื้นฐานของระบบเครื่องทำความเย็นแบบอัด


รูปที่ 2 แผนภาพความดัน-เอนทัลปีของระบบทำความเย็นแบบอัด

ตารางที่ 1 ขั้นตอนการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอ


ในรูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงรูปแบบพื้นฐานของเครื่องทำความเย็นลักษณะนี้ ส่วนในรูปที่ 2 แสดงแผนภูมิการทำงานซึ่งแสดงในรูปแบบแผนภูมิความดัน (Pressure; P) กับปริมาณความร้อนหรือ เอนทัลปี (Enthapy; h) สำหรับในตารางที่ 1 เป็นการสรุปให้เห็นถึงความสัมพันธ์ต่างๆ ของระบบทำความเย็นแบบอัดไอ

และดังที่กล่าวมาแล้วว่า การทำความเย็นเป็นการถ่ายเทความร้อนจากห้องหรือบริเวณที่ ต้องการทำความเย็นซึ่งมีอุณหภูมิตํ่าไปถ่ายเททิ้งด้านนอกห้องซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า เนื่องจากเป็นลักษณะการทำงานที่แหกฎตามธรรมชาติของการถ่ายเทความร้อน การทำงานจึงต้องอาศัยกำลังงานจากเครื่องอัดเป็นตัวช่วยให้เกิดการกระทำดังกล่าว การทำงานลักษณะนี้อาศัยความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับการ กระทำเซิงกลซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของปรากฏการณ์ทางเทอร์โมไดนามิกส์ เนื่องจากศาสตร์ทางด้าน เทอร์โมไดนามิกส์ เป็นเรื่องที่ศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ทางความร้อนในลักษณะต่างๆ ดังนั้นจึงกล่าวได้ ว่าวัฏจักรการทำความเย็นเป็นวัฏจักรทางเทอรโมไดนามิกส์รูปแบบหนึ่ง ทำให้สามารถน่าหลักการทาง เทอร์โมไดนามิกส์มาใช้อธิบายลักษณะการทำงานและการออกแบบระบบให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

YouTube Video



คำจำกัดความทางเทอรโมไดนามิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการทำความเย็น

ระบบทางเทอรโมไดนามิกส์ (Thermodynamics system) คือปริมาณของสสารหรือมวลสารที่มีค่าแน่นอนจำนวนหนึ่งซึ่งกำลังสนใจศึกษาอยู่ โดยมีขอบเขตของระบบเป็นเกณฑ์ในการระบุให้ทราบถึงปริมาณของสสารหรือมวลสารนั้น สำหรับทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่นอกขอบเขตของระบบถือเป็นสิ่งแวดล้อมของระบบ ยกตัวอย่างในระบบการทำความเย็น การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของไอสารทำความ เย็นภายในกระบอกสูบของเครื่องอัด จะกำหนดให้ไอสารทำความเย็นคือระบบ โดยมีผนังของกระบอกสูบและผิวหน้าของลูกสูบเป็นขอบเขต ส่วนตัวกระบอกสูบ ลูกสูบ และอากาศรอบๆ ถือเป็นสิ่งแวดล้อม

สมบัติทางเทอรโมไดนามิกส์ของระบบ (Thermodynamics property of system) คือ สมบัติของระบบซึ่งทำหน้าที่กำหนดหรือบ่งบอกถึงสภาวะ (State) ของระบบว่ามีสภาวะในขณะนั้นอยู่ใน สภาพใด สมบัติทางเทอรโมไดนามิกส์มีมากมายหลายอย่าง แต่สมบัติที่สำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำความ เย็น ได้แก่ ความดัน อุณหภูมิ ปริมาตรพลังงานภายใน เอนทัลปี และ เอนโทรปี การทราบสมบัติเหล่านี้ในแต่ละสภาวะช่วยให้สามารถออกแบบ และคำนวณภาระงานของอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบได้อย่างถูกต้อง (ในลักษณะทำนองเดียวกับการทราบพิกัด x, y และ z ในการระบุตำแหน่งของวัตถุในทางกลศาสตร์ ในแต่ละตำแหน่งทำให้สามารถคำนวณระยะทางในการเคลื่อนที่ของวัตถุหรือค่าอื่นๆ ได้)

            ความสมดุลทางเทอริโมไดนามิกส์ของระบบ (Thermodynamics equilibrium of system) คือการที่ระบบคงสภาวะเดิมตลอดไปโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เกิดขึ้น (ความดัน อุณหภูมิ ปริมาตร พลังงานภายใน เอนทัลปี และเอนโทรปีมีค่าคงที่)

            ความดัน คือแรงที่กระทำตั้งฉากต่อหน่วยพื้นที่ที่แรงนั้นกระทำ ในระบบที่สมดุล ความดัน ณ จุดใดๆ จะมีค่าเท่ากันทุกทิศทุกทาง สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความดันคือ P หน่วยของความดันในระบบ SI คือ นิวตันต่อตารางเมตรหรือที่เรียกว่าพาสคัล (Pascal) ใช้สัญลักษณ์ Pa ในระบบอังกฤษ คือ ปอนด์ต่อ ตารางนิ้ว ใช้สัญลักษณ์ psi

            ความดันบรรยากาศ (Atmospheric pressure) คือความดันของอากาศรอบๆ โลกที่ กระทำต่อพื้นผิวโลกเนื่องจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ความดันบรรยากาศ ณ ระดับน้ำทะเลมาตรฐานมี ค่าเท่ากับ 101.325 kPa หรือ 14.696 psi ซึ่งโดยปกติมักใช้ค่าที่ 14.7 psi สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความดันบรรยากาศคือ Patm

            ความดันมาตรวัด (Gage pressure) คือความดันที่อ่านได้จากมาตรวัด เนื่องจากความดัน มาตรวัดจะมีการปรับค่าศูนย์ ณ ความดันบรรยากาศมาตรฐาน ดังนั้น 0 kPa ของความดันมาตรวัด = 101.325 kPa ของความดันบรรยากาศ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความดันมาตรวัดคือ Pgage

            ความดันสุญญากาศ (Vacuum pressure) คือความดันที่อ่านได้จากมาตรวัด แต่เป็นค่าที่ ตํ่ากว่าความดันบรรยากาศ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความดันสุญญากาศคือ Pvac

            ความดันสัมบูรณ์ (Absolute pressure) คือความดันที่แท้จริงของระบบ เนื่องจาก ความดันมาตรวัดเป็นค่าที่อ่านได้เทียบกับความดันบรรยากาศ ดังนั้นความดันสัมบูรณ์จึงมีค่าเท่ากับความดันมาตรวัดบวกด้วยความดันบรรยากาศ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความดันสัมบูรณ์คือ Pabs

