ทนงศักดิ์ วัฒนา
thanongsak.wattana@hotmail.com

          ปัจจุบันการสร้างสรรค์ทางวิศวกรรม หรือการคิดค้นเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ใหม่ มีความเห็นเป็นไปในทิศทางเดียวกันคือ การอนุรักษ์พลังงาน การออกแบบเพื่อลดผลกระทบทางด้านสิ่งแวดล้อม การคิดค้นด้านพลังงานทดแทน เพื่อทดแทนการใช้น้ำมันปิโตรเลียม หรือการลดการใช้พลังงานไฟฟ้า ซึ่งปัจจุบันประเทศไทยใช้พลังงานจากก๊าซธรรมชาติมากกว่า 70% เพื่อผลิตไฟฟ้าจ่ายให้ผู้บริโภคทั้งภาคครัวเรือน และภาคอุตสาหกรรม ในบรรดาเครื่องใช้ไฟฟ้า อุปกรณ์ทำความเย็น หรือเครื่องปรับอากาศ ถือว่ามีการใช้พลังงานค่อนข้างสูง ดังนั้น การคิดค้น เพื่อผลิตความเย็นโดยใช้พลังงานทดแทนจึงเป็นเรื่องที่มีความสำคัญอย่างมากทั้งในปัจจุบันและอนาคต

ระบบทำความเย็นแบบอีเจ็กเตอร์ (Ejector) เป็นระบบผลิตความเย็นที่น่าสนใจ เพราะเป็นระบบที่ใช้พลังงานคุณภาพต่ำ และราคาไม่สูง เช่น ใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ ใช้พลังงานจากแหล่งความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการในโรงงานอุตสาหกรรม ที่ใช้ความร้อนในกระบวนการ

อีกทั้งสารทำงานในระบบทำความเย็นแบบอีเจ็กเตอร์ (Ejector) ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เช่น ใช้น้ำเป็นสารทำงาน ดังนั้น การศึกษาและพัฒนาระบบทำความเย็นแบบอีเจ็กเตอร์ (Ejector) จึงควรได้รับการส่งเสริมและพัฒนาอย่างจริงจัง โดยเฉพาะระบบทำความเย็นแบบอีเจ็กเตอร์ พลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อเป็นทางเลือกของระบบทำความเย็นในอนาคต เพื่อลดภาวะโลกร้อนซึ่งกำลังเป็นมหันตภัยที่ส่งผลกระทบต่อมนุษย์ทั่วโลก และนับวันจะเพิ่มความรุนแรงขึ้นทุกที

รูปที่ 1 เครื่องทำความเย็นแบบใช้หัวฉีดลดความดัน (Ejector) พลังงานแสงอาทิตย์
(ที่มา: http://www.fona.de)

ระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดัน (Ejector) พลังงานแสงอาทิตย์
          การทำความเย็นด้วยพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ มีหลายวิธี แต่ในบทความนี้จะขอกล่าวถึง ระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดัน หรือ อีเจ็กเตอร์ ซึ่งในกระบวนการทำความเย็นด้วยวิธีการดังกล่าวจะประกอบด้วยส่วนต่าง ๆ ของระบบ 3 ส่วน คือ แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Heat Collector) ส่วนเปลี่ยนความร้อนจากแสงอาทิตย์เป็นความเย็น (Cooling Process) และส่วนสุดท้าย คือ ส่วนนำไปใช้งาน (Chilled Water/Air) อาจเป็น น้ำเย็น หรือ อากาศเย็น ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบของระบบทำความเย็นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์

          จากกระบวนการดังกล่าว อาจจะเขียนเป็นแผนภาพระบบการทำงานของเครื่องทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดัน อย่างง่าย ดังรูปที่ 3 ซึ่งเป็นการใช้แหล่งความร้อนจากหม้อต้มไอน้ำในการขับระบบ และในรูปที่ 4 เป็นแผนภาพของระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดันพลังงานจากแสงอาทิตย์ เพื่อถ่ายเทความร้อนผ่านสารทำงาน ซึ่งมีทั้ง 2 แผนภาพมีหลักการทำงานที่เหมือนกัน อาจจะอธิบายการทำงานของระบบได้ดังนี้

