เนื้อหา

ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (Absorption Refrigeration)

         1. ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน

         กระบวนการทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (Absorption chiller) แสดงในรูปที่ 1 คือ ความร้อนอุณหภูมิสูงเข้าสู่เจนเนอเรเตอร์เพื่อถ่ายเทความร้อนให้แก่สารละลาย สารทำงานที่มีจุดเดือดต่ำกว่าตัวดูดกลืนจะระเหยกลายเป็นไอ และไหลออกจากเจนเนอเรเตอร์ที่ความดันสูง ไอสารทำงานดังกล่าวที่ระเหยออกไปนั้น ระบบที่ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ จะมีความเข้มข้นสารทำงานไม่บริสุทธิ์ (สารละลายแอมโมเนีย-น้ำใช้กับระบบที่รับพลังงานความร้อนอุณหภูมิสูง ดังนั้นน้ำจึงระเหยปะปนไปกับแอมโมเนีย) ซึ่งปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนต้องการสารทำงานความเข้มข้นสูงผ่านเข้าสู่เครื่องระเหย ดังนั้นในระบบทำความเย็นที่ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพิ่มขึ้นจากระบบทั่วไป คือ อนาไลเซอร์ (Analyzer) และเรคติไฟเออร์ (Rectifier) ทำหน้าที่ดักไอน้ำที่ออกจากเจนเนอเรเตอร์ โดยทำให้ไอน้ำดังกล่าวควบแน่นแล้วไหลกลับเข้ามายังเจนเนอเรเตอร์ [นัฐพร, 2561]

ไอสารทำงานที่ออกจากเจนเนอเรเตอร์ (จุดที่ 1) ไหลเข้าไปยังเครื่องควบแน่น แล้วควบแน่นกลายเป็นสารทำงานสถานะของเหลว (จุดที่ 2) ที่ความดันสูง จากนั้นไหลผ่านวาล์วลดความดันเพื่อลดความดัน (จุดที่ 3) เข้าไปในเครื่องระเหย ซึ่งสารทำงานรับความร้อนจากห้องเย็นมากพอ ทำให้สารทำงานสถานะของเหลวระเหยกลายเป็นไอ (จุดที่ 4) ที่ความดันต่ำ แล้วไหลเข้าไปยังแอบซอร์บเบอร์ สารทำงานสถานะไอดังกล่าวถูกดูดกลืนรวมกับสารละลายความเข้มข้นต่ำ (ความเข้มข้นสารทำงาน) ที่กลับมาจากอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนทำให้กลายเป็นสารละลายความเข้มข้นสูง (จุดที่ 8) ถูกส่งไปยังเจนเนอเรเตอร์ ด้วยปั๊มสารละลายผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (จุดที่ 9) อนึ่งภายในเจนเนอเรเตอร์ที่สารทำงานบางส่วนระเหยกลายเป็นไอ ส่งผลให้สารละลายมีสภาวะเป็นสารละลายความเข้มข้นต่ำ ซึ่งสารละลายดังกล่าวถูกส่งกลับมายังแอบซอร์บเบอร์ (จุดที่ 5) โดยถ่ายเทความร้อนให้กับสารละลายเข้มข้นสูงในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (จุดที่ 6) จากนั้นผ่านวาล์วลดความดัน (จุดที่ 7) แล้วไหลเข้าไปยังแอบซอร์บเบอร์เพื่อดูดกลืนไอสารทำงานต่อไป

 

 

จากแผนภาพรูปที่ 2 พบว่ามีการทำงานแบ่งเป็น 2 ช่วงความดัน โดยที่แอบซอร์บเบอร์และเครื่องระเหยทำงานที่ความดันต่ำ ส่วนเจนเนอเรเตอร์และเครื่องควบแน่นทำงานที่ความดันสูง ซึ่งอุณหภูมิต่ำสุดอยู่ที่เครื่องระเหย (TE) อุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่เจนเนอเรเตอร์ (TG) และมีอุณหภูมิรองลงมาอยู่ที่แอบซอร์บเบอร์ (TA) และเครื่องควบแน่น (TC)

ทั้งนี้จากรูปที่ 2 แสดงความสัมพันธ์ของความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้นสารละลาย (PTX diagram) ในระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน ที่ใช้สำหรับอธิบายความสัมพันธ์ของตัวแปรทั้งสามค่าในงานวิจัยและตำราต่าง ๆ ทั้งของไทยและต่างประเทศ แต่จากงานวิจัยของ นัฐพร (2551) พบว่า ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนไม่เป็นดังแสดงในรูปดังกล่าว โดยอุณหภูมิจุดที่ 5 ซึ่งเมื่อพิจารณาตามรูปจะเห็นได้ว่า ควรมีอุณหภูมิสูงสุดในระบบ แต่จากผลการทดลองของงานวิจัย พบว่า อุณหภูมิสูงสุดในระบบเกิดขึ้นที่เจนเนอเรเตอร์ และอุณหภูมิ ณ จุดที่ 7 ไม่เคยเกิดขึ้นเลย ดังนั้นในตำราเล่มนี้ จึงได้นำเสนอแผนภาพความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้นแบบใหม่ ดังแสดงในรูปที่ 3 โดยอุณหภูมิสารทำงานในเจนเนอเรเตอร์มีอุณหูมิสูงสุด (TG) รวมทั้งอุณหภูมิสารละลายที่ออกจากเจนเนอเรเตอร์เข้าสู่แอบซอร์บเบอร์ มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิสารทำงานที่แอบซอร์บเบอร์ (TA) เสมอ