            ความสัมพันธ์ระหว่างความดันสัมบูรณ์ ความดันมาตรวัด ความดันสุญญากาศ และความดันบรรยากาศ แสดงเป็นสมการได้ดังนี้

                                                    Pabs = Patm + Pgage

เมื่อความดันมาตรวัดเป็นบวกหรือมากกว่าความดันบรรยากาศ และ 

                                                     Pabs = Patm - Pvac

เมื่อความดันมาตรวัดเป็นสุญญากาศหรือน้อยกว่าความดันบรรยากาศ

อุณหภูมิ คือสมบัติอย่างหนึ่งของระบบซึ่งใช้เป็นตัวบ่งชี้เกี่ยวกับระดับความร้อนของมวล สารในระบบ และใช้บอกถึงความสมดุลทางความร้อนของระบบ ระบบที่มีอุณหภูมิเท่ากันจะมีความสมดุล ทางความร้อนต่อกัน อย่างไรก็คืออุณหภูมิอย่างเดียวไม่สามารถบอกให้ทราบถึงปริมาณความร้อนได้ (ท่านองเดียวกับความสูงบ่งบอกให้ทราบถึงระดับน้ำ แต่ไม่ได้บอกให้ทราบว่าปริมาตรของน้ำมีปริมาณ เท่าไร) สัญลักษณ์ที่ใช้แทนอุณหภูมิคือ T หน่วยของอุณหภูมิในระบบ SI คือ องศาเซลเซียส (Celsius) ใช้ สัญลักษณ์ °c ในระบบอังกฤษ คือ องศาฟาเรนไฮท์ (Fahrenheit) ใช้สัญลักษณ์ °F

อุณหภูมิสัมบูรณ์ทางเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamic absolute temperature) คือ ค่าอุณหภูมิที่วัดเทียบกับจุดไตรภาคของน้ำซึ่งเป็นจุดที่น้ำบริสุทธทั้งสามสถานะอยู่ด้วยกันอย่างสมดุล ในระบบ SIกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 273.16 K (เคลวิน) (ไม่มีเครื่องหมายองศา) และกำหนดให้ 273.16 K = 0°c โดยผลต่างอุณหภูมิ 1 K = l°c สำหรับในระบบอังกฤษอุณหภูมิสัมบูรณ์มีค่าเท่ากับ 460°R (แรงดิน) และกำหนดให้460°R = 32°F โดยผลต่างอุณหภูมิ 1°R = 1°F

ความร้อน คือพลังงานรูปแบบหนึ่ง และสามารถแปลงให้เป็นพลังงานรูปแบบอื่นๆ ได้ รวมทั้งพลังงานรูปแบบอื่นๆ สามารถแปลงให้เป็นพลังงานความร้อนได้เซ่นกัน ในทางเทอรโมไดนามิกส์ ความร้อนเป็นพลังงานที่ถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปสู่วัตถุอีกอันหนึ่ง หากวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน โดยความร้อนจะถ่ายเทจากแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่แหล่งที่มีอุณหภูมิตํ่าเสมอ (ทำนองเดียวกับนํ้าที่ไหล จากที่สูงไปสู่ที่ตํ่า) สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความร้อนคือ Q หน่วยของความร้อนในระบบ SI คือ kJ ในระบบ อังกฤษ คือ Btu

ความเย็น คือ สภาวะอุณหภูมิตํ่า หรือการขาดแคลนความร้อน ความเย็นเป็นผลจากการ เคลื่อนที่ของความร้อน เครื่องทำความเย็นผลิต “ความเย็น” ด้วยการดีงความร้อนจากภายในห้องที่ต้องการทำความเย็น

ความร้อนจำเพาะ (Specific heat) คือค่าปริมาณความร้อนที่ทำให้มวลหนึ่งหน่วยมี อุณหภูมิเพิ่มขึ้นหนึ่งองศา ในระบบ SI คือปริมาณความร้อน (ม) ที่ทำให้มวล 1 kg มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°c (หรือ 1 K) ในระบบอังกฤษ คือปริมาณความร้อน (Btu) ที่ทำให้มวล 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°F (หรือ 1°R) สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความร้อนจำเพาะคือ C หน่วยของความร้อนจำเพาะในระบบ SI คือ กิโลจูลน์/กิโลกรัม•เคลวิน (kJ/kg-K)ในระบบอังกฤษ คือ ปีทียู/ปอนด์•องศาแรงดิน (Btu/lb°R) อย่างไรก็ดี ความร้อนจำเพาะยังแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือ ความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ สัญลักษณ์,ที่ใช้คือ Cp และความร้อนจำเพาะที่ปริมาตรคงที่ สัญลักษณ์,ที่ใช้คือ cv โดยความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่มีค่า มากกว่าความร้อนจำเพาะที่ปริมาตรคงที่ของสารชนิดเดียวกัน

ความร้อนสัมผัส (Sensible heat) คือค่าปริมาณความร้อนที่ทำให้มวลสารมีอุณหภูมิ เพิ่มขึ้น หรือลดลง โดยสถานะไม่เปลี่ยนแปลง

ความร้อนแฝง (Latent heat) คือค่าปริมาณความร้อนที่ทำให้มวลสารเปลี่ยนแปลง สถานะ โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง

ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (Latent heat of vaporization) คือปริมาณ ความร้อนแฝงที่ทำให้มวลสารเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ

ความร้อนแฝงของการควบแน่น (Latent heat of condensation) คือปริมาณความร้อน แฝงที่ทำให้มวลสารเปลี่ยนแปลงสถานะจากไอกลายเป็นของเหลว

อุณหภูมิอิ่มตัว (Saturation temperature) คืออุณหภูมิซึ่งของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) จะเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ หรือจากก๊าซเป็นของเหลว กรณีเปลี่ยนแปลงสถานะจาก ของเหลวเป็นก๊าซเรียกว่าอุณหภูมิของเหลวอิ่มตัว กรณีเปลี่ยนแปลงสถานะจากก๊าซเป็นของเหลวเรียกว่า อุณหภูมิก๊าซอิ่มตัว

ผลของความดันต่ออุณหภูมิอิ่มมตัว (Effect of pressure on the saturation temperature) คือผลกระทบต่อการเพิ่มความดันหรือลดความดันให้กับของไหลจะทำให้ของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) เปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ หรือจากก๊าซเป็นของเหลว ณ อุณหภูมิที่ เพิ่มขึ้นหรือลดลงตามการเพิ่มความดันหรือลดความดันนั้น กล่าวคือความร้อนยิ่งสูง อุณหภูมิอิ่มตัวจะสูง ตามไปด้วย และความดันยิ่งลด อุณหภูมิอิ่มตัวจะลดลงตามไปด้วย

การกลายเป็นไอ (Vaporization) คือการที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ ทั่วทุกๆ ส่วนของของเหลว ณ อุณหภูมิอิ่มตัวและอยู่ในสภาพเดือด

