ระบบทำความเย็นส่วนมากจะพบในการปรับอากาศ เพื่อควบคุมอุณหภูมิ ความชื่น และความสะอาดของอากาศ เพื่อให้เกิดความสบายและเป็นผลดีต่อสุขภาพของผู้ที่ทำงานหรือพักอาศัยในพื้นที่นั้นๆ นอกจากนี้ระบบทำความเย็นยังเข้ามามีความสำคัญในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมมต่างๆ เช่น ระบบทำความเย็นเพื่อยืดอายุการใช้งานของเครื่องจักร อุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งอาหาร หรือ การสร้างห้องเย็น Cold room, Cold Storage เพื่อต้องการความเย็นสําหรับเก็บรักษา อาหาร ให้มีความสดเป็นเวลานาน เป็นต้น
การทำความเย็น คือ กระบวนการถ่ายเทความร้อนออกจากบริเวณที่ต้องการทำความเย็น เช่น การดึงเอาปริมาณความร้อนจากอากาศในห้องปรับอากาศผ่านฟินคอยล์หรือดึงเอาปริมาณความร้อนภายในห้องเย็นออกไประบายทิ้งภายนอก ทำให้อากาศภายในมีอุณหภูมิลดต่ำลง เป็นต้น หรือถ้าจะกล่าวโดยเฉพาะยิ่งขึ้นก็คือ การทำความเย็นเป็นวิทยาศาสตร์สาขาหนึ่งที่ว่าด้วยกระบวนการในการลดและรักษาระดับอุณหภูมิของเนื้อที่หรือวัสดุให้มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบ
ประเภทของระบบทําความเย็น ตามหลักการทำงานของเครื่องทำความเย็น
ระบบทำความเย็นทำความเย็นแบ่งได้หลายทางเช่น แบ่งตามชนิดของตัวปรับอัตราการไหลของสารทำความเย็น แบ่งตามชนิดของสารทำความเย็นที่ใช้เป็นตัวกลางในการทำความเย็น หรือแบ่งตามชนิดของการควบคุมมอเตอร์เป็นต้น ซึ่งประเภทของเครื่องทำความเย็นหลักๆ อาจจำแนกได้เป็น
- การทำความเย็นแบบอัดไอหรือระบบคอมเพรสเซอร์อัดไอ ( Vaporcompression system)
- การทำความเย็นแบบระบบแอบซอร์ปชันหรือแบบดูดซึม ( Absorption system )
- ระบบการทำความเย็นโดยการทำให้สารทำความเย็นระเหย
- ระบบการทำความเย็นแบบใช้น้ำแข็ง
- ระบบการทำความเย็นแบบใช้น้ำแข็งแห้ง
- ระบบการทำความเย็นแบบใช้การระเหยตัวของน้ำ
- ระบบการทำความเย็นแบบใช้เทอร์โมอิเล็กทริก
- ระบบการทำความเย็นแบบสตีมเจ็ต
อุปกรณ์หลักของระบบเครื่องทำความเย็น ระบบอัดไอ ( Vapor compression system)
วงจรเครื่องทำความเย็นระบบอัดไอหรือระบบคอมเพรสเซอร์อัดไอ ( Vapor compression system) ประกอบด้วยอุปกรณ์หลักที่สำคัญดังนี้
- อีวาพอเรเตอร์ ( Evaporator )
- คอมเพรสเซอร์ ( Compressor )
- คอนเดนเซอร์ ( Condenser )
- ท่อพักน้ำยาเหลว ( Receiver Tank )
- เอกซ์แพนชันวาล์ว ( Expansion valve )
หน้าที่การทำงานของอุปกรณ์หลักมีดังนี้คือ
อีวาพอเรเตอร์ ( Evaporator )
