ใช้อากาศเป็นสารทำความเย็น

วงจรทำความเย็นจะใช้คุณสมบัติการเปลี่ยนสถานะของสารทำความเย็นเพื่อใช้ในการถ่ายเทความร้อนที่คอยล์เย็น และคอยล์ร้อน แต่จากปัญหาโลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงของสภาวะอากาศที่เกิดจากก๊าซเรือนกระจก ทำให้สารทำความเย็นต่างๆถูกกำหนดให้เลิกใช้โดยพิธีสารเกียวโต และหันมาใช้สารในธรรมชาติหลายชนิดซึ่งอากาศก็เป็นอย่างหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เป็นสารทำความเย็นได้

เครื่องทำความเย็นที่ใช้อากาศเป็นสารทำความเย็น ใช้วงจร Reverse-Brayton cycle ซึ่งต่อไปจะเรียกว่าวงจรอากาศ(Air cycle) ไม่อาศัยการเปลี่ยนสถานะเหมือนเครื่องปรับอากาศทั่วไป และความดันไม่สูงเหมือนสารธรรมชาติอื่นๆ บทความนี้อธิบายการทำงาน การคำนวณประสิทธิภาพ ข้อดีและข้อเสียของการใช้อากาศเป็นสารทำความเย็น เพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจและสามารถติดตามความก้าวหน้าของเทคโนโลยีได้ดียิ่งขึ้น

ความเป็นมา

Brayton cycleเป็นวงจรการทำงานของก๊าซเทอร์ไบน์ ซึ่งเป็นวงจรเปิดตามรูปที่ 1.เครื่องอัดอากาศจะอัดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเพิ่มอุณหภูมิของอากาศ(ให้พลังงานอากาศ) เพื่อผลักดันให้เทอร์ไบน์หมุนแล้วไอเสียจะถูกทิ้งไป พลังงานที่ได้จากเทอร์ไบน์นำมาใช้หมุนเครื่องอัดอากาศ พลังงานที่เหลือจึงถูกนำไปใช้ปั่นไฟและอื่นๆ พลังงานที่ใช้ในเครื่องอัดอากาศประมาณ 40 -80% ของพลังงานที่ได้จากเทอร์ไบน์ สำหรับวงจรทำความเย็นจะมีการทำงานกลับทางกัน

รูปที่ 1. การทำงานของก๊าซเทอร์ไบน์ตามวงจรของ Brayton cycle

การใช้อากาศทำความเย็นไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ อากาศทำความเย็นมีใช้ในเรือขนส่งสินค้าก่อนที่จะเปลี่ยนมาเป็นเครื่องทำความเย็นแบบอัดไอ และในปัจจุบันยังมีวงจรอากาศใช้ในห้องโดยสารของเครื่องบินเนื่องจากมีน้ำหนักเบาแข็งแรงทนทาน ไม่ต้องบำรุงรักษามากจึงทำให้มีค่าดำเนินการน้อยและคุ้มค่ากว่า

ปี ค,ศ,1999 Mycom (Mayekawa Mfg. Co.,Ltd) นำเสนอระบบปรับอากาศสำหรับงานอาคารแบบวงจรอากาศ ซึ่งพัฒนาโดย NTT และมหาวิทยาลัยวาเซดะ เป็นระบบที่มี COP สูงกว่าระบบอัดไอที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ใน ค,ศ,2004 Earthship USA Inc. นำเสนอเครื่องทำความเย็นที่ใช้อากาศเป็นสารทำความเย็น โดยใช้เครื่องอัดอากาศ 2 ชุด และ expander 1 ชุด เป็นระบบเปิดสามารถทำลมเย็นส่งเข้าห้องได้ถึง -77C เพื่อใช้กับห้องเย็น ตู้สินค้าของเรือ การขนส่งทางอากาศและงานปรับอากาศ เครื่องดังกล่าวมีขนาด 2 x 2 x 2.2 ม.