การระเหย (Evaporation) คือการที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซเฉพาะ บริเวณพื้นผิวของของเหลวที่สัมผัสกับอากาศ ณ อุณหภูมิที่ตํ่ากว่าอุณหภูมิอิ่มตัวของของเหลวที่ความดัน เท่ากัน

ผลของความเย็นจากการระเหย (Cooling effect of evaporation) คือการที่อุณหภูมิ ของของเหลวที่เหลืออยู่ (ของเหลวที่ยังไม่ระเหย) มีอุณหภูมิลดตํ่าลงจากผลของการดูดซับความร้อนไปใช้ ในการระเหยของของเหลวที่ระเหยไป (เท่ากับค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ)

ไอดงหรือไอร้อนยิ่งยวด (Superheated vapor) คือไอที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว ของการกลายเป็นไอ (อุณหภูมิก๊าซอิ่มตัว) ที่ความดันเท่ากัน

ของเหลวอัด (Compressed liquid) หรือของเหลวเย็นยิง (Subcooled liquid) คือ ของเหลวที่มีอุณหภูมิตํ่ากว่าอุณหภูมิอิ่มตัวของของเหลว (อุณหภูมิของเหลวอิ่มตัว) ที่ความดันเท่ากัน

ปริมาตร (Volume) คืออาณาบริเวณที่มวลสารที่กำลังสนใจศึกษาอยู่ครอบครองไว้ โดยมี พื้นผิวเป็นขอบเขตกั้นแสดงอาณาบริเวณนั้น สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาตรคือ V หน่วยของปริมาตรใน ระบบ SI คือ ลูกบาศก์เมตร (ทา3) ในระบบอังกฤษ คือ ลูกบาศก์ฟุต (ft3หรือลูกบาศก์นิ้ว (in3)

ปริมาตรจำเพาะ (Specific volume) คือปริมาตรต่อหน่วยมวลสารของระบบ ดังนั้น ปริมาตรจำเพาะจึงไม่ขึ้นกับมวลของระบบ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาตรจำเพาะคือ V หน่วยของปริมาตร จำเพาะในระบบ SI คือลูกบาศก์เมตรต่อกิโลกรัม (ทา3/kg) ในระบบอังกฤษ คือ ลูกบาศก์ฟุตต่อปอนด์ (ftVlb) หรือลูกบาศก์นิ้วต่อปอนด์ (in3/lb)

พลังงาน (Energy) คือความสามารถในการท่างานได้ของมวลสารหรือวัตถุ สัญลักษณ์ที่ใช้ แทนพลังงานคือ E หน่วยของพลังงานในระบบ SI คือ นิวตัน-เมตร (N-m) หรือจูลน์ (J) ในระบบอังกฤษ คือ ฟุต-ปอนด์ (ft-lb) พลังงานแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ อย่างไรก็คืใน ระบบการท่าความเย็นพลังงานที่เกี่ยวช้องเป็นหลักคือความร้อน ดังนั้นหน่วยของพลังงานที่ใช้จึงเป็น หน่วยของความร้อนซึ่งในระบบ SI คือ ม และในระบบอังกฤษ คือ Btu โดย 1 Btu = 1.0551 kJ = 778.17 ft-lb

พลังงานจลน์ (Kinetic energy) คือพลังงานอันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่หรือความเร็วของ มวลสารหรือวัตถุ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนพลังงานจลน์คือ KE

พลังงานศักย์ (Potential energy) คือพลังงานอันเนื่องมาจากความแตกต่างของระดับ ระหว่างตำแหน่งของมวลสารหรือวัตถุเทียบกับตำแหน่งอ้างอิงตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง สัญลักษณ์,ที่ใช้ แทนพลังงานศักย์คือ PE

พลังงานภายใน (Internal energy) คือความสามารถในการทำงานได้ของโมเลกุลภายใน มวลสารหรือวัตถุ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนพลังงานภายในคือ บ มีหน่วยเซ่นเดียวกับพลังงานและแบ่งออกได้ เป็น 2 ชนิด เซ่นกันคือ พลังงานจลน์ภายใน และพลังงานศักย์ภายใน

พลังงานจลน์ภายใน (Internal kinetic energy) คือพลังงานอันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ หรือความเร็วของโมเลกุลภายในมวลสารหรือวัตถุ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนพลังงานจลน์ คือ K

พลังงานศักย์ภายใน (Internal potential energy) คือพลังงานจากการแยกขั้นของ โมเลกุล เป็นพลังงานที่โมเลกุลมีอยู่อันเนื่องมาจากตำแหน่งของโมเลกุลนั้นเทียบกับตำแหน่งของโมเลกุล อ้างอิง ยิ่งระดับของการแยกขั้นของโมเลกุลยิ่งมาก พลังงานศักย์ภายในยิ่งสูง สัญลักษณ์ที่ใช้แทน พลังงานศักย์คือ P

พลังงานภายในจำเพาะ (Specific internal energy) คือพลังงานภายในต่อหน่วยมวลสาร ของระบบ ดังนั้นปริมาตรจำเพาะจึงไม่ขึ้นกับมวลของระบบ

เอนทัลปี คือสมบัติสมบัติหนึ่งที่ใช้เป็นตัวแทนกลุ่มสมบัติของมวลสาร ได้แก่ พลังงานภายใน (U) ความดัน (P) และปริมาตร (V) เนื่องจากสมบัติเหล่านี้มักปรากฏอยู่ด้วยกันในรูป U + PV ดังนั้นเพื่อความสะดวกจึงแทนกลุ่มสมบัตินี้ด้วยสมบัติตัวหนึ่งและให้ชื่อว่า เอนทัลปี สัญลักษณ์ที่ใช้แทน เอนทัลปี คือ หน่วยของเอนทัลปีเป็นเซ่นเดียวกับหน่วยของพลังงาน

เอนทัลปีจำเพาะ (Specific enthalpy) คือเอนทัลปีต่อหน่วยมวลสารของระบบ แต่โดย ปกติจะใช้ค่าเอนทัลปีจำเพาะเป็นหลักมากกว่าเอนทัลปีรวม (H) ในทางปฏิบัติคำว่า เอนทัลปี จึงหมายถึง เอนทัลปีจำเพาะ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนเอนทัลปีจำเพาะ คือ h หน่วยของเอนทัลปีจำเพาะในระบบ SI คือ กิโลจูลน์ต่อกิโลกรัม (kJ/kg) ในระบบอังกฤษ คือ'ปีทียู/ปอนด์ (Btu/lb)

เอนโทรปี คือสมบัติสมบัติหนึ่งที่ใช้แทนอัตราการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อน (dQ) ที่ ถ่ายเทสู่มวลสารต่อระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) ที่น่ามวลสารสู่สภาวะนั้นจากจุดอ้างอิงจุดใดจุดหนึ่ง สัญลักษณ์ที่ใช้แทนเอนโทรปี คือ S แต่เนื่องจากเอนโทรเป็นสมบัติที่เทียบกับอัตราการเปลี่ยนแปลง พลังงาน จึงนิยามเอนโทรปีด้วยสมการที่แสดงการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี ดังนี้ dS = dQ / T หน่วยของเอนโทรปีในระบบ SI คือ kJ/K ในระบบอังกฤษ คือ Btu/°R

เอนโทรปีจำเพาะ (Specific entropy) คือเอนโทรปีต่อหน่วยมวลสารของระบบ แต่โดย ปกติจะใช้ค่าเอนโทรปีจำเพาะเป็นหลักเช่นเดียวกับเอนทัลปี ในทางปฏิบัติคำว่า เอนโทรปี จึงหมายถึง เอนโทรปีจำเพาะ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนเอนโทรปีจำเพาะ คือ s หน่วยของเอนโทรปีจำเพาะในระบบ SI คือ kJ/kg-Kในระบบอังกฤษ คือ Btu/lb°R

กระบวนการ คือการเปลี่ยนแปลงของระบบจากสภาวะหนึ่งไปสู่อีกสภาวะหนึ่ง อาจเป็น การเปลี่ยนแปลง ความดัน อุณหภูมิ ปริมาตร พลังงานภายใน เอนทัลปี หรือเอนโทรปี อย่างใดอย่างหนึ่ง เพียงอย่างเดียว หรือหลายอย่าง หรือทั้งหมดก็ได้

วัฏจักร คือการเปลี่ยนแปลงตามกระบวนการต่างๆ ของระบบ จนในที่สุดระบบกลับมี สภาวะเหมือนกับสภาวะเริ่มต้นอีกครั้ง หรือเรียกว่าระบบผ่านการเปลี่ยนแปลงครบ “วัฏจักร”

 

แผนภูมิทางเทอรโมไดนามิกส์และแผนภูมิความดัน - เอนทัลปี

แผนภูมิทางเทอรโมไดนามิกส์ คือกราฟแสดงสภาวะของสารบนแกนสองมิติ ได้มาจาก ความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติของสารหรือระบบที่สภาวะสมดุลใดๆ เซ่น แผนภูมิความดัน-ปริมาตร จำเพาะ (P-V) แผนภูมิความดัน-อุณหภูมิ (P-T) แผนภูมิอุณหภูมิ-เอนโทรปี (T-s) และแผนภูมิ ความดัน-เอนทัลปี (P-h) เป็นต้น

แผนภูมิความดัน-เอนทัลปี คือแผนภูมิทางเทอรโมไดนามิกส์ที่แสดงให้เห็นว่าสมบัติของ สารในสถานะของเหลวและก๊าซว่ามีความสัมพันธ์กับค่าความดันและความร้อนค่าหนึ่งๆ เสมอ นอกจากนี้ ในแผนภูมิความดัน-ความร้อนโดยปกติยังสามารถบอกให้ทราบถึงสมบัติของสารได้หลายอย่าง โดย อาศัยเส้นค่าคงที่ต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 3 ในรูปเส้นแนวตั้ง (เส้น A) บอกให้ทราบถึงค่าความร้อน (เอนทัลปี) ของสารที่มีค่าเท่ากันตามเส้นนี้ มีหน่วยเป็นกิโลจูลน์ต่อกิโลกรัม หรือบีทียูต่อปอนด์

เส้นแนวนอน (เส้น B) บอกให้ทราบถึงค่าความดันของสารที่มีค่าเท่ากันตามเส้นนี้ มีหน่วยเป็นกิโลพาสศัล หรือปอนด์ต่อตารางนิ้ว เส้นแนวนอนในพื้นที่บริเวณตรงกลางและเกือบเป็นแนวตั้งในพื้นที่ ด้านซ้าย กับเป็นเส้นโค้งลงไปทางขวาในพื้นที่ด้านขวา (เส้น C) บอกให้ทราบถึงอุณหภูมิของสารที่มีค่า เท่ากันตามเส้นนี้ และเส้นเกือบขนานกับเส้นของเหลวอิ่มตัวภายในพื้นที่บริเวณตรงกลาง (เส้น D) บอกให้ ทราบถึงคุณภาพของสาร (x) ที่มีค่าเท่ากันตามเส้นนี้ว่ามีลัดส่วนของไอผสมกับของเหลวปริมาณเท่าใด เซ่น คุณภาพ X = 0.10 หมายถึงมีลัดส่วนของไออยู่ ร้อยละ 10 และมีลัดส่วนของของเหลวอยู่ร้อยละ 90 เป็นต้น

 

รูปที่ 3 แผนภูมิความดัน–เอนทัลปี  แสดงเส้นคงที่ของสมบัติต่างๆ ของสาร


               แผนภูมิความดัน-เอนทัลปี ถือเป็นแผนภูมิที่นิยมใช้ในการวิเคราะห์และออกแบบระบบ การทำความเย็น เริ่มตั้งแต่การหาขนาดของกำลังงานเซิงกลที่จำเป็นในการทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อน ให้ได้ตามปริมาณที่ต้องการ ซึ่งถือเป็นสิ่งที่สำคัญของระบบที่จะทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนออกจาก ห้องหรือบริเวณที่ต้องการทำความเย็นนั้นได้ตามที่ต้องการ สำหรับระบบการทำความเย็นแบบอัดไอซึ่ง เป็นระบบการทำความเย็นที่ได้รับความนิยมมากที่สุด กำลังงานเซิงกลได้แก่ กำลังงานจากเครื่องอัดในการ อัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันและอุณหภูมิสูงตามที่ต้องการ ด้วยปริมาณสารทำความเย็นที่เหมาะสม กับปริมาณการถ่ายความร้อนออก อันจะทำให้สามารถคงอุณหภูมิของห้องหรือบริเวณที่ต้องการทำ ความเย็นให้ตํ่าตามที่กำหนดได้ รวมทั้งแผนภูมิช่วยให้สามารถหาขนาดของเครื่องควบแน่น ขนาดของ อุปกรณ์ปรับลดความดันหรือควบคุมสารทำความเย็น และขนาดของเครื่องระเหยที่เหมาะสมกับปริมาณ การถ่ายเทความร้อนออกได้ด้วย