ทำหน้าที่ดูดรับปริมาณความร้อนจากบริเวณหรือเนื้อที่ที่ต้องการทำความเย็น ขณะที่น้ำยาทำความเย็นภายในระบบตรงบริเวณนี้ระเหยเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊สจะดูรับปริมาณความร้อนผ่านผิวท่อทางเดินน้ำยาเข้าไปยังน้ำยาภายในระบบ ทำให้อุณหภูมิโดยรอบอีวาพอเรเตอร์ลดลง
คอมเพรสเซอร์ ( Compressor )
ทำหน้าที่ในการดูดและอัดน้ำยาในสถานะที่เป็นแก๊ส โดยดูดแก๊สที่มีอุณหภูมิต่ำและความดันต่ำจากอีวาพอเรเตอร์ และอัดให้มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง จนถึงจุดที่แก๊สพร้อมจะควบแน่นเป็นของเหลวเมื่อมีการถ่ายเทความร้อนจากน้ำยา
คอนเดนเซอร์ ( Condenser )
ทำหน้าที่ให้น้ำยาในสถานะที่เป็นแก๊สกันตัวเป็นของเหลวด้วยการระบายความร้อนออกจากน้ำยานั้น กล่าวคือน้ำยาในสถานะแก๊ส อุณหภูมิสูง ความดันสูง ซึ่งถูกอัดส่งมาจากคอมเพรสเซอร์ เมื่อถูกระบายความร้อนแฝงออกจะกลั่นตัวเป็นของเหลว แต่ยังมีความดันและอุณหภูมิสูงอยู่
ท่อพักน้ำยาเหลว ( Receiver Tank )
น้ำยาเหลวที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูงซึ่งกลั่นตัวมาแล้วจากคอนเดนเซอร์จะถูกส่งเข้ามาพักในท่อพักน้ำยานี้ ก่อนจะถูกส่งไปยัง expansion Valve อีกทีนึง ท่อพักน้ำยาเหลวนี้จะไม่ค่อยพบในระบบแอร์บ้านและระบบทำความเย็นขนาดเล็ก ส่วนใหญ่จะใช้ในระบบ Chiller ที่มีขนาดใหญ่ๆ 40 Ton ขึ้นไป
เอกซ์แพนชั่นวาล์ว ( Expansion valve )
ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของน้ำยาเหลวที่ผ่านเข้าไปยังอีวาพอเรเตอร์ลดความดันของน้ำยาให้มีความดันต่ำลง จนสามารถระเหยเปลี่ยนสถานะเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำ ๆ ในอีวาโปเรเตอร์
หลักการทำงานของวงจรทำความเย็น แบบอัดไอ ( Vaporcompression system)
หลักการทำงานของวงจรการทำความเย็น ดังแสดงในรูปข้างล่าง เริ่มที่ท่อพักนักยาเหลว ( Receiver tank ) น้ำยาในท่อพักมีสถานะเป็นของเหลวที่ อุณหภูมิสูง ความดันสูง ถูกส่งเข้าไปยัง Expansion valve โดยผ่าน ท่อLiquidซึ่ง Expansion valve นี้จะทำหน้าที่ควบคุมการไหลของน้ำยาเหลวที่ผ่านเข้าไปยัง อีวาพอเรเตอร์ ( Evaporator ) ลดความดันของน้ำยาเหลวให้มีความดันต่ำลงจนสามารถระเหยเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊สและดูดรับปริมาณความดันได้ที่อุณหภูมิต่ำ ๆ ภายในอีวาพอเรเตอร์