บริษัท Honeywell Normalair Garrett สหราชอาณาจักรได้ผลิตเครื่องปรับอากาศที่ใช้อากาศเป็นสารทำความเย็นให้กับรถไฟความเร็วสูง ICE-3 ของเยอรมัน และ FRPERC(Food Refrigeration & Process Engineering Research Centre, The Grimsby Institute) และ BRE(Building Research Establishment Ltd 2001) ได้ทดลองและชี้ให้เห็นว่าสามารถใช้ Air cycleทำความเย็นให้อาคารและทำน้ำร้อนจากความร้อนสูญเสียของเครื่องสำหรับการปรับอากาศได้คุ้มค่ากว่า พลังงานโดยรวมน้อยกว่าที่จะใช้หม้อน้ำร้อนและเครื่องทำความเย็นแบบอัดไอ 7 – 15% และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ 7%

รูปที่ 2.เครื่องทำความเย็นแบบวงจรอากาศขนาดความเย็น 9.2 kW ทำน้ำเย็น 6C และทำน้ำร้อน 80 C ขนาดความร้อน 23 kW ใช้ไฟฟ้า 17.3 kW เป็นเครื่องสำหรับการทดลองทำให้มีขนาดใหญ่

รูปที่ 2. เครื่องทำความเย็นที่ใช้อากาศเป็นสารทำความเย็น ขวามือเป็นด้านเครื่องอัดอากาศ (จากเอกสารอ้างอิง 4.)

ตารางที่ 1.แสดงคุณสมบัติของอากาศ อากาศมีความปลอดภัยสูง มีระดับความปลอดภัย A1 ไม่เป็นพิษและไม่ติดไฟ แต่เนื่องจากมีค่าความจุความร้อนไม่มาก จึงต้องการอัตราการไหลมากทำให้ต้องใช้พลังงานในการอัดอากาศมาก ไม่ทราบวงจรการทำงานที่แสดงค่าCOP แต่เมื่อมีการวิจัยและผลิตอุปกรณ์มาใช้ตามที่ได้กล่าวไปแล้วข้างต้น จึงน่าจะมีโอกาสที่จะนำอากาศมาใช้เป็นสารทำความเย็นได้ ข้อดีของการใช้อากาศเป็นสารทำความเย็นได้แก่

อากาศเป็นสารทำความเย็นที่มีค่า ODP และ GWP เท่ากับ 0

ความดันในระบบต่ำ

สามารถทำงานในสภาพอากาศมีความชื้นต่ำ

ระบบมีประสิทธิภาพสูง

สามารถใช้งานได้หลากหลายประเภท

ตารางที่ 1. คุณสมบัติของอากาศ (จากเอกสารอ้างอิง 3)

Reverse-Brayton cycle

สำหรับการทำความเย็นมีการทำงานตามรูปที่ 3.ซ้าย จากจุดที่ 1. ถึงจุดที่ 2. เครื่องอัดอากาศจะทำให้อากาศมีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้น จากนั้นอากาศจะระบายความร้อนจากจุดที่ 2. ถึงจุดที่ 3. ทำให้อุณหภูมิของอากาศลดลง โดยความดันของอากาศเท่าเดิม จากจุดที่ 3. ถึงจุดที่ 4. อากาศจะมีความดันและอุณหภูมิลดลงด้วยการคายพลังงานให้ Expanderช่วยหมุนเครื่องอัดอากาศโดยต่อเพลาร่วมกัน พลังงานที่ใช้ในระบบจึงลดลง จากนั้นอากาศจะรับความร้อนจากจุดที่ 3 ถึงจุดที่ 4. ทำให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้นโดยที่ความดันเท่าเดิม

เมื่อเขียนเป็นแผนภูมิ P-V (ความสัมพันธ์ของความดันอากาศและปริมาตรอากาศ) และแผนภูมิ T-S (ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิอากาศและค่าพลังงานเอนโทรปีของอากาศ) เครื่องอัดอากาศทำให้อากาศมีความดันเพิ่มขึ้นจากจุดที่ 1. ถึงจุดที่ 2.แบบ isentropic (เอนโทรปีคงที่) และเช่นเดียวกับที Expander จากจุดที่ 3. ถึงจุดที่ 4. ส่วนการถ่ายเทความร้อนจากจุดที่ 2. ถึงจุดที่ 3. และจากจุดที่ 4. ถึงจุดที่ 1. จะถ่ายเทความร้อนที่ความดันคงที่

