ฮีตปั๊ม:น้ำร้อนน้ำเย็นอุตสาหกรรม

ปัจจุบันสารทำความเย็นใหม่ทดแทนสารทำความเย็นเดิมที่ถูกยกเลิกเนื่องจากปัญหาโลกร้อน และมีผลิตภัณฑ์คอมเพรสเซอร์รุ่นใหม่สำหรับสารทำความเย็นใหม่ออกจำหน่าย R1234zeสามารถให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงสุดได้ 90-95 ซ. จึงสามารถใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมได้อย่างมาก

งานอุตสาหกรรมใช้ทั้งความร้อนและความเย็นในกระบวนการผลิตและอื่นๆ ความร้อนอาจใด้จากไฟฟ้า การเผาไหม้เชิ้อเพลิงโดยตรงหรือผ่านอุปกรณ์เช่นหม้อไอน้ำหรือหม้อน้ำร้อน ส่วนความเย็นต้องใช้เครื่องทำความเย็นเพียงอย่างเดียว แต่ฮีตปั๊มให้ทั้งความร้อนและความเย็นโดยใช้ไฟฟ้าเพียงส่วนหนึ่งของความร้อนที่ได้ ทำให้ฮีตปั๊มเป็นอุปกรณ์เดียวที่ให้ความร้อนและความเย็นได้มากกว่าไฟฟ้าที่ใช้ 3-4 เท่า ซึ่งอุปกรณ์อื่นๆที่ให้ความร้อนจะปรับปรุงอย่างไรประสิทธิภาพก็ไม่ถึง100%

สารทำความเย็น

R-134a เป็นสารทำความเย็นที่ใช้สำหรับงานฮีตปั๊ม มีค่า GWP100 (Global Warming Potential 100yr.) 1300เท่าของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากปัญหาโลกร้อนจึงถูกกำหนดให้จำกัดการผลิตและจะยกเลิกการผลิตในที่สุด EPA กำหนดให้เลิกผลิตเครื่องทำน้ำเย็นที่ใช้ R134a ในเดือนมกราคม 2024 และในปัจจุบันสารทำความเย็นใหม่ที่ใช้กับฮีตปั๊มคือ R1234ze ซึ่งเปรียบเทียบคุณสมบัติกับสารทำความเย็นอื่นๆในตารางที่ 1.

ตารางที่ 1.เปรียบเทียบคุณสมบัติของสารทำความเย็น

R1234yf อยู่ในกลุ่ม hydro fluoro olefins (HFO) ซึ่งเป็น unsaturated HFCs ซึ่งมี chemical double bond. มีค่า GWP100ปีเพียง 4 และเมื่ออยู่ในบรรยากาศจะสลายตัวในเวลา 0.031ปีเท่านั้น แต่เสถียรเมื่อใช้ในแอร์รถยนต์ ติดไฟได้(ทดสอบตามASTM681)แต่ต้องใช้พลังงานเพื่อการติดไฟหรือติดไฟได้ยาก จึงจัด ตามISO 817 ซึ่งติดไฟยากกว่า R152

R1234ze อยู่ในกลุ่มเดียวกับ R1234yf ต่างกันที่โครงสร้าง ปัจจุบันใช้สำหรับการเป่าทำโพลียูลีเทนโฟม และสามารถใช้เป็นสารทำความเย็นได้ GWP100ปีเพียง 7 และสลายตัวในเวลา 0.038ปีในบรรยากาศ ในSafety data sheetระบุว่าไม่ติดไฟแต่ที่อุณหภูมิ >60 ซ.พบว่าติดไฟได้จึงจัดอยู่ในกลุ่มความปลอดภัย2L R1234ze และ R1234yf มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับ R134a

R1234ze มีความสามารถการทำความเย็นโดยปริมาตรน้อยกว่า R134a หรือ R1234yf ประมาณ 20% และมีจุดเดือด -19 ซ. สูงกว่าสารทำความเย็นอื่นๆ เนื่องจากมีราคาถูกและจากตารางที่ 1.R1234ze มีอุณหภูมิวิกฤติสูงกว่า R134a และ R1234yf และมีความดันอิ่มตัวต่ำสุดจึงถูกเลือกให้ใช้ทดแทน R134a เหมาะสำหรับงานฮีตปั๊มที่ต้องการอุณหภูมิสูง อุณหภูมิของก๊าซ R1234ze ที่ออกจากคอมเพรสเซอร์ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ 111.25 ซ. อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงสุดที่ผู้ผลิตยอมให้ใช้คือ 95 ซ.