ขณะที่น้ำยาเหลวภายใน Evaporator ระเหยตัวเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส จะดูรับปริมาณความร้อนจากอากาศโดยรอบ ทำให้อากาศโดยรอบที่ Evaporator มีอุณหภูมิต่ำลง และถ้ามีฉนวนกันความร้อนกั้นโดยรอบEvaporatorไว้ ความร้อนจากภายนอกไม่สามารถผ่านเข้าไปได้หรือผ่านได้น้อย ก็จะทำให้อุณหภูมิภายในบริเวณที่ต้องการทำความเย็นลดต่ำลง
แก๊สจะมีอุณหภูมิและความดันต่ำจาก Evaporator จะถูก Compressor ดูดผ่านเข้าไปยังท่อ Suction และส่งออกทางท่อ Discharge ในลักษณะของแก๊สที่มีอุณหภูมิและความดันสูง เพื่อส่งไปกลั่นตัวเป็นของเหลวในคอนเดนเซอร์ ( Condenser )โดยการระบายความร้อนออก แต่น้ำยาเหลวนี้จะยังคงมีความดันและอุณหภูมิสูงอยู่ และถูกส่งเข้าไปในข้อความอย่าเหลวก่อนที่จะถูกส่งไปยัง expansion Valve อีกครั้งหนึ่งในอันเป็นการครบวงจร
สารทำความเย็นแอมโมเนียในระบบทำความเย็น
สารทำความเย็นแอมโมเนีย (R717) เป็นสารความเย็นชนิดเดียวที่ไม่ได้อยู่ในกลุ่มฟลูออโรคาร์บอน แต่เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย มักพบการใช้ในอุตสาหกรรมโรงน้ำเเข็ง โรงงานบรรจุอาหาร ลานสเก็ตน้ำแข็ง รวมไปถึงอุตสากรรมห้องเย็นต่างๆ เนื่องจากมีประสิทธภาพในการทำความเย็นสูง มีความสามารถในการดูดซับความร้อนได้ดีและมีราคาถูกเมื่อเทียบกับสารทำความเย็นชนิดอื่น แต่สารแอมโมเนียมีข้อเสีย คือ คุณสมบัติไวไฟ ระเบิดได้ง่าย และเป็นพิษเมื่อมีการรั่วไหลของสารในระบบทำความเย็น ซึ่งบางครั้งมีอันตรายถึงชีวิต
คุณสมบัติของแอมโมเนีย คือ มีความสามารถในการทำความเย็นสูงสุด เมื่อเทียบกับสารความเย็นชนิดอื่น ๆ แอมโมเนียมีจุดเดือดต่ำประมาณ -2.2 องศา เซลเซียสที่ความกดดันของบรรยากาศ ดังนั้นอีวาพอเรเตอร์ และเครื่องควบแน่นในระบบจึงมีอุณหภูมิ และความดันอยู่ในช่วงปานกลาง ซึ่งแอมโมเนียมีความดันในการกลั่นตัว 19.6 ปอนด์/ตารางนิ้ว (2.37 bar) ที่อุณหภูมิ -15 องศาเซลเซียส และที่ 154.5 ปอนด์/ตารางนิ้ว (11.67 bar)ในการทำปฏิกิริยา
สารแอมโมเนียที่บริสุทธิ์และไม่มีความชื้น จะไม่สามารถทำปฏิกิริยากับโลหะได้ แต่หากมีความชื้นผสมอยู่อาจจะทำปฏิกิริยากับทองแดง และทองเหลือง แต่ไม่มีผลกับเหล็กแอมโมเนียมีคุณสมบัติไม่ผสมกับน้ำมันหล่อลื่นในคอมเพรสเซอร์ จึงไม่ทำให้น้ำมันหล่อลื่นเครื่องอัดเจือจางสำหรับการรั่วไหลของแอมโมเนีย
เราสามารถทดสอบ ได้โดยเผาเทียนที่ทำด้วยกำมะถันในจุดที่จะทดสอบ ถ้าหากมีแอมโมเนียรั่วออกมาจะเกิดควันสีขาวขึ้น หรืออาจทำบริเวณรอยต่อของท่อ ด้วยสารละลายสบู่เข้มข้น ถ้ามีการรั่วไหลจะมีฟองเกิดขึ้น จึงควรจะต้องมีอุปกรณ์แยกน้ำมันที่ท่อดิสชาร์จของระบบทุกครั้ง
