หลักการทำงานระบบทำความเย็น Cold Room ของห้องเย็น (2022)

ในการสร้างห้องเย็นหรือ Cold Room, Cold Storage  จะต้องมีหลักการทำระบบทำความเย็นของห้องเย็น จึงจะทำการใช้งานห้องเย็นสมบูรณ์แบบซึ่งระบบทำความเย็นมีด้วยกันหลายแบบ บางแบบใช้งานแล้วให้ประสิทธิภาพในการทำความเย็นสูง ก็จะถูกพัฒนาและปรับปรุงให้ดีขึ้นเรื่อย ๆ บางระบบถ้าใช้งานแล้วประสิทธิภาพในการทำความเย็นต่ำ ก็จะถูกเลิกใช้ไป ในที่นี้จะกล่าวถึงระบบการทำความเย็น และหลักการทำงานของระบบทำความเย็น มี ดังนี้

ระบบทำความเย็นของห้องเย็น และหลักการทำงานของทำความเย็น (Cold Room)

1. ระบบการทำความเย็นโดยการทำให้สารทำความเย็นระเหย 

ระบบทำความเย็นของห้องเย็นด้วยระบบที่ทำให้สารทำความเย็นระเหย (expendable refrigerant cooling system) เป็นแบบที่ใช้ได้ดีกับรถบรรทุกเพื่อการขนส่งอาหาร ที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำอยู่เสมอ หลักการทำงานของระบบทำความเย็นแบบนี้ง่ายมาก เพียงแต่ปล่อยให้สารทำความเย็นเหลวระเหยตัวเป็นไอภายในบริเวณหรือ เนื้อที่ที่ต้องการทำความเย็น ซึ่งบริเวณเหล่านี้ต้องมีฉนวนกันความร้อนหุ้มโดยรอบ ดังที่ได้เคยทราบมาแล้วว่า ขณะที่สารเปลี่ยนสถานะจะต้องการความร้อนแฝงทำให้อุณหภูมิ ในบริเวณนี้ลดต่ำลงสารทำความเย็นที่ใช้เป็นตัวกลางในการทำความเย็นในที่นี้จะใช้ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) ซึ่งเก็บในถังภายใต้ความดันประมาณ 14.6 kg/cm­^2 เมื่อปล่อยให้ไหลผ่านวาล์วควบคุม (liquid control valve) ก็จะลดความดันของไนโตรเจนเหลวลง แล้วเข้าตามท่อไปยังหัวฉีด ซึ่งจะฉีดไนโตรเจนเหลวให้เป็นฝอย เข้าไปยังบริเวณหรือเนื้อที่ที่ต้องการทำความเย็นโดยตรง ไนโตรเจนจะระเหยตัวดูดรับปริมาณความร้อน ทำให้บริเวณนี้มีอุณหภูมิลดต่ำลง

2. ระบบการทำความเย็นแบบอัดไอ   

ระบบอัดไอเป็นระบบที่ทำให้เกิดความเย็นขึ้นได้โดยอาศัยการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ โดยอุปกรณ์แต่ละตัวมีหน้าที่ดังนี้