พื้นที่แสดงสถานะของสารทำความเย็นในแผนภูมิ คือพื้นที่ในแผนภูมิความดัน - เอนทัลปี ที่บอกให้ทราบถึงสถานะของสารซึ่งในการทำความเย็นคือสารทำความเย็นว่า มีสถานะเป็นของเหลว อิ่มตัว ของผสมระหว่างของเหลวกับไอ ไออิ่มตัว หรือไอร้อนยิ่งยวด ดังรูปที่ 4 แสดงให้เห็น ความสัมพันธ์ของสถานะของสารทำความเย็นในรูปของเหลวและก๊าซตามค่าความดันและความร้อน (เอนทัลปี) ค่าต่างๆ ซึ่งทำให้สามารถแบ่งพื้นที่ออกเป็น 3 ส่วนคือ พื้นที่ด้านซ้ายมือ พื้นที่บริเวณตรงกลาง และพื้นที่ด้านขวามือ โดยมีเส้นแบ่งอยู่ 2 เส้น เส้นแบ่งด้านซ้ายมือ เรียกว่าเส้นของเหลวอิ่มตัว เส้นแบ่ง ด้านขวามือ เรียกว่าเส้นไออิ่มตัว ดังนั้นพื้นที่ด้านซ้ายมือของเส้นของเหลวอิ่มตัว สารทำความเย็นจึงมื สภาพเป็นของเหลวทั้งหมด พื้นที่ด้านขวามือของเส้นไออิ่มตัวสารทำความเย็นจึงมีสภาพเป็นไอทั้งหมด และพื้นที่บริเวณตรงกลางระหว่างเส้นของเหลวอิ่มตัวกับเส้นไออิ่มตัว สารทำความเย็นมีสภาพเป็นของ ผสมระหว่างของเหลวกับไอ ทั้งนี้จะมืลัดส่วนของของเหลวหรือไอปริมาณมาก - น้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับว่า มีค่าความร้อน (เอนทัลปี) มาก - น้อยเพียงใดในแต่ละค่าความดัน (ค่าความดันจะบอกให้ทราบถึง ระดับสูง - ตํ่า ของเส้นระเหย และเส้นควบแน่น) นั้นคือถ้าสารทำความเย็นมีค่าความร้อนในตัวน้อย สภาวะสารทำความเย็นอยู่ใกล้กับเส้นของเหลวอิ่มตัว (เส้นซ้ายมือ) และสารทำความเย็นมีสัดส่วนเป็น ของเหลวมากกว่าเป็นก๊าซ ในทางตรงข้ามหากสารทำความเย็นมีค่าความร้อนในตัวมาก สภาวะสารทำ ความเย็นอยู่ใกล้กับเส้นไออิ่มตัว (เส้นขวามือ) และสารทำความเย็นมีสัดส่วนเป็นไอมากกว่าเป็นของเหลว ดังแสดงในรูปที่ 4

สำหรับบริเวณที่เป็นของเหลวที่ห่างจากเส้นของเหลวอิ่มตัวออกไปทางซ้ายมือ สารทำความเย็นอยู่ในสภาวะของเหลวอัด เนื่องจากบริเวณนี้ของเหลวมีความดันสูงกว่าความดันของของเหลวอิ่มตัว ณ เส้นของเหลวอิ่มตัวที่อุณหภูมิเท่ากัน กล่าวอีกนัยหนึ่งบริเวณนี้ของเหลวมีอุณหภูมิตํ่ากว่าอุณหภูมิของของเหลวอิ่มตัว ณ เส้นของเหลวอิ่มตัวที่ความดันเท่ากัน (ดูเส้นอุณหภูมิคงที่ในรูปที่ 3 ประกอบ) ในทำนองเดียวกันบริเวณที่เป็นก๊าซที่ห่างจากเส้นไออิ่มตัวออกไปทางขวามือ สารทำความเย็นอยู่ในสภาวะไอร้อนยิ่งยวด เนื่องจาก ณ เส้นอุณหภูมิเท่ากัน ไอ (ก๊าซ) บริเวณนี้มีความดันตํ่ากว่าความดันของไออิ่มตัว หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งบริเวณนี้ไอมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไออิ่มตัว ณ เส้นไออิ่มตัวที่ ความดันเท่ากัน


รูปที่ 4 แผนภูมิ ความดันเอนทัลปี แสดงเส้นแบ่งพื้นที่สถานะ

เทอร์โมไดนามิกส์ในวัฏจักรการทำความเย็นพื้นฐานเชิงอุดมคติ

ดังกล่าวแล้วว่า ในวัฏจักรการทำความเย็นแบบอัด ประกอบด้วยกระบวนการทาง เทอร์โมไดนามิกส์ 4 กระบวนการ ได้แก่ กระบวนการอัดสารท่าความเย็นในเครื่องอัด กระบวนการคายความร้อนจากสารท่าความเย็นให้บรรยากาศภายนอกในเครื่องควบแน่น กระบวนการลดความดันในอุปกรณ์ลดความดัน (Pressure reducer) หรือวาล์วควบคุมสารท่าความเย็น และกระบวนการดูดซับความร้อนออกจากตู้เย็นหรือบริเวณที่ต้องการท่าความเย็นสู่สารท่าความเย็นในเครื่องระเหย

- กระบวนการอัดสารท่าความเย็น

หากเริ่มพิจารณาที่กระบวนการอัดสารท่าความเย็น เมื่อสารทำความเย็นออกจากเครื่องระเหย A ในรูปที่ 5 ผ่านท่อทางดูดเข้าสู่เครื่องอัด B เพื่อเข้าสู่กระบวนการอัด เครื่องอัดซึ่งโดยปกติมีอัตราการอัดที่สูงมาก (ประมาณ 1000 - 3000 รอบ/นาที) ทำให้วงรอบการอัดเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ไอสารท่าความเย็นมีโอกาลสัมผัสกับผิวของทรงกระบอกของเครื่องอัดในช่วงสั้นๆ มาก รวมทั้งผลต่างของอุณหภูมิระหว่างไอสารทำความเย็น (อุณหภูมิตํ่าสุดเฉลี่ยประมาณ -15°c และอุณหภูมิ สูงสุดประมาณ 45°0 กับอุณหภูมิเครื่องอัด (อุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 30°c) มีค่าไม่มาก การถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างสารทำความเย็นกับเครื่องอัดจึงไม่ต้องน่ามาพิจารณาได้ ทำให้สามารถพิจารณาว่ากระบวนการอัดมีลักษณะเป็นกระบวนการแบบแอเดียเบติก (Adiabatic process) นั่นคือถือว่าไม่มีการถ่ายเทความร้อนขณะดำเนินกระบวนการอัดระหว่างก๊าซกับสิ่งแวดล้อมซึ่งคือเครื่องอัด สมการทำงานของกระบวนการแบบแอเดียเบติกเป็นดังนี้


รูปที่ 5 แผนภูมิ ความดันเอนทัลปี ของระบบการทํ าความเย็นแบบอัด (แสดงเส้นทางของกระบวนการในระบบ)