รูปที่ 3 ซึ่งเป็นการใช้แหล่งความร้อนจากหม้อต้มไอน้ำ

รูปที่ 4 เป็นแผนภาพของระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดันพลังงานจากแสงอาทิตย์

          จากแผนภาพในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 ระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดันจะประกอบด้วยอุปกรณ์ 6 ส่วน คือ อุปกรณ์ผลิตไอน้ำ ซึ่งอาจจะเป็นหม้อต้มไอน้ำ หรือแผงรับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ ส่วนที่ 2 คือ หัวฉีดลดความดัน (Ejector) ส่วนที่ 3 คือ คอนเดนเซอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ในการทำให้ไอน้ำเกิดการกลั่นตัวเป็นน้ำ ส่วนที่ 4 คือ เครื่องระเหย (Evaporator) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งความเย็น สำหรับนำความเย็นไปใช้งานในระบบ

ส่วนที่ 5 คือ ปั๊มน้ำหมุนเวียน เป็นอุปกรณ์เพิ่มแรงดันของสารทำงานในระบบ ใช้แทนตัวคอมเพรสเซอร์ในระบบทำความเย็นแบบอัด และอุปกรณ์ชิ้นสุดท้ายคือ วาล์วลดความดัน ทำหน้าที่ลดความดันของสารทำงานก่อนส่งเข้าในเครื่องระเหย โดยทั่วไประบบทำความเย็นแบบนี้ เริ่มทำงานจากสารทำงานซึ่งมีวามดันสูงรับความร้อนบริเวณอุปกรณ์ผลิตความร้อน จนมีสภาพเป็นไอน้ำความดันสูง จะไหลผ่านหัวฉีดลดความดัน ทาง Primary Nozzle ผ่านคอคอด และขยายตัวออกทางปากของหัวฉีด ลักษณะการเคลื่อนตัวของไอน้ำผ่านหัวฉีดลดความดัน สามารถแสดงดังรูปที่ 5

 รูปที่ 5 แสดงลักษณะการเคลื่อนตัวของไอน้ำผ่านหัวฉีดลดความดัน
(ที่มา: http://www.grc.nasa.gov)

          การเคลื่อนที่ผ่านของไอน้ำบริเวณคอคอดด้วยความเร็วสูงทำให้เกิดความดันลด จนสามารถดึงสารทำงานในบริเวณเครื่องระเหยให้มีความดันต่ำลง และสามารถเดือดได้ที่อุณหถูมิต่ำ สารทำงานที่ถูกดึงออกจากเครื่องระเหยจะไปผสมกับไอน้ำบริเวณห้องผสมของหัวฉีดลดความดัน และกลั่นตัวบริเวณคอนเดนเซอร์กลับเป็นของเหลวอีกครั้ง ก่อนจะถูกปั๊มน้ำหมุนเวียนส่งไปยังหม้อต้มไอน้ำ หรือแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ (กรณีใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ในรูปที่ 4) เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างต่อเนื่อง จะมีสารทำงาน หรือน้ำที่ออกจากคอนเดนเซอร์จะถูกลดความดัน โดยวาล์วลดความดัน ก่อนจะไปยังเครื่องระเหยอีกครั้ง เพื่อรักษาระดับของเหลวให้มีปริมาณคงที่ และระบบทำงานได้อย่างต่อเนื่อง

ส่วนประกอบที่สำคัญของระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดันพลังงานแสงอาทิตย์
          ในระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัวยพลังงานแสงอาทิตย์ มีส่วนประกอบเหมือนระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดด้วยหม้อต้มไอน้ำ หรือแหล่งพลังงานความร้อนเหลือทิ้ง แต่จะแตกต่างกันตรงที่นำ แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Heat Collector) มาแทนที่หม้อต้มไอน้ำ แผงผังวงจรการทำงานดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งในระบบจะปรกอบด้วยอุปกรณ์ 4 ส่วน คือ แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Heat Collector) หัวฉีดลดความดัน (Ejector) คอนเดนเซอร์ หรือเครื่องควบแน่น ปั๊มน้ำหมุนเวียนและ วาล์วลดความดัน อุปกรณ์แต่ละส่วน สามารถอธิบายการทำงานได้ดังนี้ (พิจารณาในรูปที่ 3 ประกอบ)