• คอมเพรสเซอร์ (compressor) ทำหน้าที่ดูดน้ำยาในสภาพที่เป็นไอจากเครื่องระเหย และอัดให้มีความดันสูงขึ้นจนสามารถส่งไปควบแน่นได้ที่คอนเดนเซอร์      
• คอนเดนเซอร์ (condenser) ทำหน้าที่ระบายความร้อนออกจากน้ำยาเพื่อควบแน่นเป็นของเหลวและส่งเข้ารีซีฟเวอร์      
• รีซีฟเวอร์ (receiver) ทำหน้าที่สะสมของเหลวที่ออกจากคอนเดนเซอร์เพื่อจ่ายให้กับเครื่องระเหยได้ตลอดเวลาในการทำงาน      
• ลิ้นลดความดัน (expansion valve หรือ refrigerant control) ทำหน้าที่ลดความดันของน้ำยาที่ออกจากคอนเดนเซอร์ เพื่อจ่ายให้กับเครื่องระเหย      
• เครื่องระเหย (evaporator) ทำหน้าที่ดูดความร้อนออกจากบริเวณรอบ ๆ เพื่อทำให้น้ำยาเปลี่ยนสถานะเป็นไอและทำให้บริเวณใกล้เคียงเย็นขึ้น วงจรการทำความเย็นแบบอัดไอ อาศัยสารทำความเย็น (Refrigerant) ซึ่งมีหลายชนิด แต่ทุกชนิดจะต้องมีคุณสมบัติเบื้องต้นเหมือนกันคือ สามารถเปลี่ยนสถานะได้ง่าย เช่น ที่นิยมใช้กันทั่วไปคือ R-12, R-22 หรือ R-134a ซึ่งเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอได้ที่อุณหภูมิ -21.6 °F (-29.8 °C), -41.4 °F (-40.8 °C) และ -15.1 °F (-26.2 °C) ตามลำดับ ภายใต้ความดันบรรยากาศ  การทำงานเริ่มที่คอมเพรสเซอร์จะดูดน้ำยาในสภาพที่เป็นไอจากเครื่องระเหยเข้าทางด้านดูด (Suction) ของคอมเพรสเซอร์ และอัดออกให้มีความดัน สูงขึ้นและส่งออกทางด้านส่ง (discharge)ของคอมเพรสเซอร์เข้าคอนเดนเซอร์น้ำยาภายใต้อุณหภูมิและความดันสูงนี้ เมื่อผ่านคอนเดนเซอร์จะถูกระบายความร้อนออก จนถึงจุดควบแน่นน้ำยาจะเปลี่ยนสถานะจากไอไปเป็นของเหลวตกลงด้านล่างของคอนเดนเซอร์และถูกส่งไปเข้ารีซีฟเวอร์ น้ำยาในสภาพที่เป็นของเหลวในรีซีฟเวอร์จะถูกส่งผ่านลิ้น ลดความดันทำให้น้ำยาเกิดการขยายตัวความดันจะลดลงจนน้ำยาไม่สามารถคงสภาพเดิม (ของเหลว) จึงเปลี่ยนเป็นไอ การเปลี่ยนสถานะของน้ำยาจากของเหลวเป็นไอขณะออกจากลิ้นลดความดันและตลอดช่วงที่ผ่านเครื่องระเหยนี้ จะทำให้เกิดความเย็นขึ้นเนื่องจากของเหลวจะดูดความร้อนออกจาก บริเวณรอบ ๆ ไปใช้เป็นความร้อนแฝงในการเปลี่ยนสถานะ ทำให้บริเวณรอบ ๆ เครื่องระเหยเกิดความเย็นขึ้นเมื่อน้ำยาผ่านเครื่องระเหยจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอหมดและถูกคอมเพรสเซอร์ ดูดและอัดให้มีความดันสูงขึ้นหมุนเวียนเช่นนี้ตลอดไปโดยน้ำยาจะไม่สูญหาย จึงไม่จำเป็นต้องเติมน้ำยาเพิ่มเข้าไปในระบบอีก ถ้าไม่มีจุดที่น้ำยารั่วออกมา

3. ระบบการทำความเย็นแบบใช้น้ำแข็ง  

การทำความเย็นโดยใช้น้ำแข็งอาศัยหลักการที่ว่าขณะที่น้ำแข็งหลอมละลายกลายเป็นน้ำจะดูดความร้อนจากอากาศรอบ ๆ ทำให้อากาศเย็นลงและมีความหนาแน่นสูงขึ้น จึงไหลลงสู่ตอนล่างของตู้เย็นไปดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหารหรือของที่แช่ภายในตู้เย็นอีกทีหนึ่ง อากาศเย็นเมื่อดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหารหรือของที่แช่ภายในตู้เย็นแล้ว จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและเบาจึงลอยตัวสูงขึ้นแล้วไปผ่านโดยรอบของน้ำแข็งทำให้น้ำแข็งหลอมละลาย เมื่อน้ำแข็งหลอมละลายหมดก็จะหยุดการทำความเย็น

4. ระบบการทำความเย็นแบบใช้น้ำแข็งแห้ง  

ในการทำความเย็นโดยใช้น้ำแข็งแห้ง (Dry Ice Refrigeration) นั้น จะใช้น้ำแข็งแห้งซึ่งทำจากคาร์บอนไดออกไซค์ที่อยู่ในสถานะของแข็งซึ่งถูกอัดขึ้นมาให้มีรูปร่าง แตกต่างกันไป  น้ำแข็งแห้งจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นแก๊ส ซึ่งเรียกว่าการระเหิด ที่ความดันบรรยากาศ โดยน้ำแข็งแห้งจะมีอุณหภูมิต่ำถึง -78.33 °C และดูดซับความร้อนและรักษาอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์  เช่น ไอศกรีม ให้คงคุณภาพขณะทำการขนส่ง

5. ระบบการทำความเย็นแบบใช้การระเหยตัวของน้ำ

ขณะที่ของเหลวระเหยตัวเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอจะดูดรับความร้อนแฝง จากหลักการดังกล่าวจึงนำมาสู่การออกแบบการระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์ของ เครื่องปรับอากาศ ซึ่งเรียกว่าเป็นคอนเดนเซอร์แบบอิวาพอเรตีป (Evaporative condenser) คอนเดนเซอร์แบบนี้อาศัยทั้งการระเหยตัวของน้ำและอากาศช่วยกันในการ ระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์โดยการฉีดพ่นน้ำให้เป็นฝอยผ่านลงบนคอนเดนเซอร์ ในขณะเดียวกันก็ใช้พัดลมช่วยเป่าระบายความร้อน ละอองน้ำที่กระทบกับคอนเดนเซอร์ บางส่วนจะระเหยดูดความร้อน ช่วยให้การระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์มีผลดีขึ้น  

