ระบบขนส่งทางราง

หลักการทำงานของระบบทำความเย็น

การทำความเย็นด้วยระบบที่ทำให้สารทำความเย็นระเหย (expendable refrigerant cooling system) เป็นแบบที่ใช้ได้ดีกับรถบรรทุกเพื่อการขนส่งอาหารที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำอยู่เสมอ หลักการทำงานของระบบทำความเย็นแบบนี้ง่ายมาก เพียงแต่ปล่อยให้สารทำความเย็นเหลวระเหยตัวเป็นไอภายในบริเวณหรือเนื้อที่ที่ต้องการทำความเย็น ซึ่งบริเวณเหล่านี้ต้องมีฉนวนกันความร้อนหุ้มโดยรอบ ขณะที่สารเปลี่ยนสถานะจะต้องการความร้อนแฝงทำให้อุณหภูมิในบริเวณนี้ลดต่ำลง สารทำความเย็นที่ใช้เป็นตัวกลางในการทำความเย็นในที่นี้จะใช้ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) ซึ่งเก็บในถังภายใต้ความดันประมาณ 14.6 kg/cm­^2 เมื่อปล่อยให้ไหลผ่านวาล์วควบคุม (liquid control valve) ก็จะลดความดันของไนโตรเจนเหลวลง แล้วเข้าตามท่อไปยังหัวฉีด ซึ่งจะฉีดไนโตรเจนเหลวให้เป็นฝอย เข้าไปยังบริเวณหรือเนื้อที่ที่ต้องการทำความเย็นโดยตรง ไนโตรเจนจะระเหยตัวดูดรับปริมาณความร้อน ทำให้บริเวณนี้มีอุณหภูมิลดต่ำลง

ระบบทำความเย็นด้วยการอัดไอ

            ระบบอัดไอเป็นระบบที่ทำให้เกิดความเย็นขึ้นได้โดยอาศัยการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆร่วมกันดังรูป โดยอุปกรณ์แต่ละตัวมีหน้าที่ดังนี้

            - คอมเพรสเซอร์ (compressor) ทำหน้าที่ดูดน้ำยาในสภาพที่เป็นไอจากเครื่องระเหย และอัดให้มีความดันสูงขึ้นจนสามารถส่งไปควบแน่นได้ที่คอนเดนเซอร์

            - คอนเดนเซอร์ (condenser)ทำหน้าที่ระบายความร้อนออกจากน้ำยาเพื่อควบแน่นเป็นของเหลวและส่งเข้ารีซีฟเวอร์

          - รีซีฟเวอร์ (receiver) ทำหน้าที่สะสมของเหลวที่ออกจากคอนเดนเซอร์เพื่อจ่ายให้กับเครื่องระเหยได้ตลอดเวลาในการทำงาน

            - ลิ้นลดความดัน (expansion valve หรือ refrigerant control)ทำหน้าที่ลดความดันของน้ำยาที่ออกจากคอนเดนเซอร์ เพื่อจ่ายให้กับเครื่องระเหย

            - เครื่องระเหย (evaporator)ทำหน้าที่ดูดความร้อนออกจากบริเวณรอบ ๆ เพื่อทำให้น้ำยาเปลี่ยนสถานะเป็นไอและทำให้บริเวณใกล้เคียงเย็นขึ้น

รูป  แสดงวงจรการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอ 

        วงจรการทำความเย็นแบบอัดไอ อาศัยสารทำความเย็น (Refrigerant)ซึ่งมีหลายชนิด แต่ทุกชนิดจะต้องมีคุณสมบัติเบื้องต้นเหมือนกันคือ สามารถเปลี่ยนสถานะได้ง่าย เช่น ที่นิยมใช้กันทั่วไปคือ R-12, R-22 หรือR-134a ซึ่งเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอได้ที่อุณหภูมิ -21.6 °F (-29.8 °C), -41.4 °F (-40.8 °C)และ -15.1 °F (-26.2 °C) ตามลำดับ ภายใต้ความดันบรรยากาศ

