ปัจจุบันการดำเนินชีวิตของเรามีสิ่งอำนวยความสะดวกเข้ามามากมาย ไม่ว่าจะเป็นการคมนาคม ไอที หรือเทคโนโลยีต่าง ๆ และสิ่งที่เข้ามามีบทบาทกับเราอีกอย่างหนึ่งก็คือ ระบบทำความเย็นที่มีการใช้ภายในบ้าน ที่ทำงาน ห้างสรรพสินค้า รถยนต์หรือแม้กระทั่งรถสาธารณะต่าง ๆ ทำให้เราเย็นซึ่งสวนทางกับอุณหภูมิที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ แต่รู้หรือไม่ระบบทำความเย็นที่เราใช้นั้นมีหลากหลาย ไม่ว่าจะเป็น CRAC (Computer room air conditioning) ที่มีการใช้สารทำความเย็นภายในระบบเป็นหลัก หรือแม้กระทั่ง CRAH (Computer room air handler) ที่มีระบบผลิตน้ำเย็น (Chiller, tower cooling) เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนกับสารทำความเย็นอีกที
สารทำความเย็นจะมีหน้าที่ดูดซับความร้อนกับอากาศภายในห้องทำให้ห้องเย็นขึ้น หลังจากนั้นจะคายความร้อนที่ดูดซับจากห้องออกสู่บรรยากาศด้านนอก ดังรูปที่ 1 ซึ่งจะมีการดูดความร้อนจากห้องผ่านกระบวนการที่เรียกว่า Evaporation จากนั้นอากาศภายในห้องจะเย็นขึ้น เมื่อเสร็จแล้วสารทำความเย็นที่ดูดความร้อนเข้ามาจะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอและเกิดการควบแน่นและคายความร้อนออกไปเรียกกระบวนการนี้ว่า Condensation ที่จะทำให้สารทำความเย็นนั้นเกิดการเปลี่ยนสถานะกลับมาเป็นของเหลวเช่นเดิม และจะถูกขยายปริมาตรในกระบวนการที่เรีกยว่า Expansion ดังรูปที่ 1
รูปที่ 1 กระบวนการดูด-คายซับของสารทำความเย็น
สารทำความเย็นเหล่านี้นอกจากจะใช้ทำความเย็นในเครื่อง Freezer และ Dryer สามารถประยุกต์ใช้ใน High-temperature heat pumps ช่วยผลิตความร้อน และใน Organic Rankine Cycle (e.g. Binary cycle) เพื่อใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้อีกด้วย รวมถึงสารทำความเย็นบางตัวสามารถใช้ในการล้างคราบไขมันในพวกชิ้นส่วนโลหะ ชิ้นส่วนเครื่องบินได้อีกด้วย หรือแม้กระทั่งใช้เป็น Blowing agent ได้อีกด้วย (ต้องดูชนิดของสารให้เหมาะสมกับอุณหภูมิที่ใช้งาน) การผลิตสารทำความเย็นเหล่านี้ต้องมีการใช้สารตั้งต้นเพื่อผลิต ซึ่งวันนี้จะมาพูดถึงกระบวนการผลิตสารทำความเย็นของ TCE และ PCE ให้เป็น R-134a [1]
R-134a หรือ 1,1,1,2-Tetrafluoroethane น้ำยาแอร์ 134a อยู่ในกลุ่มสารทำความเย็นประเภท HFC โดยมาแทนสารตระกูลคลอโรฟลูออโรคาร์บอน chlorofluorocarbons (CFCs และไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) นิยมใช้กันมากในระบบปรับอากาศและทำความเย็น ด้วยคุณสมบัติที่ไม่ทำลายชั้นโอโซนแต่อย่างไรก็ตามค่าศักยภาพที่ทำให้โลกร้อนจัดอยู่ในค่าที่ค่อนข้างสูง อย่างไรก็ตามรัฐบาลเริ่มมีการส่งเสริมให้ใช้สารที่มีศักยภาพในที่ทำให้โลกร้อนน้อยและไม่ทำลายชั้นโอโซนบ้างแล้ว โดยให้หันไปใช้สารที่เป็นตระกูลไฮโดรฟลูออโรโอเลฟินส์แทน (Hydrofluoro olefins, HFOs) เพื่อเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการลดภาะวะโลกร้อน