            อย่างไรก็ดี ไม่นิยมคำนวณหางานจากสมการข้างต้น เนื่องจากสารทำความเย็นที่ใช้งานโดยทั่วไป ได้มีการจัดทำเป็นแผนภูมิทางเทอร์โมไดนามิกส์และตารางทางเทอร์โมไดนามิกส์ไว้ เรียบร้อยแล้ว ดังแผนภูมิของสารทำความเย็นชนิด R-134a ในรูปที่ 6 และตารางสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์ของสารทำความเย็นชนิด R-134a ในภาคผนวกของหนังสือทำความเย็นทั่วไป อย่างไรก็ดีเนื่องจากหน่วยที่ใช้งานที่เกี่ยวข้องกับระบบการทำความเย็นในประเทศไทย ใช้หน่วยทั้งในระบบ SI และในระบบอังกฤษปะปนกัน ไป ตารางที่ 3 ได้แสดงการแปลงหน่วยที่เกี่ยวข้องไว้ให้ เพื่อความสะดวกในการใช้งาน

           ในการใช้งานแผนภูมิและตารางดังกล่าวจะสมมติให้กระบวนการนี้เป็นกระบวนการแอเดียเบติกชนิดไอเซนทรอปีก หรือที่เรียกว่ากระบวนการแอเดียเบติกที่ไม่มีแรงเสียดทาน (Frictionless-adiabatic process) หรือกระบวนการอัดแบบเอนโทรปีคงที (Constant entropy compression) ดังนั้นในแผนภูมิความดัน-เอนทัลปี (รูปที่ 6ลักษณะเส้นกระบวนการในแผนภูมิจะ ลากไปตามเส้นเอนโทรปีคงที่ และถ้าทราบจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของกระบวนการจะสามารถคำนวณ งานในส่วนนี้โดยอาศัยข้อมูลจากแผนภูมิหรือจากตารางไอร้อนยิ่งยวด ดังตารางไอร้อนยิ่งยวดของ R-134a

รูปที่  6 แผนภูมิความดันเอนทัลปี ของสารทำความเย็นชนิด R-134a

ตารางที่ 2 ตารางแปลงหน่วย


- กระบวนการคายความร้อน

หลังจากสารทำความเย็นผ่านกระบวนการอัด ทำให้สารทำความเย็นมีความดัน และอุณหภูมิที่สูงขึ้น แต่จะสูงมากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับงานที่กระทำโดยเครื่องอัดว่ามีปริมาณที่มากน้อยเพียงใด กล่าวคือยิ่งใส่งานเข้าไปในเครื่องอัดยิ่งมาก ความดันและอุณหภูมิของสารทำความเย็นยิ่งสูง ล่งผลให้อุณหภูมิในการควบแน่นของสารทำความเย็นในกระบวนการคายความร้อนในเครื่องควบแน่น C (รูปที่ 1.9) สูงตามไปด้วย ทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนสู่บรรยากาศได้รวดเร็ว จากผลของความแตกต่าง ระหว่างอุณหภูมิของเครื่องควบแน่นกับบรรยากาศที่มีความแตกต่างกันมาก อย่างไรก็ดี ผลของการอัดให้ มีความดันสูงและอุณหภูมิสูงมากๆ ทำให้ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทออกมีปริมาณต่อนํ้าหนัก (ม/kg หรือ Btu/lb) ลดลง ซึ่งล่งผลให้ปริมาณความร้อน (หรืออาจเรียกว่าปริมาณความเย็น) ที่ถ่ายเทสู่เครื่องระเหย ลดลงตามไปด้วย นอกจากนี้การอัดให้สารทำความเย็นมีความดันสูงมากๆ ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมาก ตามไปด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปจึงทำการอัดสารทำความเย็นให้มีอุณหภูมิสูงกว่าระดับอุณหภูมิของ บรรยากาศประมาณ 10 - 15°c สำหรับปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทออกมีค่าเท่ากับความร้อนแฝงของการ ควบแน่น (ไอกลายเป็นของเหลว)ของสารทำความเย็น

- กระบวนการลดความดัน

เมื่อสารทำความเย็นคายความร้อนและเปลี่ยนแปลงสถานะจากไอเป็นของเหลว แล้ว การที่จะทำให้สารทำความเย็นสามารถดูดซับความร้อนในการทำความเย็น ณ บริเวณพื้นที่ที่ต้องการ และในระดับความเย็นที่เหมาะสม ตัวสารทำความเย็นต้องมีอุณหภูมิที่ตํ่ากว่าบริเวณที่ต้องการทำความ เย็นมากพอที่จะดูดซับความร้อนเข้ามาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการทำให้สารทำความเย็นมีอุณหภูมิที่ตํ่าลงจำเป็นต้องทำการลดความดันสารทำความเย็นลง โดยผ่านอุปกรณ์ลดความดันหรือควบคุมสารทำ ความเย็น  (รูปที่ 1.9) สำหรับกระบวนการลดความดันนี้มีลักษณะเป็นกระบวนการแบบเอนทัลปีคงที่ เนื่องจากเป็นกระบวนการขยายตัวแบบแอเดียเบติก กล่าวคือกระบวนการเกิดการขยายตัวลดความดัน อย่างรวดเร็วมาก ทำให้สารทำความเย็นมีโอกาสสัมผัสกับพื้นผิวของท่อและอุปกรณ์ลดความดันในช่วง สั้นๆ มาก ในลักษณะทำนองเดียวกับกระบวนการอัด การถ่ายเทความร้อนกับสิ่งแวดล้อมจึงไม่ต้องน่ามา คิดได้ อย่างไรก็ดีขณะที่สารทำความเย็นขยายตัวลดความดันลง สารทำความเย็นบางส่วนจะกลายเป็นไอ ที่เรียกว่าไอแฟล็ซ เนื่องจากผลของการลดความดันลง ทำให้แรงกดที่กระทำต่อโมเลกุลของสารลดลงไป ด้วย (ทำนองเดียวกับการเกิดละอองนํ้า (ไอนํ้า) ปะปนกับนํ้าจากการบีบปลายสายยางขณะรดนํ้าต้นไม้ จากผลที่ความดันของนํ้าในสายยางถูกลดความดันลงเท่ากับความดันบรรยากาศอย่างทันทีทันใด) ดังนั้น เมื่อความดันของสารทำความเย็นลดตํ่าลงถึงระดับที่ต้องการ สารทำความเย็นที่ระดับความดันตํ่านี้จะมี สถานะเบีนของผสมระหว่างของเหลวและไอ โดยทั่วไปอยู่ในอัตราส่วนโดยประมาณเท่ากับ ของเหลวร้อย ละ 75 และไอร้อยละ 25 ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ 3 ประการ คือ ความดันด้านสูงในเครื่องควบแน่น ความดันด้านตํ่าในเครื่องระเหย และผลของการเกิดของเหลวเย็นยิ่ง ในเครื่องควบแน่นว่าเปีนอย่างไร