6. ระบบการทำความเย็นแบบใช้เทอร์โมอิเล็กทริก

การถ่ายเทพลังงานความร้อนจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งโดยใช้อิเล็กตรอนเป็นหลักการของเทอร์โมอิเล็กตริก โดยนำเอาวัตถุกึ่งตัวนำ (Semi-conductor) สองชนิดมาตรึงปลายติดกัน แล้วต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ในที่นี้สมมุติให้เป็น P และ N เนื่องจากวัตถุกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดมีค่าระดับพลังงานไม่เท่ากัน เมื่อถูกผ่านด้วยกระแสไฟฟ้ากระแสตรงแล้วจะทำให้ปลาย ที่ตรึงติดกันเย็นและปลายที่เหลือจะร้อน ส่งผลให้ภายในบริเวณที่ต้องการทำความเย็นมีการดูดรับความเย็นและคายความร้อนออกมาภายนอก

7. ระบบการทำความเย็นแบบสตีมเจ็ต

การทำความเย็นในระบบสตรีมเจ็ต (Steam Jet Refrigeration) ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการทำความเย็น การทำงานของระบบอาศัยหลักการที่ว่าเมื่อลดความดันที่ผิวหน้าของน้ำ ที่อยู่ในภาชนะที่ปิดมิดชิดแล้วน้ำนั้นจะสามารถระเหยตัว เปลี่ยนสถานะเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำ ๆ บางครั้งต่ำถึง 4.44 – 10 °C จากการศึกษาทางทฤษฎีพบว่าภายใต้ความดันสูญญากาศ หรือที่ความดัน 0.893 kg/cm^2 จุดเดือดของน้ำจะอยู่ที่ 4.44 °C  หลักการทำงานของระบบสตีมเจ็ตแสดงไว้ในรูปที่ 7 ไอน้ำซึ่งเป็นผลพลอดได้จากจากการทำงานของหม้อไอน้ำ แทนที่จะปล่อยทิ้งโดยเปล่าประโยชน์ จะถูกส่งเข้าทางท่อไอน้ำ  เพื่อฉีดผ่านหัวฉีดไอน้ำด้วยความเร็วสูงทำให้ความดันที่ผิวหน้าของน้ำในอีวาพอเรเตอร์ลดลง และสามารถระเหยตัวกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำ ดูดรับปริมาณความร้อนทำให้น้ำที่เหลือในอีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำลงด้วยน้ำเย็นนี้มีอุณหภูมิประมาณ 4.44 – 21.1 °C จะถูกปั้มให้หมุนเวียนเข้าไปทำความเย็นให้แก่บริเวณที่ต้องการทำความเย็น และจะถูกส่งกลับเข้ามาฉีดเป็นฝอยในอีวาพอเรเตอร์อีกครั้งหนึ่งละอองน้ำบางส่วนจะถูกระเหยตัวทำให้น้ำ ที่เหลือในอีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำอยู่ตลอดเวลา

8. ระบบการทำความเย็นแบบแอบซอร์ปชัน (Absorption Chiller)

Absorption Chiller เป็นระบบทำความเย็นที่อาศัยพลังงานความร้อนในการขับเครื่องทำความเย็นให้ทำงาน โดยความร้อนที่ป้อนให้ Absorption Chiller โดยมากจะอยู่ในรูปของไอน้ำน้ำร้อนหรือก๊าซร้อนซึ่งเป็นพลังงานคุณภาพต่ำ

Absorption chiller มีส่วนประกอบที่สำคัญคือ generator, condenser, evaporator, absorber, expansion valve และสารทำงานซึ่งเป็นสารคู่ผสมระหว่าง สารทำความเย็น  (กรณีนี้ใช้น้ำบริสุทธิ์เป็นสารทำความเย็น) และสารดูดกลืน (สาร Li-Br) ดังแสดงในรูปที่ 8 มีหลักการทำงานเริ่มต้นจาก generator รับความร้อนจากภายนอกทำให้สารทำความเย็นเดือดกลายเป็นไอแยกออกจากสารดูดกลืน สารทำความเย็นจะมากลั่นตัวที่ condenser อุณหภูมิประมาณ 40 °C – 50 °C เพื่อกลับเป็นของเหลวแล้วไหลผ่านเอ๊กซ์แพนชันวาล์ว (expansion valve) ไปสู่ evaporator สารทำความเย็นดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเพื่อใช้เป็นความร้อนแฝงของ การกลายเป็นไอที่อุณหภูมิประมาณ 5 °C (ความดันประมาณ 6 mm.Hg) จากนั้นไอของสารทำความเย็นจะถูกดูดกลืนด้วยสารดูดกลืนที่ไหลผ่าน Expansion Valve มาจาก generator  ผสมเป็นของเหลวในตัวดูดกลืน absorber  ซึ่งเป็น ปฏิกิริยาคายความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม จากนั้นจะถูกสูบโดยปั๊มเพื่อให้ความดันสูงขึ้นเป็น 75 mm.Hg ไปยังเจนเนอเรเตอร์ (generator) เพื่อรับความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนต่อไป

ที่มา: https://ienergyguru.com/