          1. แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Heat Collector) เนื่องจากระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัวยพลังงานแสงอาทิตย์ต้องการสารทำงานที่สภาพเป็นไอน้ำ ดังนั้น แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ ต้องเป็นชนิดที่สามารถทำอุณหภูมิได้สูง อย่างเช่น แบบใช้กระจกโค้งรวมแสงหรือแบบรางพาราโบลิก (Parabolic Troughs) ซึ่งทำอุณหภูมิได้มากกว่า 400 องศาเซลเซียส หรือแบบจานรวมแสง (Parabolic Dish) ซึ่งทำอุณหภูมิได้มากว่า 1,500 องศาเซลเซียส ดังแสดงในรูปที่ 6 และรูปที่ 7  

รูปที่ 6 แสดงลักษณะของระบบทำน้ำร้อนแบบแผ่นรับแสงแบบรวมแสง ชนิด Parabolic Troughs

รูปที่ 7 การผลิตความร้อนโดยใช้จานรวมแสง (Parabolic Dish)

          2. หัวฉีดลดความดัน (Ejector) เป็นส่วนที่สำคัญมากของระบบ กล่าวคือ ประสิทธิภาพของระบบจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของหัวฉีดลดความดัน เป็นหลัก หัวฉีดลดความดัน ในระบบทำความเย็นจะเป็นอุปกรณ์ในการทำหน้าที่ให้เกิดภาวะสุญญากาศในบริเวณเครื่องระเหย เพื่อให้สารทำงานเดือดได้ที่อุณหภูมิต่ำ หรืออาจกล่าวได้ว่า ทำให้สารทำงานในเครื่องระเหยมีอุณหภูมิต่ำในสภาวะสุญญากาศ เพื่อนำสารที่มีอุณหภูมิต่ำไปใช้งานในระบบทำความเย็น ซึ่งความสัมพันธ์ระหว่าง ความดันสุญญากาศกับอุณหภูมิของน้ำ สามารถแสดงได้ในรูปที่ 8 หัวฉีดลดความดันจะประกอบด้วย ส่วนต่าง ๆ ในรูปที่ 9 และรูปที่ 10

    
รูปที่ 8 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันสุญญากาศกับอุณหภูมิ

รูปที่ 9 แสดงส่วนประกอบของหัวฉีดลดความดัน

รูปที่ 10 แสดงส่วนประกอบของหัวฉีดลดความดัน

          3. คอนเดนเซอร์ หรือเครื่องควบแน่น ในระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดัน จะทำหน้าที่ในการควบแน่นไอน้ำที่ผ่านออกจากหัวฉีดลดความดันให้อยู่ในสภานะของเหลวก่อนจะไหลเข้าเครื่องสูบ (Pump) ส่งไปยังหม้อต้ม หรือแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ ลักษณะของคอนเดนเซอร์ ดังแสดงในรูปที่ 11

รูปที่ 11 ลักษณะของคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำ

          4.ปั๊มน้ำหมุนเวียน ทำหน้าที่ในการเพิ่มแรงดันให้ระบบและส่งน้ำไปยังหม้อต้มไอน้ำ หรือแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ ปั๊มน้ำที่เลือกใช้ต้องสามารถทนอุณหภูมิที่สูงพอสมควร เพื่อให้ระบบทำงานอย่างต่อเนื่อง โดยปั๊มน้ำไม่เกิดการชำรุดเสียหาย 
     

     รูปที่ 12 ตัวอย่างปั๊มน้ำหมุนเวียนสำหรับน้ำอุณหภูมิสูง

          5. วาล์วลดความดัน เป็นอุปกรณ์ที่อยู่ในระบบทำความเย็น ซึ่งจะทำหน้าที่ลดความดันของสารทำงานให้มีความดันใกล้เคียงกับความดันของเครื่องระเหย เพื่อชดเชยปริมาณสารทำงานที่ระเหยออกไป ในระบบสุญญากาศ เพื่อให้ระบบทำงานอย่างต่อเนื่อง ลักษณะของวาล์วลดความดันแสดงในรูปที่ 13