- กระบวนการดูดซับความร้อน

หลังจากที่สารทำความเย็นขยายตัวลดความดันลงสู่ระดับความดันที่ทำให้สาร ทำความเย็นมีอุณหภูมิตํ่าตามที่ต้องการ (โดยปกติจะตํ่ากว่าอุณหภูมิของบริเวณที่ต้องการทำความเย็น ประมาณ 5 - 10°0 ณ จุดนี้สารทำความเย็นจะเริ่มเดือดกลายเปีนไอผ่านเครื่องระเหย A (รูปที่ 1.9) ในขณะที่สารทำความเย็นเปลี่ยนสถานะจากของผสมระหว่างของเหลว - ไอ เป็นไออย่างสมบูรณ์นั้นสาร ทำความเย็นจะดูดซับความร้อนจากบริเวณรอบๆ เข้ามาด้วย ในปริมาณเท่ากับค่าความร้อนแฝงของการ กลายเป็นไอของสารทำความเย็น อย่างไรก็ดีปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับจากห้องที่ต้องการทำความเย็น และจากเครื่องระเหยไม่เท่ากับปริมาณความร้อนแฝงทั้งหมดในการกลายเป็นไอของสารทำความเย็น ทั้งนี้ เนื่องจากขณะที่สารทำความเย็นถูกลดความดันลงผ่านวาล์วขยายตัวหรืออุปกรณ์ลดความดันแบบอื่นๆ สารทำความเย็นบางส่วนได้กลายเป็นไอก่อนเข้าสู่เครื่องระเหย ลักษณะนี้ทำให้ปริมาณความร้อนแฝง ประสิทธิผล ในการทำความเย็นมีค่าน้อยกว่าปริมาณความร้อนแฝงรวมของการกลายเป็นไอของสารทำ ความเย็น ดังแสดงในแผนภูมิความดัน-เอนทัลปี ในรูปที่ 5 (เครื่องระเหย A)

การใช้งานและการอ่านค่าในกระบวนการต่างๆ ของวัฏจักรการทำความเย็นใน แผนภูมิ-เอนทัลปี และตารางทางเทอร์โมไดนามิกส์

จากแผนภูมิความดัน-เอนทัลปีที่แสดงให้เห็นถึงสมบัติต่างๆ ของสารทำความเย็น และ จากการศึกษาการทำงานของกระบวนการต่างๆ ของวัฏจักรการทำความเย็นแบบอัด ทำให้สามารถนำ แผนภูมิความดัน-เอนทัลปีมาใข้ในการศึกษาวัฏจักรการทำความเย็นได้ ด้วยการแทนการทำงานต่างๆ ลง ในแผนภูมิ และนำผลจากการอ่านค่าสมบัติต่างๆ ในกระบวนการมาใช้งานต่อไป ดังนี้

- กระบวนการอัดสารทำความเย็น

หากพิจารณาสารทำความเย็นที่ไหลผ่านเครื่องระเหยในสภาวะไออิ่มตัว และถูกดูดเข้าสู่เครื่องอัด ถ้าสารทำความเย็นที่ใชัเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนคือ R -134a มีอุณหภูมิที่ เครื่องระเหยเท่ากับ -7°c และอุณหภูมิของสารทำความเย็นที่เครื่องควบแน่นเท่ากับ 43°c

จากข้อมูลข้างต้นสามารถนำมากำหนดจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของกระบวนการ อัดสารทำความเย็นได้ดังนี้

เริ่มจากสภาวะเข้าเครื่องอัด ถ้าสารทำความเย็นเข้าสู่เครื่องอัดในสภาวะ ไออิ่มตัว จุดเริ่มต้นของกระบวนการคือ จุดพี่ส้นอุณหภูมิคงที่ ที่ -7°c ตัดกับเส้นไออิ่มตัว (จุด 1 ในรูปที่ 6) และจุดสิ้นสุดของกระบวนการคือจุดที่เส้นเอนโทรปีคงที่จากจุด 1 (s = 1.74 kJ/kg-K) ไปตัดกับ เส้นความดันคงที่ ที่ได้มาจากค่าอุณหภูมิที่เครื่องควบแน่นที่ 43°c (จุด 2 ในรูปที่ 6)

จากจุดเริ่มต้น (จุด 1) และจุดสิ้นสุด (จุด 2) สามารถอ่านค่าต่างๆ ของ

กระ บวนการได้ดังนี้

           จากจุด 1 ลากเส้นขนานกับเส้นแกนตั้งมาตัดกับแกนนอน (เอนทัลปี) สามารถ อ่านค่าเอนทัลปีของจุดเริ่มต้นกระบวนการได้ในที่นี้เท่ากับ 395 ม/kg และถ้าลากเส้นขนานกับแกนนอน มาตัดกับเส้นแกนตั้ง (ความดัน) สามารถอ่านค่าความดันของจุดเริ่มต้นกระบวนการได้ใน'ที่นี้เท่ากับ0.2 MPa นอกจากนี้ยังสามารถอ่านค่าปริมาตรจำเพาะของสารทำความเย็น ณ จุดนี้ได้ ตามเส้นปริมาตร จำเพาะคงที่ (เส้นประที่เกือบขนานกับแกนนอน) ในที่นี้เท่ากับ 0.09 m3/kg ค่าปริมาตรจำเพาะประกอบ กับค่าความดันมีประโยชน์ในการออกแบบและเลือกใช้งานเครื่องอัด ซึ่งจะได้กล่าวถึงในรายละเอียด เกี่ยวกับเครื่องอัด

ในทำนองเดียวกัน ที่จุด 2 สามารถอ่านค่าเอนทัลปีได้เท่ากับ 430 kJ/kg และ อ่านค่าความดันได้เท่ากับ 1.1 MPa

ในส่วนผลการทำงานของเครื่องอัดที่ทำให้สารทำความเย็นมีความดันและ อุณหภูมิสูงขึ้นนั้น สามารถหาค่าของพลังงานกลของเครื่องอัดที่ใช้ในการอัดสารทำความเย็นนี้ได้จากค่า พลังงานความร้อนของการอัด ซึ่งมีค่าเท่ากับการเพิ่มขึ้นของเอนทัลปีจากจุดเริ่มต้นไปจุดสิ้นสุดของ กระบวนการอัด ดังนั้นถ้าให้ wc คือพลังงานกลต่อหน่วยมวลของสารทำความเย็นที่เครื่องอัดทำงาน h1 คือเอนทัลปีที่จุดเริ่มต้น และ h2 คือเอนทัลปีที่จุดสิ้นสุด จะได้

        wc       =        h2 - h1

        =        430 - 395            =       35.0 ม/kg

- กระบวนการคายความร้อน

หลังจากสารทำความเย็นผ่านกระบวนการอัดและออกจากเครื่องอัดที่จุด 2 ณ จุดนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการคายความร้อนในเครื่องควบแน่น สำหรับจุดสิ้นสุดของกระบวนการ คือจุดที่เส้นความดันคงที่ (เส้นขนานกับแกนนอน)ณ จุด 2 ลากไปตัดกับเส้นของเหลวอิ่มตัว (จุด 3 ในรูปที่ 6) ซึ่งสามารถอ่านค่าสมบัติต่างๆ ของกระบวนการได้ดังนี้