การคำนวณวงจรอากาศ ให้อากาศเป็นก๊าซในอุดมคติ (ideal gas) เพราะอากาศมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับก๊าซในอุดมคติมาก แต่ความชื้นในอากาศทำให้เกิดความเบี่ยงเบน ประกอบกับมีความร้อนสูญเสียและความดันสูญเสียในอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งเกิดขึ้นจากการทำงานในทุกขั้นตอน ประสิทธิภาพในการทำงานจริงจึงต่ำกว่าค่าจากที่คำนวณด้วยมาก การวิจัยออกแบบเครื่องและอุปกรณ์จึงมีจุดมุ่งหมายเพื่อหาสภาพที่เหมาะสม และอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับใช้กับวงจรอากาศมากที่สุด

รูปที่ 3. การทำงานของเครื่องทำความเย็นโดยวงจรอากาศ

สำหรับงานระบบทำความเย็น พลังงานที่ให้แก่ระบบ Wnet เท่ากับพื้นที่ในแผนภูมิ = QH - QL

COPcooling = QL / Wnet = QL / (QH - QL ) = 1 / (QH / QL - 1)

= 1 / ( m x CP x (T2 – T3 ) / m x CP x (T1 – T4 ) – 1 )

= 1 / (T2 x ( 1 – T3 / T2 ) / T1 x (1 – T4 / T1 ) -1 ) (1.)

Isentropic compression T2 / T1 = ( P2 / P1 )^(k-1)/k

Isentropic expansion T3 / T4 = ( P3 / P4 )^(k-1)/k

T2 / T1 = T3 / T4

T2 / T3 = T1 / T4

COP cooling = 1 / (T3 / T4 -1) = T4 / ( T3 - T4 ) (2.)

COP cooling = 1 / (T2 / T1 -1) = T1 / ( T2 – T1 ) (3.)

ด้านความร้อน COP heating = QH / Wnet = QH / (QH - QL ) = 1 / (1- QL / QH)

= 1 / ( 1 - m x CP x (T4 – T 1) / m x CP x (T3 – T2 ))

= 1 / ( 1 - T4 / T3) = T3 / (T3 - T4) (4.)

= 1 + T4 / (T3 - T4) = T2 / (T2 - T1 ) (5.)

= 1 + T1 / ( T2 – T1 ) = 1 + COP cooling (6.)

.ให้อัตราส่วนความดัน rp = P2 / P1 = P3 / P4 = (T2 / T1) ^k / (k – 1) (7.)

COP cooling = 1 / (T2 / T1 -1) = 1 / ( rp^(k – 1) / k – 1) (8.)

เมื่อใช้สมการที่ 8. เขียนเส้นความสัมพันธ์ของค่าCOPกับอัตราส่วนความดัน rp ตามรูปที่ 4.ซ้าย rp=1.5 เครื่องทำความเย็นจะมีCOPสูงสุด จากนั้นจะลดลงเมื่อ rpเพิ่มขึ้น การเลือก rpจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่อากาศสูงสุดและต่ำสุด สำหรับงานเดียวกันสามารถเลือก rpได้ต่างกันตามที่แสดงในรูปที่ 4.ขวา rpที่มีค่าสูงจะถ่ายเทความร้อนได้น้อยกว่าระบบที่มี rp ต่ำ ค่า COP จึงลดลงเมื่อ rpมีค่าเพิ่มขึ้น

รูปที่ 4. แผนภูมิความสัมพันธ์ของ COP เครื่องเย็นกับอัตราส่วนความดัน rp จากสมการที่ 8.

ตัวอย่างที่ 1. สำหรับงานปรับอากาศ อุณหภูมิห้อง 25 C อุณหภูมิอากาศภายนอกที่ใช้ระบายอากาศ 40 C อากาศที่อยู่ในคอยล์เย็นจะมีอุณหภูมิ 4C เพื่อให้อากาศในห้องที่ผ่านคอยล์มีอุณหภูมิ 11 – 14 C สำหรับการระบายอากาศอากาศในระบบต้องมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศภายนอกน้อยที่สุด 7 C