รูปที่ 13 แสดงลักษณะวาล์วลดความดันของน้ำร้อน/น้ำเย็น

การออกแบบหัวฉีดลดความดันสำหรับระบบทำความเย็น
          ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ นักประดิษฐ์ หรือนักออกแบบกำลังให้ความสนใจเรื่องการออกแบบผลิตภัณฑ์เพื่อลดการใช้พลังงาน โดยหันมาใช้เทคโนโลยีหรืออุปกรณ์โบราณกันมากขึ้น ซึ่งในอดีตเรามองอุปกรณ์ หรือเครื่องเหล่านี้ว่ามีประสิทธิภาพต่ำ จึงไม่มีการพัฒนาต่อยอด แต่เนื่องจากกระแสการอนุรักษ์พลังงานกำลังมาแรงทั้งในปัจจุบันและอนาคต ทำให้อุปกรณ์ในอดีตกำลังมีบทบาทสำคัญเพิ่มมากขึ้นทุกที เช่น หัวฉีดลดความดันในระบบทำความเย็น ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นมาครั้งแรก เมื่อปี พ.ศ.2453 หรือเมื่อ 100 ปีที่แล้ว

สาเหตุที่ระบบทำความเย็นแบบหัวฉีดลดความดัน เป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์อีกครั้ง เนื่องจาก สามารถใช้พลังงานคุณภาพต่ำ (ความร้อนเหลือทิ้ง) มีราคาต่ำ ต้นทุนในการซ่อมบำรุงต่ำ เนื่องจากไม่มีส่วนเคลื่อนที่ของหัวฉีดลดความดัน และสารทำงานยังใช้สารที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ราคาถูก ดังนั้น การพัฒนาระบบทำความเย็นโดยใช้หัวฉีดลดความดันให้มีประสิทธิภาพสูง หรือพัฒนาให้มีขนาดเล็กเพื่อใช้งานในระบบทำความเย็น หรือระบบปรับอากาศสำหรับที่อยู่อาศัย หรือสำนักงานจึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจ

          ในระบบทำความเย็นโดยใช้หัวฉีดลดความดัน (Ejector) หัวฉีดลดความดันถือได้ว่ามีความสำคัญมากเนื่องจากประสิทธิภาพของระบบจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของหัวฉีดลดความดัน เป็นหลัก ดังนั้น การออกแบบหัวฉีดลดความดัน จึงมีความสำคัญเช่นกัน ปัจจุบัน มีสถาบันการศึกษาหลายแห่ง หรือบริษัทที่ผลิตหัวฉีดลดความดัน พยายามพัฒนาให้หัวฉีดลดความดันมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

โดยประสิทธิภาพของหัวฉีดลดความดันจะขึ้นอยู่กับตัวแปร 2 ตัว คือ Entrainment Ratio (R _m) ซึ่งเป็นอัตราส่วนของ อัตราการไหลของมวลทางด้านเข้าที่สอง (Mass of Secondary Flow) กับ และอัตราการไหลของมวลไอน้ำทางด้านเข้าหลัก (Mass of Primary Flow) ส่วนตัวแปรที่ 2 คือ Pressure Lift Ratio (PLR) คืออัตราส่วนของความดันสถิตของบริเวณ Diffuser กับความดันสถิตของด้านเข้าหัวฉีดลดความดัน

          ในการพิจารณาประสิทธิภาพของหัวฉีดลดความดัน หรือประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นแบบนี้ นอกจากค่า R _m และ PLR แล้ว ยังมีตัวแปรที่มีความสำคัญ และมีประสิทธิภาพของระบบมากเป็นอย่างยิ่ง คือ ค่าความดันที่ทางออกของหัวฉีดลดความดัน หรือเรียกว่า Condenser Pressure หรือค่า Back Pressure ดังแสดงในรูปที่ 14 และรูปที่ 15 และค่าความดันสุดท้ายที่ค่า R m ยังคงมีค่าไม่ลดลง เรียกว่า Critical Back Pressure (CBP) จากข้อมูลการศึกษาตัวแปรต่าง ๆ ที่มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของหัวฉีดลดความดัน ในรูปของความสัมพันธ์ของค่า Entrainment Ratio (R _m ) กับค่าตัวแปรต่าง ๆ ดังนี้