       การทำงานเริ่มที่คอมเพรสเซอร์จะดูดน้ำยาในสภาพที่เป็นไอจากเครื่องระเหยเข้าทางด้านดูด (Suction) ของคอมเพรสเซอร์ และอัดออกให้มีความดันสูงขึ้นและส่งออกทางด้านส่ง (discharge) ของคอมเพรสเซอร์เข้าคอนเดนเซอร์ น้ำยาภายใต้อุณหภูมิและความดันสูงนี้ เมื่อผ่านคอนเดนเซอร์จะถูกระบายความร้อนออกจนถึงจุดควบแน่น น้ำยาจะเปลี่ยนสถานะจากไอไปเป็นของเหลวตกลงด้านล่างของคอนเดนเซอร์และถูกส่งไปเข้ารีซีฟเวอร์ น้ำยาในสภาพที่เป็นของเหลวในรีซีฟเวอร์จะถูกส่งผ่านลิ้นลดความดันทำให้น้ำยาเกิดการขยายตัวความดันจะลดลงจนน้ำยาไม่สามารถคงสภาพเดิม (ของเหลว) จึงเปลี่ยนเป็นไอ การเปลี่ยนสถานะของน้ำยาจากของเหลวเป็นไอขณะออกจากลิ้นลดความดันและตลอดช่วงที่ผ่านเครื่องระเหยนี้ จะทำให้เกิดความเย็นขึ้นเนื่องจากของเหลวจะดูดความร้อนออกจากบริเวณรอบๆ ไปใช้เป็นความร้อนแฝงในการเปลี่ยนสถานะ ทำให้บริเวณรอบ ๆ เครื่องระเหยเกิดความเย็นขึ้น เมื่อน้ำยาผ่านเครื่องระเหยจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอหมดและถูกคอมเพรสเซอร์ดูดและอัดให้มีความดันสูงขึ้น หมุนเวียนเช่นนี้ตลอดไปโดยน้ำยาจะไม่สูญหาย จึงไม่จำเป็นต้องเติมน้ำยาเพิ่มเข้าไปในระบบอีก ถ้าไม่มีจุดที่น้ำยารั่วออกมา

หลักการทำงานของระบบทำความเย็นด้วยการใช้น้ำแข็ง

       การทำความเย็นโดยใช้น้ำแข็งอาศัยหลักการที่ว่าขณะที่น้ำแข็งหลอมละลายกลายเป็นน้ำจะดูดความร้อนจากอากาศรอบๆ ทำให้อากาศเย็นลงและมีความหนาแน่นสูงขึ้น จึงไหลลงสู่ตอนล่างของตู้เย็นไปดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหารหรือของที่แช่ภายในตู้เย็นอีกทีหนึ่ง อากาศเย็นเมื่อดูดรับปริมาณความร้อนจากอาหารหรือของที่แช่ภายในตู้เย็นแล้วจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและเบาจึงลอยตัวสูงขึ้นแล้วไปผ่านโดยรอบของน้ำแข็งทำให้น้ำแข็งหลอมละลาย เมื่อน้ำแข็งหลอมละลายหมดก็จะหยุดการทำความเย็น

            รูป  แสดงการทำงานของการทำความเย็นโดยใช้น้ำแข็ง 

หลักการทำงานของระบบทำความเย็นด้วยการใช้น้ำแข็งแห้ง

        ในการทำความเย็นโดยใช้น้ำแข็งแห้ง (dry ice refrigeration)นั้น จะใช้น้ำแข็งแห้งซึ่งทำจากคาร์บอนไดออกไซค์ที่อยู่ในสถานะของแข็งซึ่งถูกอัดขึ้นมาให้มีรูปร่างแตกต่างกันไป น้ำแข็งแห้งจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นแก๊ส ซึ่งเรียกว่าการระเหิด ที่ความดันบรรยากาศ โดยน้ำแข็งแห้งจะมีอุณหภูมิต่ำถึง -78.33 °C และดูดซับความร้อนและรักษาอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ เช่น ไอศกรีม ให้คงคุณภาพขณะทำการขนส่ง

