หลักการทำความเย็นเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนออกจากพื้นที่หนึ่ง ซึ่งต้องการทำความเย็นโดยความร้อนจะถูกส่งผ่านน้ำยาจากนั้นน้ำยาจะถ่ายเทความร้อนให้กับอากาศภายนอกพื้นที่น้ำยาจะเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนโดยอาศัยกระบวนการอัดน้ำยาให้เป็นไอ กระบวนการควบแน่นกระบวนการขยายตัวและกระบวนการระเหย ซึ่งกระบวนการเหล่านี้จะเกิดตามส่วนต่าง ๆ ของระบบ เช่น ที่คอมเพรสเซอร์ ที่คอนเดนเซอร์ที่อุปกรณ์ควบคุมการไหล เป็นต้นดังนั้นการเรียนรู้เกี่ยวกับหลักการทำความเย็นใน ที่นี้จึงเป็นสิ่งจำเป็น ทั้งนี้เพื่อให้สามารถวิเคราะห์ระบบทำความเย็นได้ถูกต้อง และสามารถซ่อมบำรุงระบบให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
การทำความเย็น (Refrigeration) คือกระบวนการถ่ายเทความร้อนออกจากพื้นที่หรือ วัตถุที่ต้องการทำความเย็น หรือเป็นกระบวนการลดอุณหภูมิ และรักษาอุณหภูมิของพื้นที่หรือวัตถุ ที่ต้องการทำ ความเย็นให้ต่ำ กว่าอุณหภูมิรอบๆ
ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (Vapor Compression System)
ระบบทำความเย็นและ ปรับอากาศที่ใช้ในปัจจุบันอาศัยการทำงานแบบอัดไอน้ำยาทำความเย็นด้วยคอมเพรสเซอร์เพื่อนำน้ำยาที่ทำความเย็นแล้วกลับมาใช้อีก น้ำยาทำความเย็นจะไหลเวียนภายในระบบปิดอยู่ตลอดเวลา ในระบบทำความเย็นแบบอัดไอ ประกอบไปด้วยอุปกรณ์หลัก คือ คอยล์เย็น คอมเพรสเซอร์ คอนเดนเซอร์ และอุปกรณ์ควบคุมการไหล ซึ่งอุปกรณ์แต่ละส่วนมีหน้าที่ดังนี้
คอยล์เย็น (Evaporator) ทา หน้าที่ดูดความร้อนจากพื้นที่ หรือวัตถุที่ต้องการทำความ เย็น ไปใช้ในการเดือดกลายเป็นไอของน้ำยา
คอมเพรสเซอร์ (Compressor) ทำหน้าที่ ดูดน้ำยาให้ไหลเวียนภายในระบบพร้อมกับอัดไอน้ำยาที่มีความดันต่ำ ให้เป็นไอน้ำยาที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง
คอนเดนเซอร์ (Condenser) ทำหน้าที่ระบายความร้อนให้กับไอน้ำยาที่มี อุณหภูมิสูง ออกสู่อากาศภายนอกระบบ เมื่อไอน้ำยาได้รับการระบายความร้อนจะเกิดการควบแน่นเป็นน้ำยาเหลว
อุปกรณ์ควบคุมการไหล (Expansion Valve) ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของน้ำยาที่ไหลเข้าคอยล์เย็น
อุปกรณ์หลักในระบบทำความเย็น
วัฎจักรของการทำความเย็น (Refrigeration Cycle) ในระบบทำความเย็นแบบอัดไอน้ำยาทำความเย็นจะไหลเวียนผ่านส่วนต่าง ๆ ของระบบอยู่ตลอดเวลา ในแต่ละรอบน้ำยาจะต้องผ่าน กระบวนการต่อไปนี้ คือ
การขยายตัว (Expansion) เกิดที่อุปกรณ์ควบคุมการไหล
การกลายเป็นไอ (Vaporization) เกิดที่คอยล์เย็น
การอัดไอ (Compression) เกิดที่คอมเพรสเซอร์
การควบแน่น (Condensation) เกิดที่คอนเดนเซอร์
การทำงานของระบบทำความเย็น
ระบบทำความเย็นจะทำความเย็นได้ น้ำยาภายในระบบจะต้องไหลเวียนอุปกรณ์ที่ทำให้ น้ำยาไหลเวียนในระบบคือ คอมเพรสเซอร์ซึ่งเปรียบเสมือนเครื่องสูบที่สูบน้ำยาให้ไหลเวียนอยู่ ตลอดที่ระบบทำงาน