การทำความเย็นระบบแอบซอร์ปชัน ( Absorption system )
การทำความเย็นโดยระบบแอบซอร์ปชัน ( Absorption system ) เป็นระบบทำความเย็นที่อาศัยพลังงานความร้อนเหลือทิ้งจากแหล่งอื่นๆ มาใช้ในการขับเครื่องทำความเย็นให้ทำงาน ความร้อนที่ป้อนให้ Absorption system ส่วนมากจะอยู่ในรูปของไอน้ำ น้ำร้อน หรือก๊าซร้อน ต้นกำลังที่ใช้ในการทำงานใช้ได้หลากหลายอย่างเช่น น้ำจากหม้อไอน้ำ น้ำร้อนจากพลังแสงอาทิตย์เป็นต้น ระบบนี้นอกจากจะเป็นการประหยัดพลังงานแล้ว ยังช่วยป้องกันและรักษาสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
เครื่องทําระเหย (Evaporator) เป็นตัวทําความเย็น คืออุปกรณ์หรือส่วนที่ใช้แลกเปลี่ยน ความร้อนระหว่างสารทําความเย็นกับน้ำของระบบ Chiller หรือน้ำเย็นที่จะนําไปใช่กับระบบ ปรับอากาศ
เครื่องดูดซึมความรอน (Absorber) คืออุปกรณดูดซึมความร้อน เป็นส่วนที่บรรจุสารทําความ เย็นและตัวทําละลาย เช่น ในกรณีที่ใช่สารลิเธี่ยมโบร์ไมด์ (Lithium Bromide: LiBr) และน้ำ นั้น น้ำจะเป็นสารทําความเย็นและลิเธี่ยมโบร์ไมด์จะเป็นตัวทําละลาย
อุปกรณ์ให้ความร้อน (Generator) เป็นอุปกรณ์หรือส่วนให้ความร้อนกับระบบในตัวดูดซึม ความร้อนสารละลายลิเธี่ยมโบรไมด์ ถูกสูบมารับความร้อนทําใหน้ำระเหยกลายเป็นไอ ทํา ให้สารละลายลิเธี่ยมโบร์ไมด์เข็มข้นขึ้นอีกครั้งแล้วส่งกลับไปยังตัวดูดซึมความร้อน
เครื่องควบแน่น (Condenser) เป็นจุดที่ไอน้ำใน Generator คายความร้อนแล้วกลั่นตัวเป็น น้ำเพื่อส่งกลับไปที่ตัวทําความเย็นใหม่
ระบบการทำความเย็นโดยการทำให้สารทำความเย็นระเหย
การทำความเย็นโดยการทำให้สารทำความเย็นระเหย ( Expendable refrigerant cooling system ) หลักการทำงานของระบบนี้ คือการปล่อยให้น้ำยาเหลวระเหยตัวเป็นแก๊ส ภายในบริเวณหรือเนื้อที่ที่ต้องการทำความเย็นซึ่งบริเวณเหล่านี้ต้องมีฉนวนกันความร้อนหุ้มโดยรอบ ขณะที่สารเปลี่ยนสถานะจะต้องการความร้อนแฝงทำให้อุณหภูมิในบริเวณนี้ลดต่ำลง น้ำยาที่ใช้เป็นตัวกลางในการทำความเย็นนี้ใช้ไนโตรเจนเหลว ( Liquid nitrogen ) บรรจุท่อซึ่งตั้งอยู่ภายในบริเวณที่ต้องการทำความเย็น ไนโตรเจนเหลวจากภายในท่อที่เก็บไว้ จะถูกปล่อยให้ฉีดผ่านวาล์วควบคุมลดความดันของไนโตรเจนเหลวลง แล้วเข้าตามท่อไปยังหัวฉีด ซึ่งจะฉีดไนโตรเจนเหลวให้เป็นฝอย เข้ายังบริเวณหรือเนื้อที่ ที่ต้องการทำความเย็นโดยตรง ไนโตรเจนเหลวจะระเหยตัวดูดรับปริมาณความร้อน ทำให้บริเวณนี้มีอุณหภูมิต่ำลง