รูปที่ 1.ความดันอิ่มตัวและอุณหภูมิจองสารทำความเย็นในตารางที่ 1.

การทำงานของฮีตปั๊ม

รูปที่ 2. แสดงวงจรการทำงานของสารทำความเย็นของฮีตปั๊ม ซึ่งโดยพื้นฐานประกอบด้วยอุปกรณ์เหมือนเครื่องทำน้ำเย็นแบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ประกอบด้วยคอยล์ร้อน(Condenser) เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์(Expansion valve) คอยล์เย็น(Evaporator) และคอมเพรสเซอร์(Compressor)

รูปที่ 2.อุปกรณ์และการทำงานชองฮีตปั๊มผลิตน้ำร้อนและน้ำเย็น

ความร้อนที่ได้จากฮีตปั๊มเท่ากับความเย็นที่คอยล์เย็นทำได้รวมกับพลังงาบที่คอมเพรสเซอร์ใช้ ความเย็นที่ได้จึงน้อยกว่าความร้อนจากฮีตปั๊ม แต่งานส่วนใหญ่ต้องการความเย็นมากกว่าความร้อนจึงต้องเพิ่มคอยล์ร้อนเสริม(Auxiliary condenser)เพื่อเพิ่มความเย็นตามรูปที่ 3.ซึ่งใช้อากาศ อากาศที่ลดอุณหภูมิด้วนแผ่นเซลลูโลส หรือน้ำนอกระบบเพื่อระบายความร้อนเพิ่มขึ้นจากคอยล์ร้อน

รูปที่ 3.อุปกรณ์และการทำงานชองฮีตปั๊มผลิตน้ำร้อนและน้ำเย็นซึ่งเพิ่มคววามเย็นด้วยคอยล์ร้อนเสริม

รูปที่ 4.อุปกรณ์เพื่อปรับการทำงานของฮีตปั๊ม ซึ่งสามารถสรุปวิธีปรับการทำงานของฮีตปั๊มให้เหมาะสมกับความความร้อนและความเย็นที่ต้องการมีดังต่อไปนี้

– สามารถปรับความร้อนจากคอยล์ร้อนด้วยการใช้ปรับลดการระบายความร้อนที่คอยล์ร้อนด้วยการลดอัตราการไหลของน้ำเข้าคอยล์ร้อนหรือแบ่งสารทำความเย็น R1234ze ให้ผ่านคอยล์เย็นน้อยลงโดยลัดมาเข้าที่คอยล์ร้อนเสริม ทั้งนี้ต้องควบคุมให้สารทำความเย็นเข้าเอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์เป็นของเหลว

– สามารถปรับความเย็นจากคอยล์เย็นด้วยการปรับค่า Sub-cooled ของสารทำความเย็นด้วยการปรับการไหลของตัวกลางระบายความร้อนของคอยล์ร้อนเสริม

– เมื่อความเย็นต้องการน้อยลงจนอาจมีปัญหากับเครื่องสามารถใช้ hot gas bypass ลัดไอสารทำความเย็นก่อนเข้าคอยล์ร้อน

รูปที่ 4.อุปกรณ์เพื่อปรับการทำงานของฮีตปั๊ม

เมื่อต้องการน้ำร้อน 60 ซ.

เมื่อใช้สารทำความเย็น R1234ze ต้องการน้ำร้อน 60 ซ.อุณหภูมิคอยล์ร้อนใช้ 63 ซ. ความดันด้านคอยล์เย็นสามารถใข้อุณหภูมิต่ำสุด -25 ซ. แต่ควรให้อุณหภูมิคอยล์เย็นมากกว่า -15 ซ. เพื่อให้ความดันภายในคอยล์เย็นสูงกว่าบรรยากาศ ป้องกันอากาศรั่วเข้าในระบบซึ่งจะทำให้การถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์ลดลงและต้องมีอุปกรณ์ไล่อากาศเพิ่มขึ้น

