วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติ
- 1. วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติ<br />วัฏจักร แบบไออัดตัวอุดมคติ เป็นการพัฒนามาจากวัฏจักรคาร์โนต์ ให้เกิดการทำงานในทางปฏิบัติได้ใก้ลเคียงความเป็นจริงมากที่สุด โดยการปรับปรุงวัฏจักร คือ ทำการระเหยของสารทำความเย็นอย่างสมบูรณ์ก่อนที่จะอัดตัว และแทนกังหันด้วยอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง เครื่องปรับอากาศและเครื่องทำความร้อนนี้มีใช้กันอย่งกว้างขวางซึ่งประกอบ ด้วยกระบวนการต่าง ๆดังนี้ <br />กระบวนการ 1-2 การอัดตัวแบบไอเซนโทรปิกในเครื่องอัด<br />กระบวนการ 2-3 การคายความร้อนโดยความดันคงที่ในเครื่องควบแน่น<br />กระบวนการ 3-4 การขยายตัวในอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง <br />กระบวนการ 4-1 การดูดความร้อนในความดันคงที่ในเครื่องระเหย<br />จากวัฏจักรสารทำความเย็นไหลเข้าเครื่องอัดที่สภาวะที่ 1 ในสถานะไออิ่มตัวในแบบไอเซนโทรปิกจนความดันเท่ากับความดันในเครื่องควบแน่น ช่วงการอัดตัวแบบไอเซนโทรปิกอุณหภูมิของสารทำความเย็นจะสูงขึ้นกว่าอุณหภูมิกลางสิ่งแวดล้อม เช่น บรรยากาศ และไหลเป็นไอร้อนยิ่งยวดในสภาวะที่ 2 และออกจากเครื่องควบแน่นเป็นของเหลวอิ่มตัวในสภาวะที่ 3 เนื่องจากเป็นการคายความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิของสารทำความเย็นจึงสูงกว่าอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม <br />สารทำความเย็นในสภาวะของเหลวอิ่มตัวที่สภาวะที่ 3 ถูกบีบผ่านอุปกรณ์ที่เป็น ทรอตทลิ่ง จนกระทั่งความดันเท่ากับความดันของเครื่องระเหย ช่วงกระบวนการนี้ อุณหภูมิของสารทำความเย็นจะลดลง กว่าบริเวณทำความเย็นหลังจากนั้นสารทำความเย็นจะไหลเข้าเครื่องระเหย ที่สภาวะ 4 ในสถานะของผสมอิ่มตัว และไหลเข้าเครื่องอัดอีกครั้งหนึ่ง จนครบวัฏจักร<br />ในการวิเคราะห์ วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติ คือ แผนภาพ p-h ดังรูป 9-5 จากแผนภาพนี้จะเห็นได้ว่า มีกระบวนการ 3 ใน 4 กระบวนการเป็นเส้นตรง และปริมาณความร้อนที่ถูกถ่ายโอนภายในเครื่องควบแน่นและเครื่องระเหย เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของเส้นของกระบวนการ<br />วัฏจักร ที่ได้มีการปรับปรุงให้ใกล้เคียงกับการปฏิบัติจริงให้เหมือนกระบวนการเมื่อ เปรียบเทียบกับวัฏจักรคาร์โนต์แล้วจะได้ว่าวัฏจักรการทำ ความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติไม่ได้เป็นวัฏจักรผันกลับได้แบบภายใน เพราะว่า วัฏจักรประกอบด้วยกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ 1 กระบวนการ คือ การขยายตัวในอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง ถ้าอุปกรณ์ตัวนี้ถูกแทนด้วยกังหันไอเซนโทรปิก สารทำความเย็นจะไหลเข้าเครื่องระเหยที่สภาวะที่ 4๋ แทนที่จะเป็น ที่ 4 ในรูป 9-3 ซึ่งมีผลทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น ซึ่งการวิเคราะห์อุปกรณ์ของวัฏจักรนี้ในลักษณะเป็นกระบวนการไหลที่คงตัวและ เนื่องจากการเปลี่ยนพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ของสารทำความเย็นโดยปกติแล้วมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับเทอมการถ่ายโอนความร้อน จึงไม่ต้องพิจารณา<br />ดังนั้นสมการอนุรักษ์พลังงานของระบบการไหลที่คงตัวได้เป็น<br />สมการที่ 4.6<br />และเราสามารถหาค่าสัมประสิทธ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็นและปั๊มความร้อนที่ทำงานลักษณะของวัฏจักรการทำความเย็นแบบไออัดตัวทางอุดมคติได้สมการดังนี้<br />สมการที่ 4.7<br />สมการที่ 4.8<br /> <br />ตัวอย่าง 1เครื่องทำน้ำแข็งทำงานตามวัฏจักรทำความเย็นไออัดตัวอุดมคติโดยใช้สารทำความเย็น R-12 เป็นของไหลทำงานไหลผ่านเข้าสู่เครื่องอัดในสถานะไออิ่มตัวที่ความดัน160kPและออกจากเครื่อง ควบแน่นในสถานะของเหลวอิ่มตัวที่ความดัน700kPa ส่วนน้ำถูกป้อนสู่เครื่องทำน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียสเพื่อผลิตน้ำแข็งและผลจากการทำความเย็นให้ได้น้ำแข็งที่มีอุณหภูมิ -5 องศาเซลเซียส จงคำนวณหากำลังที่ป้อนให้กับเครื่องทำน้ำแข็งนี้เพื่อผลิตน้ำแข็งในอัตรา 12 kg/h ( การทำน้ำที่มีอุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียสให้เป็นน้ำแข็งที่มีอุณหภูมิ -5 องศาเซลเซียสจะต้องถ่ายโอนความร้อนออกจากน้ำ 384 kJ/kg )<br />วิธีทำสภาวะที่1 ที่ไออิ่มตัวได้P1 = 160 kPa -------- h1 = hg@160kPa = 179.41 kJ/kgS1 = Sg@160kPa = 0.7076 kJ/kg.K <br />สภาวะที่ 2P2 = 0.7 MPa -------- h2 = 205.36 kJ/kgS2 = S1<br />สภาวะที่ 3 เป็นของเหลวอิ่มตัวP3 = 0.7 MPa -------- h3 = hf@0.7MPa = 62.29 kJ/kg<br />สภาวะที่ 4 เป็นกระบวนการทรอตลิ่ง<br />h4 h3 = 62.29 kJ/kg<br />ภาระของเครื่องทำความเย็นของเครื่องทำน้ำแข็ง QL = mice (h)ice= 12 kg/h [ 1h / 3600s ] (384 kJ/kg)= 1.28 kJ/s<br />อัตราการไหลเชิงมวลของสารทำความเย็นพิจารณาจากกระบวนการ 4-1Q41 - W41 = mR (h1 - h4) (W41 = 0) Q41 = QL = mR (h1 - h4) mR = Q / (h1 - h4)= 1.28 kJ/s / (179.41 - 62.29)kJ/kg= 0.01093 kg/s<br />กำลังที่ต้องป้อนให้แก่เครื่องทำน้ำแข็ง พิจารณากระบวนการ 1-2Q12 - W12 = mR (h2 - h1) (Q12 = 0) Win = - W12 = mR (h2 - h1)Win = (0.01093 kg/s)(205.36 - 179.41 kJ/kg)= 0.284 kW<br />รูปที่ 4.6 แผนภาพ T-s ของวัฏจักรในตัวอย่าง 1 <br />ตัวอย่าง 2เครื่องทำความเย็นใช้สารทำความเย็นR-12เป็นของไหลทำงานและทำงานในลักษณะ วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวแบบอุดมคติระหว่างความดัน 0.14 และ 0.8 MPa ถ้า อัตราการไหลเชิงมวลของสารทำความเย็นเท่ากับ 0.05 kg/s จงคำนวณหา<br />1. อัตราในการกำจัดความร้อนออกจากบริเวณทำความเย็นและกำลังที่ต้องป้อนให้กับ เครื่องอัด<br />2. อัตราในการถ่ายโอนความร้อนออกจากเครื่องทำความเย็นไปยังสิ่งแวดล้อม<br />3. ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็น <br />รูป 4.7 แผนภาพ T-s ของวัฏจักรการทำความเย็นแบบไออุดมคติตัวอย่าง2<br />แผน ภาพ T-s ของวัฏจักรการทำความเย็นได้แสดงดังรูป7ในวัฏจักรการทำความเย็น แบบไออัดตัวอุดมคติกระบวนการอัดเป็นกระบวนการไอเซนโทรปิกและสารทำความ เย็นจะไหลเข้าเครื่องอัดในสถานะไออิ่มตัวที่ความดันเท่ากันภายในเครื่อง ระเหยและ สารทำความเย็นจะไหลออกจากเครื่องควบแน่นในสถานะของเหลวอิ่มตัวที่ความดัน เท่ากับความดันภายในเครื่องควบแน่น<br />จากตารางR-12ค่าเอนทัลปีของสารทำความเย็นที่สภาวะทั้ง 4 มีค่าดังนี้คือ<br />P1 = 0.14 MPah1 = hg@0.14MPa = 177.87 kJ/kgS1 = Sg@0.14MPa = 0.7102kJ/kg.KP2 = 0.8 MPah2 = 208.65 kJ/kg (T2 = 43.5 ํC)P3 = 0.8 MPah3 = hf@0.8MPa = 67.3 kJ/kgh4 = h3 เพราะฉะนั้น h4 = 67.3 kJ/kg<br />1. อัตราในการกำจัดความร้อนออกจากบริเวณทำความเย็นและกำลังที่ต้องป้อนให้กับ เครื่องอัดสามารถคำนวณหาค่าดังนี้<br />QL = m(h1 - h4)= (0.05 kg/s) [(177.87 - 67.30)kJ/kg]= 5.53 kWANDWin = m(h2 - h1)= (0.05 kg/s) [(208.65 - 177.87)kJ/kg]= 1.54 kW<br />2. อัตราในการถ่ายโอนความร้อนออกจากเครื่องทำความเย็นไปยังสิ่งแวดล้อมหาได้จาก<br />QH = m(h2 - h3)= (0.05 kg/s)[(208.65 - 67.3)kJ/kg] = 7.07 kWORQH = QL + Win= 5.53 + 1.54= 7.07 kW <br />3. สัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็นคำนวณได้จาก<br />COPR = QL / Win= 5.53 kw / 1.54 kw= 3.59 <br />ที่กล่าวมาทั้งหมดนั้นหมายความว่าเครื่องทำความเย็นสามารถกำจัดพลังงานความร้อนออกจากบริเวณทำความเย็นด้วยอัตรา 3.59 kW ต่อการใช้งานไฟฟ้า 1 kW<br />
![วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติ<br />วัฏจักร แบบไออัดตัวอุดมคติ เป็นการพัฒนามาจากวัฏจักรคาร์โนต์ ให้เกิดการทำงานในทางปฏิบัติได้ใก้ลเคียงความเป็นจริงมากที่สุด โดยการปรับปรุงวัฏจักร คือ ทำการระเหยของสารทำความเย็นอย่างสมบูรณ์ก่อนที่จะอัดตัว และแทนกังหันด้วยอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง เครื่องปรับอากาศและเครื่องทำความร้อนนี้มีใช้กันอย่งกว้างขวางซึ่งประกอบ ด้วยกระบวนการต่าง ๆดังนี้ <br />กระบวนการ 1-2 การอัดตัวแบบไอเซนโทรปิกในเครื่องอัด<br />กระบวนการ 2-3 การคายความร้อนโดยความดันคงที่ในเครื่องควบแน่น<br />กระบวนการ 3-4 การขยายตัวในอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง <br />กระบวนการ 4-1 การดูดความร้อนในความดันคงที่ในเครื่องระเหย<br />จากวัฏจักรสารทำความเย็นไหลเข้าเครื่องอัดที่สภาวะที่ 1 ในสถานะไออิ่มตัวในแบบไอเซนโทรปิกจนความดันเท่ากับความดันในเครื่องควบแน่น ช่วงการอัดตัวแบบไอเซนโทรปิกอุณหภูมิของสารทำความเย็นจะสูงขึ้นกว่าอุณหภูมิกลางสิ่งแวดล้อม เช่น บรรยากาศ และไหลเป็นไอร้อนยิ่งยวดในสภาวะที่ 2 และออกจากเครื่องควบแน่นเป็นของเหลวอิ่มตัวในสภาวะที่ 3 เนื่องจากเป็นการคายความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิของสารทำความเย็นจึงสูงกว่าอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม <br />สารทำความเย็นในสภาวะของเหลวอิ่มตัวที่สภาวะที่ 