ระบบการทำความเย็นแบบใช้น้ำแข็ง
การทำความเย็นโดยใช้นำแข็ง ( Ice refrigeration ) จะใช้หลักการของ การไหลเวียนของอากาศ ซึ่งอากาศร้อนจะลอยอยู่บน และอากาศเย็นที่มีน้ำหนักมากกว่าจะเข้ามาแทนที่ จะพบในตู้เย็นสมัยก่อน การทำงานของระบบนี้ คือ จะวางถามใส่น้ำแข็งไว้บนสุด เมื่อนำน้ำแข็งใส่ลงในถาดหรือช่องใส่น้ำแข็ง ขณะที่น้ำแข็งหลอมละลายกลายเป็นน้ำ จะดูดรับปริมาณความร้อนจากอากาศรอบตัวทำให้อากาศเย็นลงและมีความหนาแน่นสูงขึ้น ไหลลงสู่ตอนล่างของตู้ ไปดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหาร หรือของที่แช่ภายในตู้ อากาศเย็นเมื่อดูดรับปริมาณความร้อน จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น ทำให้ ลอยตัวสูงขึ้น และไปผ่านน้ำแข็งทำให้น้ำแข็งหลอมละลาย อากาศจะมีอุณหภูมิต่ำลงอีกครั้งหนึ่ง และไหลตกลงสู่ตอนล่างของตู้ วนเนียนอยู่เช่นนี้จนกว่า น้ำแข็งจะหลอมละลายหมดก็จะหยุดทำความเย็น
ระบบการทำความเย็นแบบใช้น้ำแข็งแห้ง
การทำความเย็นโดยใช้นำแข็งแห้ง ( Dry ice refrigeration ) นั้น จะใช้น้ำแข็งแห้งซึ่งถูกอัดมาให้มีขนาดและรูปร่างแตกต่างกันไป อาจเป็นก้อนหรือเป็นแผ่น น้ำแข็งแห้งจะเปลี่ยนสถานะโดยตรงจากของแข็งเป็นแก๊สตามปกติการใช้น้ำแข็งแห้งในการทำความเย็นมักจะใส่น้ำแข็งแห้งลงกับภาชนะที่ต้องการเก็บอาหารซึ่งแช่เย็น โดยอาจใส่ไว้ข้างในหรือข้างบนก็ได้ การทำความเย็นแบบนี้ยังมีใช้กันอยู่ในปัจจุบัน เช่นเมื่อเราซื้อเคกไอศครีมที่ Swensen หลับบ้าน พนักจะใส่น้ำแข็งแห้งในกล่องเคกด้วย ซึ่งหล่องจะออกแบบให้มีช่องใส่น้ำแข็งแห้งไว้อยู่แล้ว เป็นต้น
ระบบการทำความเย็นแบบใช้การระเหยตัวของน้ำ
การทำความเย็นโดยใช้การระเหยตัวของน้ำ ( Water evaporative refrigeration ) จะใช้หลักการ ในขณะที่ของเหลวระเหยตัวเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอจะดูดรับความร้อนแฝง วิธีนี้ยังสามารถพบเห็นได้ทั่วไปตามบ้านเรื่อนของภาคเหนือหรือภาคอีสาน คือการใช้ตุ่มดินที่ภายในจะมีรูพรุ่นเล็กๆ เมื่อใส่น้ำ น้ำในตุ่มจะซึมผ่านออกมายังผิวนอกและถูกระเหยไป ในขณะที่น้ำระเหยเปลี่ยนสถานะเป็นไอ จะดูดรับความร้อนแฝงทำให้น้ำที่เหลือในตุ่มเย็นลง
ระบบการทำความเย็นแบบใช้เทอร์โมอิเล็กทริก