หลักการทำงานของระบบทำความเย็นด้วยการระเหยตัวของน้ำ

        ขณะที่ของเหลวระเหยตัวเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอจะดูดรับความร้อนแฝง จากหลักการดังกล่าวจึงนำมาสู่การออกแบบการระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์ของเครื่องปรับอากาศ ซึ่งเรียกว่าเป็น คอนเดนเซอร์แบบอิวาพอเรตีป (evaporative condenser) คอนเดนเซอร์แบบนี้อาศัยทั้งการระเหยตัวของน้ำและอากาศช่วยกันในการระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์โดยการฉีดพ่นน้ำให้เป็นฝอยผ่านลงบนคอนเดนเซอร์ ในขณะเดียวกันก็ใช้พัดลมช่วยเป่าระบายความร้อน ละอองน้ำที่กระทบกับคอนเดนเซอร์บางส่วนจะระเหยดูดความร้อน ช่วยให้การระบายความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์มีผลดีขึ้น

หลักการทำงานของระบบทำความเย็นด้วยการใช้เทอร์โมอิเล็กทริก

       การถ่ายเทพลังงานความร้อนจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งโดยใช้อิเล็กตรอนเป็นหลักการของเทอร์โมอิเล็กตริก โดยนำเอาวัตถุกึ่งตัวนำ(semi-conductor) สองชนิดมาตรึงปลายติดกัน แล้วต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ในที่นี้สมมุติให้เป็นP และ N เนื่องจากวัตถุกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดมีค่าระดับพลังงานไม่เท่ากัน เมื่อถูกผ่านด้วยกระแสไฟฟ้ากระแสตรงแล้วจะทำให้ปลายที่ตรึงติดกันเย็นและปลายที่เหลือจะร้อน ส่งผลให้ภายในบริเวณที่ต้องการทำความเย็นมีการดูดรับความเย็นและคายความร้อนออกมาภายนอก

หลักการทำงานของระบบทำความเย็นสตีมเจ็ต

       การทำความเย็นในระบบสตรีมเจ็ต (steam jet refrigeration) ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการทำความเย็น การทำงานของระบบอาศัยหลักการที่ว่าเมื่อลดความดันที่ผิวหน้าของน้ำที่อยู่ในภาชนะที่ปิดมิดชิดแล้ว น้ำนั้นจะสามารถระเหยตัว เปลี่ยนสถานะเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำ ๆ บางครั้งต่ำถึง4.44 – 10 °C จากการศึกษาทางทฤษฎีพบว่าภายใต้ความดันสูญญากาศหรือที่ความดัน 0.893 kg/cm^2จุดเดือดของน้ำจะอยู่ที่ 4.44 °C หลักการทำงานของระบบสตีมเจ็ตแสดงไว้ในรูปที่ 7 ไอน้ำซึ่งเป็นผลพลอดได้จากจากการทำงานของหม้อไอน้ำ แทนที่จะปล่อยทิ้งโดยเปล่าประโยชน์ จะถูกส่งเข้าทางท่อไอน้ำ เพื่อฉีดผ่านหัวฉีดไอน้ำด้วยความเร็วสูง ทำให้ความดันที่ผิวหน้าของน้ำในอีวาพอเรเตอร์ลดลง และสามารถระเหยตัวกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำ ดูดรับปริมาณความร้อนทำให้น้ำที่เหลือในอีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำลงด้วย น้ำเย็นนี้มีอุณหภูมิประมาณ 4.44 – 21.1 °C จะถูกปั้มให้หมุนเวียนเข้าไปทำความเย็นให้แก่บริเวณที่ต้องการทำความเย็น และจะถูกส่งกลับเข้ามาฉีดเป็นฝอยในอีวาพอเรเตอร์อีกครั้งหนึ่ง ละอองน้ำบางส่วนจะถูกระเหยตัวทำให้น้ำที่เหลือในอีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำอยู่ตลอดเวลา

หลักการทำงานของระบบทำความเย็นแอบซอร์ปชัน (absorption chiller)