น้ำยาที่ไหลเข้าอุปกรณ์ควบคุมการไหล จะอยู่ในสถานะของเหลวที่มีความดันสูง อุณหภูมิสูงอุปกรณ์ควบคุมการไหลจะลดความดันของน้ำยาลง ทำให้จุดเดือดของน้ำยาลดต่ำลง น้ำยาที่ออกจากอุปกรณ์ควบคุมการไหล จะไหลเข้าคอยล์เย็นเป็นละอองน้ำยา โดยน้ำยาจะมีจุดเดือดต่ำกว่าอุณหภูมิของวัตถุที่แช่อยู่ในห้องทำความเย็น ทำให้เกิดการถ่ายเทความ ร้อนจากวัตถุที่แช่ไปให้น้ำยา ๆ เกิดการเดือดกลายเป็นไอโดยที่อุณหภูมิและความดันของน้า ยาคงที่ ความร้อนที่ใช้ในการเดือดกลายเป็นไอคือ ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ
น้ำยาที่ออกจากคอยล์เย็นจะอยู่ในสถานะไอที่ความดันต่ำ อุณหภูมิต่ำจะถูกส่งผ่านทางท่อดูด เข้าคอมเพรสเซอร์ขณะที่ผ่านท่อดูดไอของน้ำยาจะได้รับความร้อนจากอากาศ รอบ ๆ ทา ให้ไอน้ำยามีอุณหภูมิสูงขึ้นแต่ความดันยังคงที่ ความร้อนช่วงนี้คือความร้อนยิ่งยวด
น้ายาที่เข้าคอมเพรสเซอร์จะอยู่ในสถานะไอที่ความดันต่ำ อุณหภูมิต่ำ จากนั้น คอมเพรสเซอร์จะอัดไอน้ำยาให้มีปริมาตรลดลง ทำให้ความดันและอุณหภูมิสูงขึ้นโดยอุณหภูมิของ ไอจะสูงกว่าอุณหภูมิไออิ่มตัว
ไอน้ำที่ออกจากคอมเพรสเซอร์จะมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศรอบๆทำให้เกิดการระบาย ความร้อนให้กับอากาศขณะถูกส่งผ่านท่อจ่ายไปยังคอนเดนเซอร์ทำให้อุณหภูมิของไอน้ำยาลดลง เท่ากับอุณหภูมิไอน้ำอิ่มตัวแต่ยังคงสูงกว่าอุณหภูมิของอากาศรอบคอนเดนเซอร์
ไอน้ำที่เข้าคอนเดนเซอร์จะมีความดันสูงอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิอิ่มตัวแต่สูงกว่า อุณหภูมิของอากาศรอบ ๆ คอนเดนเซอร์ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อน จากไอน้ำให้กับอากาศ รอบ ๆ คอนเดนเซอร์ ผ่านพื้นผิวคอนเดนเซอร์ ไอน้ำเกิดการควบแน่นเป็นของเหลว โดยที่ความดันและอุณหภูมิยังคงที่ ความร้อนที่ถ่ายเทให้กับอากาศคือ ความร้อนแฝงของการควบแน่น
น้ำยาที่ออกจากคอนเดนเซอร์ จะอยู่ในสถานะของเหลวอุณหภูมิสูง, ความดันสูงจะ ไหลเข้าถังรับน้ำยา ภายในถังรับน้ำยาจะประกอบด้วยน้ำยาที่อยู่ในสถานะของเหลวกับน้ำยาที่อยู่ใน สถานะไอซึ่งยังไม่ควบแน่นลอยอยู่ด้านบน
น้ำยาเหลวจะถูกปล่อยออกจากถังรับน้ำยาส่งผ่านทางท่อของเหลวเข้าอุปกรณ์ ควบคุมการไหล ระหว่างทางน้ำยาซึ่งเป็นของเหลวอิ่มตัวจะมีอุณหภูมิอิ่มตัวสูงกว่าอากาศรอบ ๆ ท่อ ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนจากน้ำยาไปยังอากาศทำให้อุณหภูมิของน้ำยาลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิ อิ่มตัว ซึ่งกระบวนการนี้คือการซับคูลล์ และเรียกของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำ กว่าอุณหภูมิอิ่มตัวว่า ของเหลวซับคูลล์ ต่อจากนี้การไหลเวียนของน้ำ ยาทำความเย็นก็จะเริ่มรอบใหม่ซึ่งจะ ผ่านกระบวนการขยายตัวกระบวนการเดือดเป็นไอ กระบวนการอัดไอและกระบวนการควบแน่น กลับเป็นของเหลวตามเดิมโดยจะหมุนเวียนไปเรื่อย ๆ ตลอดเวลาของการทำงาน
ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (Vapor Compression System) แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ
1. ระบบอัดน้ำยาชั้นเดียว (Single Stage)
ระบบอัดน้ำยาชั้นเดียว (Single Stage) เหมาะสำหรับห้องอุณหภูมิ ตั้งแต่ -25 C ขึ้นไป หรือใช้ทำน้ำเย็น คอมเพรสเซอร์ที่ใช้ เช่น Bitzer รุ่น4G.2, 6G.2, 6F.2 เป็นต้น
หลักการทำงาน
เมื่อคอมเพรสเซอร์ทำงาน จะดูดไอน้ำยามาทางท่อทางดูดจากคอยล์เย็น และอัดไอน้ำยาออกทางท่อส่งผ่านหม้อดักน้ำมัน (Oil Separator) เข้าสู่คอนเดนเซอร์ หม้อดักน้ำมัน จะแยกน้ำมันออกจากไอน้ำยา แล้วส่งน้ำมันกลับเข้าคอมเพรสเซอร์ เพื่อใช้หล่อลื่นในคอมเพรสเซอร์ ส่วนของน้ำมันที่ดักไว้ไม่หมดจะไปกับน้ำยา และค้างตามท่อ น้ำยาจะเป็นตัวพาน้ำมันส่วนนี้ไหลกลับคืนเข้าคอมเพรสเซอร์ต่อไป
ไอน้ำยาร้อนจะถูกอัดเข้าคอนเดนเซอร์ และถูกน้ำทะเลระบายความร้อนออก จนกลายเป็นน้ำยาเหลว และไหลผ่านไส้กรองเพื่อดูดความชื้นและกรองสิ่งสกปรกออกจากน้ำยาและน้ำมันเครื่อง น้ำยาจะถูกดันไปที่วาล์วเอ็กแปนชั่น (Expansion Valve) ซึ่งจะมีรูเล็กๆ ที่ปรับขนาดได้ คอยปล่อยให้น้ำยาผ่านเข้าไประเหยในคอยล์เย็น (Evaporator) ในปริมาณที่พอเหมาะที่จะระเหยได้หมดพอดี ก่อนที่จะถูกดูดผ่าน Accumulator แล้วดูดเข้าคอมเพรสเซอร์ แล้วอัดออกต่อไป
1. ระบบอัดน้ำยา 2 ชั้น (Two Stage)
ระบบอัดน้ำยา 2 ชั้น (Two Stage) เหมาะสำหรับใช้งานห้องที่เย็นจัด (ฟรีส) อุณหภูมิตั้งแต่ -25 C ลงไป คอมเพรสเซอร์ที่ใช้ เช่น Bitzer รุ่นS6G.2, S6F.2 เป็นต้น
หลักการทำงาน
ทำงานเช่นเดียวกับระบบอัดน้ำยาชั้นเดียว (Single Stage)แต่เนื่องจากคอมเพรสเซอร์เริ่มอัดน้ำยาตั้งแต่ความดันต่ำ ทำให้การอัดเพียงครั้งเดียวได้ความดันไม่ถึง ทำให้น้ำยาไม่ร้อน และไม่มีแรงดันพอที่จะทำให้ไอร้อนน้ำยากลั่นตัวกลับมาเป็นของเหลว มาใช้งานใหม่ได้อีกครั้ง จึงต้องมีการอัดน้ำยาครั้งที่ 2 (Stage 2nd) เพื่อที่จะให้น้ำยาเหลวกลั่นตัวกลับมาใช้ใหม่ที่คอนเดนเซอร์ แต่เนื่องจากความดันเริ่มต้นของการอัดครั้งที่สองอาจสูงเกินไป และร้อนเกินไป จะเป็นอันตรายต่อคอมเพรสเซอร์ จึงจำเป็นต้องมี Expansion Valve ฉีดน้ำยาเข้ามาผสมกับไอน้ำยาที่อัดจาก Stage 1st เพื่อไม่ให้ไอน้ำยาก่อนอัด Stage 2nd ร้อนจัดหรือแห้งเกินไป ขณะเดียวกันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำยาเหลวที่ฉีดเข้ามา มีสภาพของเหลวปนอยู่ จึงใช้ Plate Heat Exchanger เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำยาเหลวที่จะจ่ายให้ Expansion Valve ที่คอยล์เย็น ทำให้น้ำยาที่จ่ายไปคอยล์เย็นมีอุณหภูมิลดลง (Sub Cool) ทำให้ทำความเย็นได้มากขึ้นด้วย