การทำความเย็นโดยใช้เทอร์โมอิเล็กทริก ( Thermoelectric refrigeration ) จะใช้หลักการฟิสิกส์ การถ่ายเทพลังงานความร้อนจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่ง โดยใช้อิเล็กตรอนเป็นตัวกลางในการทำความเย็น หลักของเทอร์โมอิเล็กทริกที่สามารถถ่ายเทความร้อนจากภายในบริเวณที่มีฉนวนความร้อนล้อมรอบดูดรับความร้อนด้วยตัวกลางที่เรียกว่าอิเล็กตรอน นำออกไปถ่ายเทยังภายนอกของบริเวณที่ต้องการทำความเย็น และเพื่อช่วยเพิ่มอัตราการดูดรับปริมาณความร้อนจากทางด้านคอยล์เย็น และทางด้านนอกก็จะใช้ครีบช่วยเพิ่มพื้นผิวในการถ่ายเทความร้อนออกให้กับอากาศโดยรอบเช่นกัน
ระบบการทำความเย็นแบบสตีมเจ็ต
การทำความเย็นโดยใช้ระบบสตีมเจ็ค ( Steam jet refrigeration ) ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการทำความเย็น การทำงานของระบบอาศัยหลักที่ว่าเมื่อลดความดันที่ผิวหน้าของน้ำที่อยู่ในภาชนะที่ปิดมิดชิดแล้ว น้ำนั้นจะระเหยตัว เปลี่ยนสถานะกลางเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำๆ
หลักการทำงานของระบบสตรีมเจ็ต ไอน้ำซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการทำงานของหม้อไอน้ำ แทนที่จะปล่อยทิ้งโดยเปล่าประโยชน์ จะถูกส่งเข้าท่อไอน้ำ เพื่อฉีดผ่านหัวฉีดไอน้ำ ด้วยความเร็วสูง ทำให้ความดันที่ผิวหน้าของน้ำที่เหลือในอีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำลง น้ำเย็นจะถูกปั้มให้หมุนเวียนเข้าไปทำความเย็นให้แก่บริเวณที่ต้องการทำความเย็น และจะถูกส่งกลับเข้ามาฉัดเป็นฝอยในอีวาพอเรเตอร์อีกครั้งหนึ่ง ละอองน้ำบางส่วนจะถูกระเหยตัวทำให้น้ำที่เหลือในอีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำอยู่ตลอดเวลา
อุตสาหกรรมที่ใช้ระบบทำความเย็น
ระบบทำความเย็นมีหลายรูปแบบ ปรับเปลี่ยนตามรูปแบบการใช้งาน ในปัจจุบันมีอุตสาหกรรมมากมายที่ต้องอาศัยระบบทำความเย็น เช่น
- การผลิตอาหาร (food processing)
- การเก็บรักษาอาหาร (food storage)
- การผลิตในงานอุตสาหกรรม (industrial process)
- การทำความเย็นเพื่อการขนส่ง (transportation refrigeration)
- การปรับอากาศ (air condition)
ในปัจจุบันนอกจากระบบปรับอากาศที่ใช้กันแพร่หลายแล้ว อุตสาหกรรมห้องเย็น อาหารและเครื่องดื่ม ยังมีความจำเป็นในการใช้ระบบทำความเย็นอย่างมาก เพื่อการเก็บรักษาคุณภาพอาหาร ถนอมอาหารให้สามารถเก็บไว้ได้นาน รวมทั้งขนส่งไปยังลูกค้าและผู้บริโภค แช่แข็ง ผลิตน้ำแข็งและอุตสาหกรรมอีกหลายๆประเภท ได้นำเอาระบบทำความเย็นไปประยุกต์ใช้ในการบวกการ โดยมีพื้นฐานในการทำงานและอุปกรณ์หลักของระบบเหมือนกัน แตกต่างเพียงแค่การนำไปใช้ประโยชน์