เมื่อใช้คอยล์แลกเปลี่ยนความร้อน t4 = 4 C t3 = 47 C

สมการที่ 7. rp = ((273.15+47) / (273.15+4))^1.4/0.4 = 1.656667

สมการที่ 8. COP cooling = 1 / (1.656667^0.4/1.4- 1) = 6.445349

ผลการคำนวณตามตารางที่ 2. ที่อุณหภูมิอากาศต่างๆกัน การใข้คอยล์ทำให้ทำความเย็นให้อากาศจะต้องมีอุณหภูมิต่ำทำให้ rp สูง COPจึงน้อย เมื่อใช้การปล่อยอากาศเข้าห้องเพื่อทำความเย็นโดยตรงทำให้อุณหภูมิอากาศไม่ต่ำเหมือนการใช้คอยล์ทำให้ rp ต่ำลง COP สูงขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้ถูกลงเพราะไม่ต้องใช้คอยล์เย็น ถ้าเป็นฮีทปั๊มซึ่งทำน้ำร้อนพร้อมทั้งได้ความเย็นสำหรับห้อง การที่อุณหภูมิระบายความร้อนสูงทำให้ rp สูง COP น้อย แต่เมื่อรวมพลังงานความร้อนและความเย็นทั้งหมดที่ใช้ได้แล้วจะได้ประโยชน์มากที่สุด

ตารางที่ 1. สรุปผลการคำนวณ COP และพลังงานความร้อนที่ใช้ได้จากวงจรอากาศ

rp ที่มีค่า 1.6 ขึ้นไปต้องใช้เครื่องอัดอากาศขนาดใหญ่ มีราคาแพง สามารถปรับปรุงได้โดยการใช้เครื่องอัดอากาศหลายชุดต่อเนื่องตามรูปที่ 5.ซ้าย จากจุดที่ 1. ถึงจุดที่ 2. เครื่องอัดอากาศจะทำให้อากาศมีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้น จากนั้นอากาศจะระบายความร้อนจากจุดที่ 2. ถึงจุดที่ 3. ทำให้อุณหภูมิของอากาศลดลง โดยความดันของอากาศเท่าเดิม จากจุดที่ 3. ถึงจุดที่ 4. เครื่องอัดอากาศจะทำให้อากาศมีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้น จากนั้นอากาศจะระบายความร้อนจากจุดที่ 4. ถึงจุดที่ 5. ทำให้อุณหภูมิของอากาศลดลง โดยความดันของอากาศเท่าเดิม จากจุดที่ 5. ถึงจุดที่ 6. อากาศจะมีความดันและอุณหภูมิลดลงด้วยการคายพลังงานให้ Expander ได้พลังงานไปช่วยหมุนเครื่องอัดอากาศโดยต่อเพลาร่วมกัน พลังงานที่ใช้ในระบบจึงลดลง จากนั้นอากาศจะรับความร้อนจากจุดที่ 6 ถึงจุดที่ 1. ทำให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้นโดยที่ความดันเท่าเดิม

รูปที่ 5. การทำงานของเครื่องทำความเย็นโดยวงจรอากาศ ที่ใช้เครื่องอัดอากาศ 2 ชุด

เมื่อเขียนวงจรอากาศบนแผนภูมิ T-S (ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิอากาศและค่าพลังงานเอนโทรปีของอากาศ) ตามที่แสดงในรูปที่ 4.ขวา เครื่องอัดอากาศทำให้อากาศมีความดันเพิ่มขึ้นจากจุดที่ 1. ถึงจุดที่ 2.และจากจุดที่ 3. ถึงจุดที่ 4. แบบ isentropic (เอนโทรปีคงที่ เช่นเดียวกับที Expander จากจุดที่ 5. ถึงจุดที่ 6. ส่วนการถ่ายเทความร้อนจากจุดที่ 2. ถึงจุดที่ 3. และจากจุดที่ 4. ถึงจุดที่ 5. และจากจุดที่ 6. ถึงจุดที่ 1. จะถ่ายเทความร้อนที่ความดันคงที่

แบ่งการทำงานเป็น 2 วงจร วงจรที่ 1 จุดที่ 4’-1-2-3 และวงจรที่ 2 จุดที่ 4’-4-5-6

วงจรที่ 1 rp1 = (T2 / T1)^k / (k – 1)

COPC1 = 1 / (rp1 ^(k – 1) / k – 1) = QL1 / Wnet1

Wnet1 = QH1 - QL1

COPC1 = QL1 / (QH1 - QL1 )

