เนื้อหา

ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (ABSORPTION CHILLER)

ระบบทำความเย็นมีหลายประเภท เช่น ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (Vapor compression system) ระบบทำความเย็นแบบกักเก็บน้ำแข็ง (Ice storage system) และระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (Absorption chiller) เป็นต้น ในปัจจุบันระบบทำความเย็นแบบอัดไอเป็นระบบที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลาย ใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับเคลื่อน ซึ่งพลังงานดังกล่าวเป็นพลังงานสิ้นเปลือง มีแนวโน้มที่จะหมดไปในอนาคตอันใกล้ ทำให้ระบบทำความเย็นที่ใช้พลังงานทางเลือกได้รับความสนใจมากขึ้น โดยระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเป็นเทคโนโลยีการนำพลังงานทางเลือกในรูปแบบความร้อนมาใช้ขับเคลื่อนระบบ รวมทั้งลดอัตราการใช้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล และลดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมได้อีกด้วย

 

1. ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน

ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเป็นเทคโนโลยีที่ใช้หลักการดูดกลืนระหว่างของไหล 2 ชนิด คือ ของไหลในสถานะก๊าซหรือตัวถูกดูดกลืน (Absorbate) และของไหลในสถานะของเหลวหรือตัวดูดกลืน (Absorbent) กระบวนการดูดกลืน (Absorption process) เกิดขึ้นโดยสารละลายดูดกลืนตัวถูกดูดกลืนในสถานะของเหลว และมีการคายความร้อนส่วนหนึ่งออกสู่สิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีแบบดูดกลืนเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าปั๊มความร้อนแบบดูดกลืน (Absorption heat pump)

ปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนมี 2 ประเภท คือ ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (Type 1 Absorption refrigerator/Absorption chiller) และตัวแปลงความร้อน (Type 2 Absorption heat transformer) วัฏจักรการทำงานของปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนทั้ง 2 ประเภทประกอบด้วยอุปกรณ์หลักเหมือนกัน

สารคู่ผสมที่ใช้ในระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเป็นสารชนิดเดียวกับที่ใช้ในตัวแปลงความร้อน ซึ่งสารคู่ผสมที่มีการใช้งานในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด เช่น น้ำ-ลิเธียมโบรไมด์ (Water-LiBr), น้ำ-ลิเธียมคลอไรด์ (Water-LiCl2) และแอมโมเนีย-น้ำ (Ammonia-Water) โดยสารลิเธียมโบรไมด์และลิเธียมคลอไรด์เป็นสารละลาย ส่วนน้ำเป็นสารทำงาน ยกเว้นคู่สารทำงานแอมโมเนีย-น้ำ ที่มีน้ำเป็นตัวดูดกลืนและแอมโมเนียเป็นสารทำงาน สารคู่ผสมเหล่านี้ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติกัดกร่อนโลหะ จึงส่งผลให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายในเวลาไม่นาน แต่สารทำงานที่ใช้งานกันแพร่หลายมี 2 คู่สาร คือ สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ และสารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์ โดยคุณสมบัติทางกายภาพต่าง ๆ ของสารละลายทั้งสอง

2. หลักการของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน

ระบบปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนมีลักษณะคล้ายกับระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ คือ มีเครื่องควบแน่น เครื่องระเหย และมีสารทำงานที่สามารถกลายเป็นไอได้ที่ความดันต่ำภายในตัวเครื่องระเหย   

ข้อแตกต่างหลักระหว่างปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนกับปั๊มความร้อนแบบอัดไอมีอยู่ 2 ประการ คือ

     ใช้เจนเนอเรเตอร์และเครื่องระเหยทำหน้าที่ให้สารทำงานกลายเป็นไอ ไหลในวัฏจักรแทนการใช้เครื่องอัดไอของระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ

       พลังงานที่ใช้ในเจนเนอเรเตอร์และแอบซอร์พเบอร์จะอยู่ในรูปของพลังงานความร้อน ต่างจากเครื่องอัดไอที่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานกลในระบบปั๊มความร้อนแบบอัดไอ

ปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนประเภทที่ 1 หรือระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (Absorption chiller) มีหลักการขับเคลื่อนด้านความร้อนดังแสดงในรูปที่ 8.1 คือ ความร้อนอุณหภูมิสูงเข้าสู่ระบบ และทำให้เกิดการดึงความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ (Cooling) พร้อมทั้งการคายความร้อนออกสู่ภายนอกที่อุณหภูมิปานกลาง (Condensing) ซึ่งจะเห็นได้ว่าระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนสามารถใช้ประโยชน์ได้ทั้งด้านความเย็นและด้านความร้อน การใช้ประโยชน์ด้านความเย็น เช่น ห้องเย็น ห้องปรับอากาศ เป็นต้น ส่วนการใช้ประโยชน์ด้านความร้อนนั้นไม่ค่อยเป็นที่นิยมนัก เนื่องจากความร้อนที่ได้มีอุณหภูมิไม่สูงทำให้ใช้ประโยชน์ได้ไม่มากนัก

 

รูปที่ 1 การขับเคลื่อนด้านความร้อนของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน [นัฐพร, 2561]