น้ำเย็นในงานปรับอากาศมีอุณหภูมิ 7 ซ.ควรใช้อุณหภูมิคอยล์เย็น 4-5 ซ.เพื่อการดึงความชื้น แต่อุณหภูมิน้ำเย็นในงานอุตสาหกรรมอาจสูงขึ้นถึง 16 ซ. คอยล์เย็นจึงใช้อุณหภูมิสูงขึ้นทำให้ได้ความเย็นมากขี้นและประสิทธิภาพการทำความเย็นมากขึ้น

อุณหภูมิคอยล์ร้อน 63 ซ. ระบายความร้อนด้วยอากาศอุณหภูมิ 35 ซ. สามารถระบายความร้อนจากคอยล์ร้อนเสริมทำให้อุณหภูมิ R1234ze เข้าเอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ลดลงเป็น 45 ซ.(SC, Sub-cooled 18 ซ.) และถ้าใช้น้ำระบายความร้อนจะได้อุณหภูมิต่ำลงได้อีก คอยล์เย็นจึงสามารถทำความเย็นเพิ่มขึ้นตามรูปที่ 3.ด้านขวาโดยที่ความร้อนจากคอยล์ร้อนที่ได้มีค่าเท่าเดิม

ตารางที่ 2.แสดงผลการคำนวณการทำงานฮีตปั๊มข้างต้นโดยใช้คอมเพรสเซอร์รุ่นหนึ่งซึ่งใช้สารทำความเย็น R1234ze คอลั่ม Aเมื่อให้สารทำความเย็นเข้าเป็นเอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์เป็นของเหลวอิ่มตัว Bเมื่อสารทำความเย็นมีsub-cooled 5 ซ. Cเมื่อสารทำความเย็นมี sub-cooled 18 ซ. Dเมื่อสารทำความเย็นมี sub-cooled 23 ซ. Eเมื่อตัดการทำงานของคอยล์ร้อน และFเมื่อหรี่การทำงานของคอยล์ร้อนและคอยล์ร้อนเสริม

เมื่อปรับการระบายความร้อนของคอยล์ร้อนเสริมเพื่อควบคุมความเย็นCOPความร้อนและความเย็นรวม 5.74-6.45 สามารถประหยัดพลังงานได้มาก ในขณะเมื่อปรับอัตราการระบายความร้อนเพื่อควบคุมความร้อน COPความร้อนและความเย็นรวมจะลดลงมาเหลือ 2.37-5.74 จึงควรหลีกเลี่ยงโดยใช้การติดตั้งเป็นหลายชุดและปรับความร้อนด้วยการปิดเปิดจำนวนฮีตป็มตามความต้องการแทน

ตารางที่ 2.แสดงการทำงานของฮีตปั๊มทำน้ำร้อนและน้ำเย็นที่อุณหภูมิคอยล์ร้อน 63 ซ.อุณหถูมิคอยล์เย็น 5 ซ

เมื่อต้องการน้ำร้อน 90 ซ.ขึ้นไป

จากอุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงสุดคือ 95 ซ.น้ำร้อนอุณหภูมิสูงสุดที่ทำได้คือ 90-93 ซ. อุณหภูมิอากาศภายนอก 35 ซ. สามารถใช้ระบายความร้อนจากคอยล์ร้อนเสริมทำให้อุณหภูมิ R1234ze เข้าเอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ลดลงเป็น 45 ซ.(SC, Sub-cooled 50 ซ.) และถ้าใช้น้ำระบายความร้อนจะได้อุณหภูมิต่ำลงอีกด้วย คอยล์เย็นจึงสามารถทำความเย็นเพิ่มขึ้นโดยที่ความร้อนจากคอยล์ร้อนที่ได้มีค่าเท่าเดิม

ตารางที่ 3.แสดงผลการคำนวณการทำงานฮีตปั๊มข้างต้น Aเมื่อให้สารทำความเย็นเข้าเป็นเอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์เป็นของเหลวอิ่มตัว Bเมื่อสารทำความเย็นมีsub-cooled 5 ซ. Cเมื่อสารทำความเย็นมี sub-cooled 50 ซ. Dเมื่อสารทำความเย็นมี sub-cooled 55 ซ. Eเมื่อตัดการทำงานของคอยล์ร้อน และFเมื่อหรี่การทำงานของคอยล์ร้อนและคอยล์ร้อนเสริม