       Absorption chiller เป็นระบบทำความเย็นที่อาศัยพลังงานความร้อนในการขับเครื่องทำความเย็นให้ทำงาน โดยความร้อนที่ป้อนให้ absorption chiller โดยมากจะอยู่ในรูปของไอน้ำ น้ำร้อน หรือก๊าซร้อนซึ่งเป็นพลังงานคุณภาพต่ำ

      Absorption chiller มีส่วนประกอบที่สำคัญคือ generator, condenser, evaporator, absorber, expansion valve และสารทำงานซึ่งเป็นสารคู่ผสมระหว่าง สารทำความเย็น (กรณีนี้ใช้น้ำบริสุทธิ์เป็นสารทำความเย็น) และสารดูดกลืน (สาร Li-Br) มีหลักการทำงานเริ่มต้นจาก generator รับความร้อนจากภายนอกทำให้สารทำความเย็นเดือดกลายเป็นไอแยกออกจากสารดูดกลืน สารทำความเย็นจะมากลั่นตัวที่condenser อุณหภูมิประมาณ 40 °C – 50 °C เพื่อกลับเป็นของเหลวแล้วไหลผ่านเอ๊กซ์แพนชันวาล์ว (expansion valve) ไปสู่evaporator สารทำความเย็นดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเพื่อใช้เป็นความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่อุณหภูมิประมาณ 5 °C (ความดันประมาณ 6 mm.Hg) จากนั้นไอของสารทำความเย็นจะถูกดูดกลืนด้วยสารดูดกลืนที่ไหลผ่าน expansion valve มาจาก generator ผสมเป็นของเหลวในตัวดูดกลืน absorber ซึ่งเป็น ปฏิกิริยาคายความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม จากนั้นจะถูกสูบโดยปั๊มเพื่อให้ความดันสูงขึ้นเป็น 75 mm.Hg ไปยังเจนเนอเรเตอร์ (generator) เพื่อรับความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนต่อไป

มอเตอร์ดีซีไร้แปลงถ่านBrushless DC Motor (BLDC)

อีซีมอเตอร์ (EC MOTOR-Electronically Commutated) เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่จัดแปลงกระแสไฟฟ้าโดยระบบอิเลกโตรนิกจัดเป็นมอเตอร์ดีซีไร้แปลงถ่าน (Brushless DC Motor-BLDC)ชนิดหนึ่ง

 รูปอีซีมอเตอร์
ในระบบทำความเย็นโดยทั่วไป นิยมใช้มอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล(SHADED POLE) หรือที่เรียกสั้นๆว่า คิวมอเตอร์ เหตุที่นิยมก็เนื่องจากมีราคาถูก เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก

รูปมอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล
              อีซีมอเตอร์ที่ผลิตอยู่ในปัจจุบันมีหลายรูปแบบ เหมาะสมกับระบบเครื่องทำความเย็นที่จำเป็นต้องใช้อยู่ในจุดต่างๆ
              ข้อดีของอีซีมอเตอร์ พอกล่าวได้ดังนี้
              1. ประสิทธิภาพสูง เมื่อใช้ทดแทนมอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล ที่ใช้กับคอนเด็นเซอร์ ประหยัดค่าไฟฟ้า คุ้มค่ากับการลงทุน
              2. อีซีมอเตอร์ บางรุ่นที่ใช้กับคอนเด็นเซอร์ จะหมุนกลับทางเมื่อคอมเพรสเซอร์หยุด ช่วยไล่ฝุ่นที่คอยล์
              3. เมื่อใช้อีซีมอเตอร์ในชุดคอยล์เย็น ความร้อนที่เกิดจากตัวมอเตอร์ต่ำกว่า มอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล คอมเพรสเซอร์ ทำงานน้อยลง ระบบโดยรวมยิ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้น
              4. ความเร็วรอบของ อีซีมอเตอร์ คงที่ ไม่ผันแปรตามความต่างศักย์ไฟฟ้าเหมือน มอเตอร์แบบเชดเด็ดโพล การทำงานของ ระบบสารทำความเย็นจึงเสถียรกว่า
              5. อีซีมอเตอร์บางรุ่น ถูกออกแบบให้มี่ความเร็วรอบคงที่มาก ไม่เกิดเสียงรบกวนเมื่อมีการใช้งานมอเตอร์หลายตัวพร้อมๆกัน