 

กระบวนการทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนแสดงในรูปที่ 2 คือ ความร้อนอุณหภูมิสูงเข้าสู่เจนเนอเรเตอร์เพื่อถ่ายเทความร้อนให้แก่สารละลาย สารทำงานหรือตัวถูกดูดกลืนที่มีจุดเดือดต่ำกว่าตัวดูดกลืนจะระเหยกลายเป็นไอ และไหลออกจากเจนเนอเรเตอร์ที่ความดันสูง ไอสารทำงานดังกล่าวที่ระเหยออกไปนั้น ระบบที่ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำจะมีความเข้มข้นสารทำงานไม่บริสุทธิ์ (น้ำระเหยปะปนไปกับไอแอมโมเนีย) ซึ่งปั๊มความร้อนแบบดูดกลืนต้องการสารทำงานความเข้มข้นสูงผ่านเข้าสู่เครื่องระเหย ดังนั้นในระบบทำความเย็นที่ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพิ่มขึ้นจากระบบทั่วไป คือ อนาไลเซอร์ (Analyzer) และเรคติไฟเออร์ (Rectifier) ทำหน้าที่ดักไอน้ำที่ออกจากเจนเนอเรเตอร์ โดยทำให้ไอน้ำดังกล่าวควบแน่นแล้วไหลกลับเข้ามายังเจนเนอเรเตอร์

ไอสารทำงานที่ออกจากเจนเนอเรเตอร์ (จุดที่ 1) ไหลเข้าไปยังเครื่องควบแน่น แล้วควบแน่นกลายเป็นสารทำงานสถานะของเหลว (จุดที่ 2) ที่ความดันสูง จากนั้นจะไหลผ่านวาล์วลดความดันเพื่อลดความดันและอุณหภูมิ (Thermostatic expansion valve, TXV) (จุดที่ 3) เข้าไปในเครื่องระเหยเพื่อรับภาระความร้อน ทำให้สารทำงานสถานะของเหลวระเหยกลายเป็นไอ (จุดที่ 4) ที่ความดันต่ำ แล้วไหลเข้าไปยังแอบซอร์พเบอร์ ซึ่งสารทำงานสถานะไอดังกล่าวจะถูกดูดกลืนรวมกับสารละลายความเข้มข้นต่ำ (ความเข้มข้นสารทำงาน) ที่กลับมาจากอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนทำให้กลายเป็นสารละลายความเข้มข้นสูง สารละลายดังกล่าว (จุดที่ 8) จะถูกส่งไปยังเจนเนอเรเตอร์ด้วยปั๊มสารละลายผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (จุดที่ 9) อนึ่งภายในเจนเนอเรเตอร์ สารทำงานในสารละลายระเหยกลายเป็นไอทำให้เหลือสารละลายความเข้มข้นต่ำ ซึ่งสารละลายดังกล่าวจะถูกส่งกลับมายังแอบซอร์พเบอร์ (จุดที่ 5) โดยถ่ายเทความร้อนให้กับสารละลายเข้มข้นสูงในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (จุดที่ 6) จากนั้นจะผ่านวาล์วลดความดัน (Pressure release valve, PRV) (จุดที่ 7) แล้วไหลเข้าไปยังแอบซอร์พเบอร์เพื่อดูดกลืนไอสารทำงานต่อไป

จากแผนภาพรูปที่ 3 คือ แผนภาพความสัมพันธ์ระหว่างความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้นของคู่สารผสมในระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (PTX diagram) แผนภาพดังกล่าวเป็นที่นิยมใช้อธิบายการทำงานของระบบปั๊มความร้อนแบบดูดกลืน โดยพบว่า การทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนแบ่งเป็น 2 ช่วงความดัน คือ แอบซอร์พเบอร์และเครื่องระเหยจะทำงานที่ความดันต่ำ ส่วนเจนเนอเรเตอร์และเครื่องควบแน่นทำงานที่ความดันสูง ซึ่งอุณหภูมิต่ำสุดอยู่ที่เครื่องระเหย (TE) อุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่เจนเนอเรเตอร์ (TG) และมีอุณหภูมิรองลงมาอยู่ที่แอบซอร์พเบอร์ (TA) และเครื่องควบแน่น (TC)

 

 

รูปที่ 2 แผนภาพการทำงานระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน [นัฐพร, 2561]

 

รูปที่ 3 เป็นแผนภาพที่ใช้สำหรับอธิบายความสัมพันธ์ของตัวแปรทั้งสามค่า สำหรับงานวิจัยและตำราต่าง ๆ ทั้งของไทยและต่างประเทศมาตั้งแต่อดีต แต่จากผลงานวิจัยของ นัฐพร (2551) พบว่า ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนไม่เป็นดังแสดงในรูปดังกล่าว โดยอุณหภูมิจุดที่ 5 ซึ่งเมื่อพิจารณาตามรูปจะเห็นได้ว่าควรมีอุณหภูมิสูงสุดในระบบ แต่จากผลการทดลองของ นัฐพร พบว่า อุณหภูมิสูงสุดในระบบจะเกิดขึ้นที่เจนเนอเรเตอร์ และอุณหภูมิ ณ จุดที่ 7 ไม่เคยเกิดขึ้นเลย ดังนั้นในตำราเล่มนี้จึงได้นำเสนอ แผนภาพความดัน-อุณหภูมิ-ความเข้มข้นแบบใหม่ดังแสดงในรูปที่ 8.4 โดยอุณหภูมิของสารทำงานในเจนเนอเรเตอร์จะมีอุณหภูมิสูงสุด (TG) รวมทั้งอุณหภูมิสารละลายที่ออกจากเจนเนอเรเตอร์เข้าสู่แอบซอร์พเบอร์ จะมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิสารทำงานที่แอบซอร์พเบอร์ (TA) เสมอ