QH1 = ( 1 / COPC1 + 1) x QL1

วงจรที่ 2 QH2 = ( 1 / COPC2 + 1) x QL2

ให้ อัคราส่วนความเย็นของวงจรที่ 1. A = QL2 / (QL1 + QL2)

QL2 = ((1-A) / A) x QL1

รวม 2 วงจร QH = QH1 + QH2

= ( 1 / COPC1 + 1) x QL1 + ( 1 / COPC2 + 1) x QL2

= ((1 / COPC1 + 1) + ( 1 / COPC2 + 1) x ((1-A) / A)) x QL1

QL = QL1 + QL2 = QL1 / A

QH - QL = (1 / COPC1 - 1 / COPC2 + 1 / (A. x COPC2)) x QL1

COP = 1 / ( A / COPC1 – A / COPC2 + 1 / COPC2 ) (9.)

ตัวอย่างที่ 2. คำนวณเครื่องปรับอากาศที่ใช้เครื่องอัดอากาศ 2 ชุด โดยมีสภาวะอากาศเช่นเดียวกับตัวอย่างที่ 1.

เพื่อให้เครื่องมีประสิทธิภาพสูงและมีราคาลดลงจึงไม่ใช้คอยล์เย็นโดยจะปล่อยอากาศในระบบเข้าห้อง t6 = 11C

อุณหภูมิอากาศเข้าระบบเท่ากับอุณหภูมิห้อง t1 = 25 C

อุณหภูมิอากาศในคอยล์ร้อนต่ำสุดต้องสูงกว่าอุณหภูมิอากาศภายนอกเพื่อให้ระบายความร้อนได้ t5 = 47 C

เพื่อให้ประสิทธิภาพวงจรที่ 1. สูงสุด จึงต้องมี rp ต่ำที่สุดที่เป็นได้แต่ยังระบายความร้อนได้ t3 = 47 C

rP2 = (T5 / T6) ^k / (k – 1) = ((273.15+47)/(273.15+11))^1.4 / 0.4 = 1.52

จากสมการที่ 8 COPC2 = 1 / ( rP2 ^(k – 1) / k – 1) = 7.89

ให้ A = 0.2 t4’ = 25 - 0.2 x (25 – 11) = 22.2

T4' = 273.15 +22.2 = 295.35

rP1 = ((273.15+47) / 295.35)^1.4 / 0.4 = 1.33

COP C1 = 1 / (1.33^0.4/1,4- 1) = 11.91

จากสมการที่ 9. COP = 1 / ( 0.2 / 11.91 – 0.2 / 7.89 + 1 / 7.89) = 8.46

เครื่องอัดอากาศชุดที่ 2. มีอัตราส่วนความดันของเครื่องอัดอากาศชุดที่ 2 ( rPC2) = rP2 / rP1 = 1.14

คำนวณการทำงานของวงจรอากาศ ที่ใช้เครื่องอัดอากาศ 2 ชุดตามวิธีการในตัวอย่างที่ 2. โดยสมมุติค่า A จาก 0.2 ถึง 0.7 ได้ผลการคำนวณตามตารางที่ 2.จะเห็นได้ว่า ประสิทธิภาพการทำความเย็นของระบบ COP จะมีค่าสูงสุดเมื่อให้ทั้ง 2 วงจรทำความเย็นได้เท่าๆกัน( A =0.5) และสูงกว่าCOP ที่ใช้เครื่องอัดอากาศชุดเดียวตามตัวอย่างที่ 1.นอกจากนี้ อัตราส่วนความดันของเครื่องอัดอากาศแต่ละเครื่องยังน้อยกว่าทำให้สามารถเลือกเครื่องอัดอากาศได้ง่ายขึ้น

ตารางที่ 3.ผลการคำนวณประสิทธิภาพ COP จากตัวอย่างที่ 2

.การใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

จากตัวอย่างแรก ประสิทธิภาพ COP ของระบบทำความเย็นจะเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราส่วนความดันลดลง ซึ่งการใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน HE (heat exchanger) แลกเปลี่ยนความร้อนจากอากาศก่อนเข้า Expander มาให้อากาศก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศเพื่อเลื่อนการทำงานของระบบ ทำให้สามารถลดอัตราส่วนความดันของระบบได้ จึงมีแนวโน้มทีจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบได้