เมื่อปรับการระบายความร้อนของคอยล์ร้อนเสริมเพื่อควบคุมความเย็นCOPความร้อนและความเย็นรวม 2.52-3.84 สามารถประหยัดพลังงานได้น้อยลงมาก ในขณะเมื่อปรับอัตราการระบายความร้อนเพื่อควบคุมความร้อน COPความร้อนและความเย็นรวมจะลดลงมาเหลือ 0.76-2.52 จึงควรหลีกเลี่ยงการใช้ทำน้ำร้อนอุณหภูมิ 90 ซ.และน้ำเย็น 7 ซ.เพื่อให้ระยะเวลาการคืนทุนเร็วที่สุดควรออกแบบเพื่อใช้เฉพาะ D จะต้องออกแบบติดตั้งเป็นฮีตปั๊มหลายชุดและปรับความร้อนด้วยการปิดเปิดจำนวนฮีตปั๊มตามความต้องการด้านความร้อนแทนการปรับการทำงานของเครื่อง

ตารางที่ 3.การทำงานของฮีตปั๊มทำน้ำร้อนและน้ำเย็นอุณหภูมิคอยล์ร้อน 95 ซ.อุณหถูมิคอยล์เย็น 5 ซ.

เพื่อให้ระยะเวลาคืนทุนเร็วขึ้น ควรใช้คอยล์เย็นดึงความร้อนสูญเสียที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นเช่นน้ำระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็น ซึ่งมีอุณหภูมิน้ำเข้า 32 ซ. ถ้าใช้คอยล์เย็นของฮีตปั๊มลดอุณหภูมิน้ำระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นได้ก็จะทำให้ COPของเครื่องทำน้ำเย็นสูงขึ้น ฮีตปั๊มชุดเดิมใช้คอยล์ร้อนอุณหภูมิ 95 ซ.อุณหภูมิคอยล์เย็น 25 ซ.มีการทำงานตามตารางที่ 4.

เนื่องจากด้านความเย็นใช้สำหรับการระบายความร้อนหรือใช้ความร้อนสูญเสียจึงไม่ได้ผลประโยชน์จากด้านเย็น ความร้อนแม้จะมี COP สูงขึ้นก็อาจได้ผลไม่เท่ากับการใช้ทั้งด้านเย็นและด้านร้อนตารางที่ 3. COP ความร้อน 2.5

ตารางที่ 4.การทำงานของฮีตปั๊มทำน้ำร้อนและน้ำเย็นmที่อุณหภูมิคอยล์ร้อน 95 ซ.อุณหถูมิคอยล์เย็น 27 ซ.

บทส่งท้าย

ฮีตปั๊มสำหรับงานน้ำร้อน คุ้มค่าการลงทุนเร็วเมื่อใช้ทั้งน้ำร้อนอุณหภูมิ 60 ซ.และน้ำเย็นอุณหภูมิ 7 ซ. การออกแบบให้มีคอยล์ร้อนเสริมทำให้ได้ความเย็นมากขี้น และควรใช้ฮีตปั๊มหลายชุดและปรับความร้อนด้วยการปิด-เปิดจำนวนฮีตปั๊มตามความต้องการด้านความร้อนแทนการปรับการทำงานของเครื่อง

สำหรับงานอุณหภูมิสูงขึ้นต้องศึกษาให้ละเอียดยิ่งขึ้น ประสิทธิภาพของฮีตปั๊มลดลง ใช้ไฟฟ้ามากขึ้น แต่การใช้แหล่งความร้อนอื่นก็มีค่าใช้จ่ายมากขื้นเช่นกัน การใช้ทั้งน้ำร้อนและน้ำเย็นได้พร้อมกันจะมีผลตอบแทนดีที่สุด การใช้เฉพาะน้ำร้อนอุณหภูมิสูงโดยใช้คอยล์เย็นดึงความร้อนสูญเสียจากแหล่งอื่นทำให้ได้ประสิทธิภาพความร้อนมากขึ้นแต่อาจได้ผลตอบแทนน้อยกว่าการใช้น้ำร้อนและน้ำเย็นพร้อมกันก็เป็นได้

การทำโครงการฮีตปั๊มสำหรับงานอุตสาหกรรมจึงต้องศึกษารายละเอียดแนวทางในการใช้ทั้งความร้อนและความเย็น คำนวณความเป็นไปได้เบื้องต้นในการใช้แนวทางต่างๆ แล้วจึงออกแบบระบบฮีตปั๊มให้เหมาะสมสำหรับแนวทางที่ดีที่สุดและค่าใช้จ่ายต่างๆของโครงการ