 

รูปที่ 3 แผนภาพความดัน-อุณหภูมิ-ความเข้มข้นของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน [นัฐพร, 2561]

 

รูปที่ 4 แผนภาพความดัน-อุณหภูมิ-ความเข้มข้นของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนแบบใหม่ [นัฐพร, 2561]

3. สมการทางคณิตศาสตร์

สมการทางคณิตศาสตร์ของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน พิจารณาจากสมการสมดุลพลังงาน สมดุลมวลและสมดุลความเข้มข้น ดังแสดงในรูปที่ 5

 

รูปที่ 5 ความสัมพันธ์สมการทางคณิตศาสตร์ของระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน [นัฐพร, 2562]

4. การประยุกต์เทคโนโลยีสู่ชุมชน

ชัชวาลย์ และนัฐพร (2548) และมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ (2548) ได้ทำการศึกษาการนำน้ำพุร้อนมาใช้ประโยชน์กับห้องเย็นและห้องอบแห้ง ณ แหล่งน้ำพุร้อนป่าตึง ตำบลป่าตึง อำเภอแม่จัน จังหวัดเชียงราย โดยห้องเย็นใช้ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนสำหรับเก็บพืชผลทางการเกษตร ใช้น้ำพุร้อนที่ได้จากการขุดเจาะ ความลึกของหลุมเจาะลงไปในผิวดิน 56 m อัตราการไหลของน้ำพุร้อนประมาณ 20 m3/h และมีอุณหภูมิน้ำพุร้อนที่ผิวดินประมาณ 98 °C

         ห้องเย็นที่ได้ทำการออกแบบและก่อสร้างมีขนาด 3.6 m x 3.6 m x 3.0 m ผนังและเพดานทำจากฉนวนกันความร้อนหนา 4 in ขนาดความจุของห้อง 5 Ton ความสามารถในการทำความเย็น 2.5 TR ห้องเย็นใช้ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนที่ใช้สารทำงานในระบบ คือ สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ และสามารถทำอุณหภูมิได้ต่ำสุดประมาณ -5 °C โดยห้องเย็นระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนแสดงดังรูปที่ 6 และรูปที่ 7

 

รูปที่ 6 ห้องเย็นระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนและห้องอบแห้งแบบรวมศูนย์ [นัฐพร, 2561]

 

   

รูปที่ 7 ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนที่ใช้สารละลายแอมโมเนีย-น้ำ [นัฐพร และชัชวาลย์, 2548]

 

โครงการ การผลิตไฟฟ้าร่วมกับการทำความเย็นและความร้อนแบบขั้นบันไดจากพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย [นัฐพร และคณะ, 2560] ทำการออกแบบและสร้างระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนขนาด 5 TR จากหลุมเจาะน้ำพุร้อนของกิจการน้ำพุร้อนสันกำแพง อำเภอแม่ออน ตามพระราชดำริ จังหวัดเชียงใหม่ โดยต้นแบบระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนใช้สารทำงานในระบบ คือ สารละลายน้ำ-ลิเธียมโบรไมด์ สามารถผลิตน้ำเย็นอุณหภูมิต่ำสุดได้ประมาณ 7 °C ดังแสดงในรูปที่ 8 และรูปที่ 9

 

 

รูปที่ 8 ต้นแบบระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน [นัฐพร และคณะ, 2560]

 

 

รูปที่ 9 ต้นแบบระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนเมื่อติดตั้งในโรงเรือน [นัฐพร และคณะ, 2560]

 

เอกสารอ้างอิง

ชัชวาลย์ ชัยชนะ และนัฐพร ไชยญาติ. การนำน้ำพุร้อนมาประยุกต์ใช้กับห้องเย็นและห้องอบแห้ง, วารสารโลกพลังงาน, ฉบับที่ 31, หน้า 36-40, 2548.

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

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

นัฐพร ไชยญาติ. เทคโนโลยีพลังงานทดแทนด้านความร้อน (Thermal Renewable Energy Technology), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 4 เมษายน พ.ศ. 2562, 752 หน้า.

นัฐพร ไชยญาติ, ชวโรจน์ ใจสิน, วรรษมล เลิศจตุรานนท์ และอัญชลี สายเขียว. โครงการ การผลิตไฟฟ้าร่วมกับการทำความเย็นและความร้อนแบบขั้นบันไดจากพลังงานความร้อนใต้พิภพในประเทศไทย, 2560.