ตามรูปที่ 6.ซ้าย เครื่องอัดอากาศทำให้อากาศมีความดันเพิ่มขึ้นจากจุดที่ 1. ถึงจุดที่ 2. แบบ isentropic (เอนโทรปีคงที่) เช่นเดียวกับที Expander จากจุดที่ 3. ถึงจุดที่ 4. ส่วนการถ่ายเทความร้อนจากจุดที่ 2. ถึงจุดที่ 3. และจากจุดที่ 4. ถึงจุดที่ 1. จะถ่ายเทความร้อนที่ความดันอากาศคงที่ ซึ่งรวมถึงในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนด้วย

และรูปที่ 6.ขวา อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน HE จะผลักให้อากาศก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศจากจุดที่5 ให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นมาเข้าที่จุดที่ 1 แทน และขณะเดียวกันก็ดึงอุณหภูมิอากาศที่จะเข้า Expander ที่จุด 6 ให้อุณหภูมิลดลงมาเข้าที่จุด 3 เนื่องจากอุณหภูมิที่จุดที่ 6 ถูกกำหนดเพื่อให้สามารถระบายความร้อนได้ จึงทำให้เส้นการทำงานถูกเลื่อนไปทางขวา นั่นคือทำให้ความดันของระบบลดลง

อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนช่วยให้อัตราส่วนความดันลดลง แต่การถ่ายเทความร้อนไม่ได้ช่วยให้เครื่องทำงานได้ความเย็นมากขึ้น จึงอาจไม่สามารถช่วยในเรื่องการเพิ่มประสิทธิภาพ จึงต้องพิสูจน์ด้วยการวิธีการคำนวณซึ่งในตัวอย่างที่ 3 ใช้สภาวะการทำงานของการปรับอากาศ สำหรับการใช้งานในแบบอื่นอาจได้ผลไม่เป็นไปในทางเดียวกัน จึงควรคำนวณในสภาพการใช้งานต่างๆกันด้วย

รูปที่ 6. การทำงานของเครื่องทำความเย็นตามวงจรอากาศ ที่ติดตั้งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน HE

QL = m x CP x (T5 – T4 )

ประสิทธิภาพของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

hef = (T1 – T5) / (T5 – T4 ) (10)

T1 – T5 = hef x (T5 – T4 ) = hef x ((T1-T4) – (T1 - T5))

(T1 – T5)/( (T1-T4) = hef x (1– (T1 - T5)/(T1-T4))

(T1 – T5)/( (T1-T4) = hef / (1+ hef)

ถ่ายเทได้ความร้อนเท่ากันทั้ง 2 ด้าน

T1 – T5 = T6 - T3

T6 - T3 = hef x (T5 – T4 )

rP = (T3 / T4)^k / (k – 1) = ((T6 – hef x (T5 – T4 )) / T4 )^k / (k – 1) (11)

ใช้สมการที่ 8. COPcooling = 1 / ( rp^(k – 1) / k – 1)

Wnet = m x CP x (T1 – T4 ) x ( rp ^(k – 1) / k – 1)

ระบบ COPcooling = m x CP x (T5 – T4 ) / (m x CP x (T1 – T4 ) x ( rp ^(k – 1) / k – 1))

= (T5 – T4 ) / ((T1 – T4 ) x ( rp ^(k – 1) / k – 1))

= ((T1 - T4) – (T1 – T5 )) / ((T1 – T4 ) x (rp ^(k – 1) / k – 1))

= (1 - hef / (1+ hef)) / (rp ^(k – 1) / k – 1) (12)

ตัวอย่างที่ 3. คำนวณเครื่องปรับอากาศที่ใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน โดยมีสภาวะอากาศเช่นเดียวกับตัวอย่างที่ 1.