1) ค่าต่างๆ ณ จุด 2 ของกระบวนการคายความร้อนคือค่าเดียวกับค่าต่างๆ ณ จุด 2 ของกระบวนการอัดสารทำความเย็น

2) ค่าต่างๆ ณ จุด 3 สามารถอ่านค่าได้ไนทำนองเดียวกับการอ่านค่า ณ จุด 1 และจุด 2 นั่นคือสามารถอ่านค่าเอนทัลปี ณ จุด 3 ได้เท่ากับ 260 kJ/kg และค่าปริมาตรจำเพาะได้ เท่ากับ 0.0009 m3/kg

ผลจากการคายความร้อนที่ทำให้สารทำความเย็นเปลี่ยนสภาพจากไอร้อน ยิ่งยวดมาเป็นไออิ่มตัว และเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวอิ่มตัวในที่สุด สามารถหาได้จากการลดลงของเอนทัลปีจากจุดเริ่มต้นไปจุดสิ้นสุดของกระบวนการคายความร้อน ดังนั้นถ้าให้ qc คือพลังงานความร้อน ต่อหน่วยมวลของสารทำความเย็นที่สารทำความเย็นระบายออกที่เครื่องควบแน่น h2   คือเอนทัลปีที่จุดเริ่มต้น และ h3 คือเอนทัลปีที่จุดสิ้นสุด จะได้

        qc       =        h3 -h2                            

        =        260 - 430             =       -170 kJ/kg

(หมายเหตุ: เครื่องหมายลบแสดงการเป็นกระบวนการคายความร้อนจากระบบ)

- กระบวนการลดความดัน

เมื่อสารทำความเย็นคายความร้อนและออกจากเครื่องควบแน่นที่จุด E ในสภาวะของเหลวอิ่มตัว ณ จุดนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการลดความดัน ให้มีความดันตํ่าเพื่อเข้าสู่กระบวนการดูดซับความร้อนที่เครื่องระเหย ดังนั้นจุดสิ้นสุดของกระบวนการลดความดันจึงเป็นจุดเริ่มต้น ของกระบวนการดูดซับความร้อน (จุด 4 ในรูปที่ 6)

ในการกำหนดจุด 4 ให้ลากเส้นจากจุด 3 ขนานกับแกนตั้งลงมาตัดกับเส้นที่ลาก จากจุด 1 ขนานกับแกนนอนมาทางซ้าย ณ จุดนี้สามารถอ่านค่าสมบัติต่างๆ ของสารทำความเย็นจาก แผนภูมิได้ดังนี้

1) ค่าต่างๆ ณ จุด 3 ของกระบวนการลดความดันคือ ค่าเดียวกับค่าต่างๆ ณ จุด 3 ของกระบวนการคายความร้อน

2) ค่าต่างๆ ณ จุด 4 สามารถอ่านค่าไดีในทำนองเดียวกับการอ่านค่า ณ จุด 1 ดังกล่าวมาแล้ว ดังนั้นสามารถอ่านค่าเอนทัลปี ณ จุด 4 ได้เท่ากับ 260 kJ/kg ซึ่งเท่ากับค่าเอนทัลปี ณ จุด 3 เนื่องจากทั้งจุด 4 และจุด 3 อยู่บนเส้นเอนทัลปีคงที่เส้นเดียวกัน ผลจากการที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของกระบวนการทั้งสองจุดมีค่าเอนทัลปีเท่ากัน จึงสรุปได้ว่าในกระบวนนี้ไม่เกิดผลของการ ถ่ายเทพลังงานใดๆ กับระบบทั้งในแง่ของพลังงานกลและพลังงานความร้อน

- กระบวนการดูดซับความร้อน

เมื่อสารทำความเย็นถูกลดความดันลง ณ จุด 4 และเข้าสู่เครื่องระเหย จนกระทั้งออกจากเครื่องระเหยที่จุด 1 ถือว่ากระบวนการเกิดขึ้นครบวัฏจักร สำหรับค่าสมบัติต่างๆ ของกระบวนการ ณ จุด 4 และจุด 1 คือค่าต่างๆ ณ จุด 4 ของกระบวนการลด ความดัน และค่าต่างๆ ณ จุด 1 ของกระบวนการอัดสารทำความเย็น ตามสำดับ

ผลจากการดูดซับความร้อนที่ทำให้สารทำความเย็นเปลี่ยนสภาพจากของผสม ระหว่างของเหลว-ไอ มาเป็นไออิ่มตัว สามารถหาได้จากการเพิ่มขึ้นของเอนทัลปีจากจุดเริ่มต้นไป จุดสิ้นสุดของกระบวนการดูดซับความร้อน ดังนั้นถ้าให้ qe คือพลังงานความร้อนต่อหน่วยมวลของสารทำ ความเย็นที่สารทำความเย็นดูดซับไว้ที่เครื่องระเหย h4 คือเอนทัลปีที่จุดเริ่มต้น และ h1 คือเอน,ทัลปี,ที่ จุดสิ้นสุด จะได้

        qe       =        h1- h4                                                                      

        =        395 - 260            =       135 /kg

สัมประสิทธิ์ของสมรรถนะการทำความเย็น

ในการเปรียบเทียบการทำความเย็นของระบบการทำความเย็นใดๆ ค่าที่ใช้แสดง ประสิทธิภาพของการทำความเย็นที่นำมาพิจารณาคือ ค่าสัมประสิทธิ์ของสมรรถนะ (Coefficient of erformance) หรือ COP ของระบบการทำความเย็นนั้น

ค่า COP คืออัตราส่วนระหว่างพลังงานความร้อนที่สารทำความเย็นดูดซับไว้ที่ เครื่องระเหยกับพลังงานกลที่ใช้ในการขับเครื่องอัด ดังนั้นถ้าพลังงานความร้อนที่สารทำความเย็นดูดซับไว้ ที่เครื่องระเหยเท่ากับ 135 kJ/kg และพลังงานกลที่ใช้ในการขับเครื่องอัดเท่ากับ 35.0 kJ/kg จะได้ค่า COP = 135/35.0 = 3.86 ค่า COP ยิ่งสูงแสดงถึงสมรรถนะของเครื่องทำความเย็นว่ามีสมรรถนะสูงตาม ไปด้วย

อย่างไรก็ดี การอ่านค่าของกระบวนการต่างๆ ของวัฏจักรการทำความเย็นด้วยแผนภูมิเอนทัลปี มีโอกาสของความผิดพลาดมาก เนื่องจากเป็นการประมาณด้วยสายตาเป็นหลัก ดังนั้นในทาง ปฏิบัติมักใช้ตารางทางเทอร์โมไดนามิกส์ในการหาค่าต่างๆ


YouTube Video


YouTube Video



Test



1-1 of 1