TCE เป็นสารที่ระเหยได้ ไม่มีสีและกลิ่น, สามารถทำความสะอาดโลหะ กำจัดคราบไขมันและใช้กันอย่างหลากหลายในผลิตภัณฑ์ทำความสะอาดภายในบ้าน เป็นตัวทำละลายในกาวและสีอีกด้วย นอกจากนี้ตัว TCE ยังสามารถใช้ผลิตสารทำความเย็นพวกไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน (Hydrofluorocarbon, HFCs) โดยกระบวนการผลิตสารทำความเย็น R-134a จะแบ่งออกเป็น 2 กระบวนการ ดังรูปที่ 2 ผ่านการเร่งปฏิกิริยาของโลหะออกไซด์ เช่น โครเมียมออกไซด์ [2] ดังนี้
การเปลี่ยน TCE (CHCl=CCl2) ให้เป็น HCFC-133a (1,1,1-trifluoro-2-chloro-ethane) โดยสารเหล่านี้จะไม่แยกตัวออกมาและสามารถกำจัดออกได้จากกระบวนการ
ปฏิกิริยาการแทนที่ตัว HCFC-133a ด้วยฟลูออรีน โดยใช้ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (Hydrogen fluoride, HF) เป็นสารที่ใช้ทำปฏิกิริยา ซึ่งขั้นตอนนี้จะทำค่อนข้างยากต้องมีการควบคุมสภาวะให้เหมาะสม โดยหลังการทำแล้วจะต้องมีการกำจัดไฮโดรเจนฟลูออไรด์ออกด้วย
รูปที่ 2 การผลิต R-134a ด้วย TCE
PCE เป็นสารที่ระเหยได้ ไม่มีสี ไม่ติดไฟ นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมซักแห้งและเครื่องนุ่งห่ม นำมาใช้แทนคาร์บอนเตเตระคลอไรด์ (Carbon tetrachloride) ที่มีความเป็นพิษและอันตรายมากในช่วงนั้น โดย PCE มีความปลอดภัยกว่า อีกทั้งสามารถใช้ทดแทน trichloroethylene หรือ TCE นอกจากนี้สามารถกำจัดคราบไขมันบนโลหะได้อีกด้วย [3]
โดย PCE สามารถถูกเปลี่ยนไปเป็น HCFC-124 ผ่านปฏิกิริยาไฮโดรฟลูออริเนชั่น (Hydrofluorination) กับ HF ซึ่งจะถูกกำจัดออกมาจากระบบภายหลัง ต่อมาเกิดปฏิกิริยาไฮโดรดีคลอริเนชั่นเพื่อเปลี่ยนให้ผลิตภัณฑ์ไปเป็น R-134a ดังรูปที่ 3 [4]
รูปที่ 3 การผลิต R-134a ด้วย PCE
โดยสาร R-134Aa นั้นนำมาใช้ผสมสารทำความเย็นได้หลากหลายชนิด เช่น R404A และ R407C โดยการผสมสารทำความเย็นชนิดอื่น ๆ ลงไปเพื่อให้ได้คุณสมบัติตามที่ผู้ใช้งานต้องการ แต่อย่างไรก็ตามการผสมสารหล่อเย็นแบบนี้ไม่ควรทำกัน อาจจะเกิดอันตรายต่อการใช้งานได้ เนื่องจากระบบนั้น ๆ จะถูกออกแบบมาเพื่อให้ตอบสนองต่อการใช้งานกับสารหล่อเย็นที่เราตั้งค่าเริ่มต้นไว้แล้ว หากมีการปรับเปลี่ยนสารทำความเย็นชนิดใหม่ก็ควรจะต้องมีการเช็คระบบความดันหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น วาล์วลดความดัน ให้เหมาะสมกับสารชนิดนั้น ๆ
อ้างอิง
[1] Amolea GC chemical, Technical information AmoleaTM 1224yd.
[2] https://patentimages.storage.googleapis.com/f0/97/fc/1b3f6b1aa5e0b9/US5382722.pdf. Access 30 Jan 2024.
[3] https://regenesis.com/en/glossary/tetrachloroethylene-pcetrichloroethylene-tce. Access 30 Jan 2024.
[4] https://www.ecetoc.org/wp-content/uploads/2014/08/JACC-031.pdf. Access 30 Jan 2024.
[5] https://www.harn.co.th/articles/refrigerant-in-refrigeration-system/. Access 5 Feb 2024.