เพื่อให้เครื่องมีประสิทธิภาพสูงและมีราคาลดลงจึงไม่ใช้คอยล์เย็นโดยจะปล่อยอากาศในระบบเข้าห้อง t4 = 11C

อุณหภูมิอากาศเข้าระบบเท่ากับอุณหภูมิห้อง t5 = 25 C

อุณหภูมิอากาศในคอยล์ร้อนต่ำสุดต้องสูงกว่าอุณหภูมิอากาศภายนอกเพื่อให้ระบายความร้อนได้ t6 = 47 C

ให้ประสิทธิภาพ HE hef = 0.2

t1 = 0.2 x (25 – 11) + 25 = 27.8

t3 = 47 – 0.2 x (25 – 11) = 42.8

สมการที่ 11 rP = (((273.15+47)–0.2x(25–11))/(273.15+11))^1.4/(1.4 – 1)=1.4722

สมการที่ 12 COPcooling = (1 – 0.2/(1+0.2)) / (1.4722^(1.4– 1) /1.4 – 1) = 7.13

สามารถคำนวณการทำงานของระบบได้ตามตารางที่ 3.โดยเปลี่ยนค่าประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนพบว่าอุปกรณ์การถ่ายเทความร้อนทำให้อัตราส่วนความดันลดลงได้ แต่งานที่ใช้อัดอากาศสูงขึ้นเพราะอุณหภูมิอากาศที่เข้าเครื่องอัดอากาศสูงขึ้น และงานที่ได้จาก Expander ลดลง โดยที่ได้ความเย็นเท่าเดิม ประสิทธิภาพของวงจรอากาศจึงลดลง การใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจึงไม่เป็นประโยชน์ และทำให้ราคาของระบบสูงขึ้นอีกด้วย

ตารางที่ 5. ผลการคำนวณการทำงานของระบบทำความเย็นของวงจรอากาศ ที่ใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน HE

บทส่งท้าย

อากาศเป็นสารธรรมชาติที่มีความปลอดภัยสูง ไม่ต้องสังเคราะห์จึงมีต้นทุนต่ำ ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ไม่เกิดปัญหาก๊าซเรือนกระจก ไม่ทำลายโอโซน แต่การถ่ายเทความร้อนเป็นแบบความร้อนสัมผัส เมื่อใช้เป็นเครื่องทำความเย็นจึงต้องการอัตราการไหลของอากาศมากทำให้อุปกรณ์ต่างๆใหญ่และที่สำคัญคือในอากาศมีความชื้นซึ่งอาจเปลี่ยนสถานะในวงจรทำให้อากาศไม่เป็นก๊าซในอุดมคติตามสมมุติฐานในการคำนวณ ทำให้ประสิทธิภาพต่ำเมื่อเทียบกับเครื่องทำความเย็นแบบอัดไอ จึงทำให้ผลิตภัณฑ์นี้ยังไม่มีการใช้อย่างแพร่หลาย

สำหรับวงจรเปิดประสิทธิภาพการทำความเย็นเป็นไปตามสภาพอากาศ อุณหภูมิและความชื้นในอากาศ และลักษณะการใช้งาน การใช้อากาศในวงจรอากาศเพื่อทำความเย็นมีข้อดีที่ไม่ต้องใช้ความดันสูง เป็นระบบที่มีความมั่นคงสูงมากถึงจะมีการรั่วไหลก็ยังสามารถทำงานได้เพราะระบบเปิด ในบทความต่อไปจะคำนวณโดยใช้สมการไซโครเมตริก เพื่อหาขอบเขตและวิธีที่ใช้วงจรอากาศสำหรับระบบปรับอากาศที่เหมาะสม

ถ้าใช้แบบวงจรปิดที่ใช้อากาศแห้งผลจากความชื้นจะหมดไป แม้ตามทฤษฎีจะมีค่าCOPจะต่ำกว่าเพราะอุณหภูมิที่ใช้ต้องต่ำกว่า แต่จะมีราคาสูงมากเนื่องจากขนาดของอุปกรณ์

เอกสารอ้างอิง

1. Heat pump news, working fluids, “Next generation air cycle systems”, IEA Heat Pump CENTRE NEWSLETTER, Volume 17, NO. 4/1999.

2. Heat pump news, working fluids, “Air as Working Fluid in New Refrigeration Sys­tem”, IEA Heat Pump CENTRE NEWSLETTER, Volume, NO. 1/ 2004.

3. Dr S Forbes Pearson, UK, “Natural Refrigerants for Heat Pumps”, IEA Heat Pump CENTRE, NEWSLETTER Volume 22 No. 1/2004

4. D J G Butler, Using air for cooling, Environmental Engineeering Centre A Gigiel and S Russell University of Bristol, Prepared for CIBSE, Building Research Establishment Ltd, BRE Publication Draft number 202296.