 

 

 

สมการทางคณิตศาสตร์ของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน พิจารณาจากสมการสมดุลพลังงาน สมดุลมวลและสมดุลความเข้มข้น มีความสัมพันธ์ดังแสดงในรูปที่ 4

 

รูปที่ 4 ขั้นตอนการคำนวณของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน [นัฐพร, 2560]

2. การประยุกต์เทคโนโลยีสู่ชุมชน

นัฐพร (2551) ทำการออกแบบและสร้างระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน ที่ใช้ไอเสียจากเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าก๊าซชีวภาพ โดยระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนมีขนาดความสามารถทำความเย็น 4 TR อุณหภูมิภายในห้องเย็นประมาณ 4 °C สารทำงานในระบบ คือ สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ ทำงานร่วมกับสารละลายพรอพิลีนไกลคอล-น้ำ ใช้แหล่งพลังงานความร้อนจากไอเสีย ที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงก๊าซชีวภาพของเครื่องยนต์ผลิตกระแสไฟฟ้าในฟาร์มสุกร โดยไอเสียดังกล่าวมีอุณหภูมิประมาณ 450 °C และมีอัตราการไหลเชิงปริมาตร 0.1 m3/s ผลการนำระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนไปทดสอบกับเครื่องยนต์ผลิตกระแสไฟฟ้าของฟาร์มสุกรขนาด 109 kW พบว่า ระบบสามารถทำอุณหภูมิภายในห้องเย็นได้ต่ำสุดประมาณ 1 °C และสามารถรักษาระดับอุณหภูมิประมาณ 4 °C ได้ตลอดระยะเวลาการทดสอบต่อเนื่อง 8 h ขณะระบบเข้าสภาวะคงตัว (Steady state) ความสามารถการทำความเย็นของระบบทำความเย็นประมาณ 3 TR (ทดสอบขณะห้องเปล่า) ทั้งนี้ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนมีค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะทำความเย็น (COP) ประมาณ 0.18 สามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้แก่ระบบระบบผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งจากเดิมผลิตกระแสไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวมีประสิทธิภาพรวม 21% เพิ่มขึ้นเป็น 35% เมื่อระบบผลิตกระแสไฟฟ้าร่วมกับการนำความร้อนกลับมาใช้ประโยชน์ (Combined Heat and Power, CHP) แสดงดังรูปที่ 5 และรูปที่ 6

 

 รูปที่ 5 ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนที่ใช้ไอเสียจากเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าก๊าซชีวภาพ [นัฐพร, 2551]

 

รูปที่ 6 แผนภาพระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนที่ใช้ไอเสียจากเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าก๊าซชีวภาพ [นัฐพร, 2551]

 

ในปัจจุบันระบบปั๊มความร้อนแบบดูดกลืน (ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนและตัวแปลงความร้อน) ยังมีราคาค่อนข้างสูง โดยเฉพาะระบบขนาดเล็กที่มีขนาดต่ำกว่า 10 TR อุปกรณ์ต่าง ๆ ของระบบปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนต้องออกแบบและสร้างขึ้นมาใหม่ทั้งหมดไม่สามารถหาซื้อได้ตามท้องตลาด ทำให้มีราคาต่อตันความเย็นที่ค่อนข้างสูง ในขณะที่ระบบขนาดใหญ่ (มากกว่า 20 TR) ราคาต่อตันความสามารถจะลดลง ดังสังเกตได้จากปัจจุบันมีหลายบริษัท ได้ทำการผลิตระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนมาจำหน่ายทำให้ราคาถูกลง ดังแสดงในรูปที่ 7 ที่แสดงการเปรียบเทียบราคาต่อตันความสามารถการทำงานของระบบปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนที่มีจำหน่ายในปัจจุบัน ดังนั้นหากมีปริมาณความร้อนมากเพียงพอสำหรับป้อนให้แก่ระบบขนาดใหญ่ การใช้ปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนมีความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์มากยิ่งขึ้น

 

รูปที่ 7 ราคาต่อหน่วยขนาดความสามารถการทำความร้อนและความเย็นของระบบปั๊มความร้อนแบบดูดกลืน [นัฐพร, 2551]

 

นัฐพร ไชยญาติ. การนำความร้อนทิ้งกลับคืน (Waste Heat Recovery), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 6 ตุลาคม พ.ศ. 2560, 485 หน้า.

นัฐพร ไชยญาติ. การออกแบบและสร้างระบบทำความเย็นแบบดูดซึมที่ใช้ไอเสียจากเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าก๊าซชีวภาพ (Design and Construction of an Absorption Chiller Powered by Exhaust gas from Biogas Electricity Generator), วิศวกรรมมหาบัณฑิต, สาขาวิศวกรรมพลังงาน, ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2551.

นัฐพร ไชยญาติ. เทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy Technology), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 9 ตุลาคม พ.ศ. 2561, 416 หน้า.