3 ถูกบีบผ่านอุปกรณ์ที่เป็น ทรอตทลิ่ง จนกระทั่งความดันเท่ากับความดันของเครื่องระเหย ช่วงกระบวนการนี้ อุณหภูมิของสารทำความเย็นจะลดลง กว่าบริเวณทำความเย็นหลังจากนั้นสารทำความเย็นจะไหลเข้าเครื่องระเหย ที่สภาวะ 4 ในสถานะของผสมอิ่มตัว และไหลเข้าเครื่องอัดอีกครั้งหนึ่ง จนครบวัฏจักร<br />ในการวิเคราะห์ วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติ คือ แผนภาพ p-h ดังรูป 9-5 จากแผนภาพนี้จะเห็นได้ว่า มีกระบวนการ 3 ใน 4 กระบวนการเป็นเส้นตรง และปริมาณความร้อนที่ถูกถ่ายโอนภายในเครื่องควบแน่นและเครื่องระเหย เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของเส้นของกระบวนการ<br />วัฏจักร ที่ได้มีการปรับปรุงให้ใกล้เคียงกับการปฏิบัติจริงให้เหมือนกระบวนการเมื่อ เปรียบเทียบกับวัฏจักรคาร์โนต์แล้วจะได้ว่าวัฏจักรการทำ ความเย็นแบบไออัดตัวอุดมคติไม่ได้เป็นวัฏจักรผันกลับได้แบบภายใน เพราะว่า วัฏจักรประกอบด้วยกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้ 1 กระบวนการ คือ การขยายตัวในอุปกรณ์ทรอตทลิ่ง ถ้าอุปกรณ์ตัวนี้ถูกแทนด้วยกังหันไอเซนโทรปิก สารทำความเย็นจะไหลเข้าเครื่องระเหยที่สภาวะที่ 4๋ แทนที่จะเป็น ที่ 4 ในรูป 9-3 ซึ่งมีผลทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น ซึ่งการวิเคราะห์อุปกรณ์ของวัฏจักรนี้ในลักษณะเป็นกระบวนการไหลที่คงตัวและ เนื่องจากการเปลี่ยนพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ของสารทำความเย็นโดยปกติแล้วมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับเทอมการถ่ายโอนความร้อน จึงไม่ต้องพิจารณา<br />ดังนั้นสมการอนุรักษ์พลังงานของระบบการไหลที่คงตัวได้เป็น<br />สมการที่ 4.6<br />และเราสามารถหาค่าสัมประสิทธ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็นและปั๊มความร้อนที่ทำงานลักษณะของวัฏจักรการทำความเย็นแบบไออัดตัวทางอุดมคติได้สมการดังนี้<br />สมการที่ 4.7<br />สมการที่ 4.8<br /> <br />ตัวอย่าง 1เครื่องทำน้ำแข็งทำงานตามวัฏจักรทำความเย็นไออัดตัวอุดมคติโดยใช้สารทำความเย็น R-12 เป็นของไหลทำงานไหลผ่านเข้าสู่เครื่องอัดในสถานะไออิ่มตัวที่ความดัน160kPและออกจากเครื่อง ควบแน่นในสถานะของเหลวอิ่มตัวที่ความดัน700kPa ส่วนน้ำถูกป้อนสู่เครื่องทำน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียสเพื่อผลิตน้ำแข็งและผลจากการทำความเย็นให้ได้น้ำแข็งที่มีอุณหภูมิ -5 องศาเซลเซียส จงคำนวณหากำลังที่ป้อนให้กับเครื่องทำน้ำแข็งนี้เพื่อผลิตน้ำแข็งในอัตรา 12 kg/h ( การทำน้ำที่มีอุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียสให้เป็นน้ำแข็งที่มีอุณหภูมิ -5 องศาเซลเซียสจะต้องถ่ายโอนความร้อนออกจากน้ำ 384 kJ/kg )<br />วิธีทำสภาวะที่1 ที่ไออิ่มตัวได้P1 = 160 kPa -------- h1 = hg@160kPa = 179.41 kJ/kgS1 = Sg@160kPa = 0.7076 kJ/kg.K <br />สภาวะที่ 2P2 = 0.7 MPa -------- h2 = 205.36 kJ/kgS2 = S1<br />สภาวะที่ 3 เป็นของเหลวอิ่มตัวP3 = 0.7 MPa -------- h3 = hf@0.7MPa = 62.29 kJ/kg<br />สภาวะที่ 4 เป็นกระบวนการทรอตลิ่ง<br />h4 h3 = 62.29 kJ/kg<br />ภาระของเครื่องทำความเย็นของเครื่องทำน้ำแข็ง QL = mice (h)ice= 12 kg/h [ 1h / 3600s ] (384 kJ/kg)= 1.28 kJ/s<br />อัตราการไหลเชิงมวลของสารทำความเย็นพิจารณาจากกระบวนการ 4-1Q41 - W41 = mR (h1 - h4) (W41 = 0) Q41 = QL = mR (h1 - h4) mR = Q / (h1 - h4)= 1.28 kJ/s / (179.41 - 62.29)kJ/kg= 0.01093 kg/s<br />กำลังที่ต้องป้อนให้แก่เครื่องทำน้ำแข็ง พิจารณากระบวนการ 1-2Q12 - W12 = mR (h2 - h1) (Q12 = 0) Win = - W12 = mR (h2 - h1)Win = (0.01093 kg/s)(205.36 - 179.41 kJ/kg)= 0.284 kW<br />รูปที่ 4.6 แผนภาพ T-s ของวัฏจักรในตัวอย่าง 1 <br />ตัวอย่าง 2เครื่องทำความเย็นใช้สารทำความเย็นR-12เป็นของไหลทำงานและทำงานในลักษณะ วัฏจักรทำความเย็นแบบไออัดตัวแบบอุดมคติระหว่างความดัน 0.14 และ 0.8 MPa ถ้า อัตราการไหลเชิงมวลของสารทำความเย็นเท่ากับ 0.05 kg/s จงคำนวณหา<br />1. อัตราในการกำจัดความร้อนออกจากบริเวณทำความเย็นและกำลังที่ต้องป้อนให้กับ เครื่องอัด<br />2. อัตราในการถ่ายโอนความร้อนออกจากเครื่องทำความเย็นไปยังสิ่งแวดล้อม<br />3. ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็น <br />รูป 4.7 แผนภาพ T-s ของวัฏจักรการทำความเย็นแบบไออุดมคติตัวอย่าง2<br />แผน ภาพ T-s ของวัฏจักรการทำความเย็นได้แสดงดังรูป7ในวัฏจักรการทำความเย็น แบบไออัดตัวอุดมคติกระบวนการอัดเป็นกระบวนการไอเซนโทรปิกและสารทำความ เย็นจะไหลเข้าเครื่องอัดในสถานะไออิ่มตัวที่ความดันเท่ากันภายในเครื่อง ระเหยและ สารทำความเย็นจะไหลออกจากเครื่องควบแน่นในสถานะของเหลวอิ่มตัวที่ความดัน เท่ากับความดันภายในเครื่องควบแน่น<br />จากตารางR-12ค่าเอนทัลปีของสารทำความเย็นที่สภาวะทั้ง 4 มีค่าดังนี้คือ<br />P1 = 0.14 MPah1 = hg@0.14MPa = 177.87 kJ/kgS1 = Sg@0.14MPa = 0.7102kJ/kg.KP2 = 0.8 MPah2 = 208.65 kJ/kg (T2 = 43.5 ํC)P3 = 0.8 MPah3 = hf@0.8MPa = 67.3 kJ/kgh4 = h3 เพราะฉะนั้น h4 = 67.3 kJ/kg<br />1. อัตราในการกำจัดความร้อนออกจากบริเวณทำความเย็นและกำลังที่ต้องป้อนให้กับ เครื่องอัดสามารถคำนวณหาค่าดังนี้<br />QL = m(h1 - h4)= (0.05 kg/s) [(177.87 - 67.30)kJ/kg]= 5.53 kWANDWin = m(h2 - h1)= (0.05 kg/s) [(208.65 - 177.87)kJ/kg]= 1.54 kW<br />2. อัตราในการถ่ายโอนความร้อนออกจากเครื่องทำความเย็นไปยังสิ่งแวดล้อมหาได้จาก<br />QH = m(h2 - h3)= (0.05 kg/s)[(208.65 - 67.3)kJ/kg] = 7.07 kWORQH = QL + Win= 5.53 + 1.54= 7.07 kW <br />3. สัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องทำความเย็นคำนวณได้จาก<br />COPR = QL / Win= 5.53 kw / 1.54 kw= 3.59 <br />ที่กล่าวมาทั้งหมดนั้นหมายความว่าเครื่องทำความเย็นสามารถกำจัดพลังงานความร้อนออกจากบริเวณทำความเย็นด้วยอัตรา 3.59 kW ต่อการใช้งานไฟฟ้า 1 kW<br />](https://image.slidesharecdn.com/random-110828014227-phpapp02/85/-1-320.jpg)