รูปที่ 14 แสดงคุณลักษณะทั่วไปของหัวฉีดลดความดัน

รูปที่ 15 แสดงคุณลักษณะทั่วไปของหัวฉีดลดความดัน

          1. ผลกระทบของอุณหภูมิเครื่องกำเนิดไอน้ำ ภายใต้ภาระความเย็น 5 kW จากกราฟพบว่า ค่า Entrainment Ratio (R m) จะมีค่าสูงเมื่อ อุณหถูมิของเครื่องกำเนิดไอน้ำมีค่าอุณหภูมิต่ำ นั้นหมายความว่า อุณหภูมิของเครื่องกำเนิดไอน้ำยิ่งต่ำ ประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นก็จะสูงตามไปด้วย

รูปที่ 16 กราฟแสดงความสัมพันธ์ Entrainment Ratio (R m) กับ Back Pressure

          2. ผลกระทบของอุณหภูมิเครื่องระเหย ภายใต้ภาระความเย็น 5 kW จากกราฟพบว่า ค่า Entrainment Ratio (R m) จะมีค่าสูงเมื่ออุณหถูมิของเครื่องระเหยค่าอุณหภูมิสูง

รูปที่ 17 กราฟแสดงความสัมพันธ์ Entrainment Ratio (R m) กับอุณหภูมิของเครื่องกำเนิดไอน้ำ

          จากข้อมูลในกราฟที่ 16 และ 17 สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัน โดยการใช้ Regenerator ก่อนเข้า Condenser และ หม้อต้มไอน้ำ (Boiler) ดังรูปที่ 18

     รูปที่ 18 แผนภาพอีเจ็กเตอร์แบบติดตั้งชุดทำให้เย็นล่วงหน้า (Pre cooler) และ ชุดทำให้อุ่นล่วงหน้า

          3. ผลกระทบด้านต่าง ๆ ของระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัน ภายใต้ระบบความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดันโดยใช้ไอน้ำขนาด 5 kW ประสิทธิภาพหัวฉีด 0.85% ประสิทธิภาพของทางออก (Diffuser) 85% ภายใต้ T_e = 10 OC, T_C = 35 ^OC และ T_b = 110 ^OC ดังแสดงในรูปที่ 19 ถึงรูปที่ 24

          จากข้อมูลที่กล่าวมา คงเป็นแนวทางในการนำหรือออกแบบ ระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัน โดยใช้ไอน้ำ เป็นระบบขับเคลื่อนระบบทำความเย็น และนำไปประยุกต์ใช้กับระบบทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัน โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งความร้อนในการขับเคลื่อนระบบทำความเย็น ซึ่งปัจจุบันเป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ หรือวิศวกรให้ความสนใจนำมาใช้งานในระบบทำความเย็น หรือระบบปรับอากาศขนาดเล็ก สำหรับที่อยู่อาศัย หรือสำนักงาน ด้วยข้อดีหลายประการ เช่น ใช้พลังงานความร้อนที่มีคุณภาพต่ำ การบำรุงรักษาน้อย

รูปที่ 19 แสดงความสัมพันธ์ R_m, T_C และ อัตราการไหลของไอน้ำ

รูปที่ 20 แสดงความสัมพันธ์ของขนาด Nozzle, T_C และ ความยาวของหัวฉีดลดความดัน

รูปที่ 21 แสดงความสัมพันธ์ของ R _m, T_b และอัตราการไหลของไอน้ำ

รูปที่ 22 แสดงความสัมพันธ์ของขนาด Nozzle, T_b และความยาวของหัวฉีดลดความดัน

รูปที่ 23 แสดงความสัมพันธ์ของ R _m, T_e และอัตราการไหลของไอน้ำ

รูปที่ 24 แสดงความสัมพันธ์ของขนาด Nozzle, T_e และความยาวของหัวฉีดลดความดัน

เอกสารอ้างอิง
* Yuan-Jen Chang, Yau-Ming Chen, Enhancement of steam jet Refrigerator using a novel application of the petal nozzle, Department of mechanical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan

* Da Wen Sun, Variable Geometry Ejector and Their Applications in Ejector Refrigeration System, Department of Agricultural and Food Engineering University College Dublin, the National University of Ireland, Earlsfort Terrace, Dublin 2, The Republic of Ireland