                                                                               

ดี.ซี.มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน(Brushless DC Motors)

                มอเตอร์ดี.ซี.ชนิดนี้จะนำไปใช้ในที่ที่มีอันตราย ปราศจากการเกิดประกายไฟที่แปรงถ่านสัมผัสกับซี่ของคอมมิวเตเตอร์ นำไปประยุกต์ใช้กับงานที่ขับเคลื่อนด้วยความเร็วคงที่ เช่น ขับเคลื่อนในฮาร์ดดิสก์มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีโครงสร้างประกอบด้วยตัวอยู่กับที่เป็นขดลวดอาร์เมเจอร์ ส่วนตัวที่เคลื่อนที่เป็นขั้วแม่เหล็กถาวรและที่ขดลวดอาร์เมเจอร์จะต่อเชื่อมเข้ากับวงจรสวิตช์ชิงอิเล็กทรอนิกส์เป็นผลทำให้ทิศทางการไหลของกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์เกิดการเปลี่ยนแปลงตามความถี่ของการสวิตซ์ของทรานซิสเตอร์กำลัง ทำให้โรเตอร์ที่เป็นแม่เหล็กถาวรหมุนตามการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่ขดลวดอาร์เมเจอร์ ส่วนตำแหน่งในการตรวจจับที่เพลาจะใช้ในตอนเริ่มต้นเพื่อให้ได้เวลาในการสวิตช์ที่มีความเหมาะสม ซึ่งวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กับมอเตอร์ ดี.ซี.แบบไร้แปรงถ่านเป็นส่วนที่มีความยุ่งยากซับซ้อนพอสมควร อย่างไรก็ตามหลักการทำงานโดยทั่วไปของมอเตอร์ดี.ซี.แบบไร้แปรงถ่านซึ่งแสดงให้เห็นได้ดังรูปที่ 1

ก.โครงสร้างของมอเตอร์

ข.วงจรควบคุมการขับเคลื่อน

ค.กราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็วรอบ

รูปที่ 1 มอเตอร์ดี.ซี.แบบไร้แปรงถ่าน

                จากรูปที่ 1 ข. เป็นระบบการควบคุมมอเตอร์ดี.ซี.แบบไร้แปรงถ่านชนิด 3 เฟส ซึ่งประกอบด้วยที่สเตเตอร์มีขดลวดอาร์เมเจอร์จำนวน 3 ชุด โดยได้รับการกระตุ้นจากวงจรขับเคลื่อนอิเล็กทรอนิกส์และมีสัญญาณตรวจจับตำแหน่งอยู่ที่เพลา ซึ่งโครงสร้างของมอเตอร์ดี.ซี.แบบไร้แปรงถ่านมีลักษณะคล้ายกันกับของมอเตอร์ซิงโครนัสจำนวนขั้วแม่เหล็กของขดลวดอาร์เมเจอร์ที่สเตเตอร์จะถูกกำหนดตามจำนวนขั้วของแม่เหล็กถาวรของโรเตอร์ คุณลักษณะของแรงบิดและความเร็วรอบที่ได้เกิดจากการควบคุมขนาดกระแสของขดลวดอาร์เมเจอร์และเวลาในการสวิตช์ของชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์  ซึ่งมอเตอร์ชนิดนี้จะให้ความเร็วรอบที่คงที่ เมื่อเปรียบเทียบกับแรงบิดที่เปลี่ยนแปลงสังเกตได้จากกราฟรูปที่ 1 ค.

เอกสารอ้างอิง

1.Peter F. Ryff1994. ELECTRIC MACHINERY. USA. PRENTICE-HALL,INC

2.WWW.O-digital.Com

3.WWW.Datasheetdir.Com