ขนาดอุตสาหกรรมของสารทำความเย็นมีการเติบโตขึ้นเป็นอย่างมากปัจจุบัน ในปี 2022 สหรัฐอเมริกามีการประเมินค่าทางเศรษฐกิจอยู่ที่ 22.4 พันล้านบาท และมีการคาดการณ์ว่าระหว่างปี 2023-2030 จะเติบโตมากขึ้นไปอีกถึง 24.20 – 41.21 พันล้านบาท โดยสารทำความเย็นเหล่านี้นิยมนำมาใช้เป็นอย่างมากในอุตสาหกรรมที่มีระบบเครื่องปรับอากาศ (Air conditioning) ระบบทำความเย็น (Refrigeration cycles) ชิลเลอร์ (Chiller) และเครื่องปั๊มความร้อน (Heat pumps) ดังรูปที่ 1 [1]
รูปที่ 1 อุตสาหกรรมที่ใช้สารทำความเย็น
นอกจากนี้ปัจจุบันการใช้สารทำความเย็นได้มีการเพิ่มปริมาณในอุตสาหกรรมของเครื่องดื่มและอาหารเป็นจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น R404a R134a และ R717 ซึ่งนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการถนอม การผลิต และการขนส่งอาหารและเครื่องดื่ม เพราะสารเหล่านี้ไม่มีผลต่อการทำให้โลกร้อน อีกทั้งยังสามารถช่วยลดการทำลายชั้นโอโซนได้อีกด้วย มากไปกว่านั้นอุตสาหกรรมยา อาหาร และสินค้าที่เกิดการเน่าเสียง่ายก็จำเป็นต้องใช้การถนอมสินค้าด้วยระบบทำความเย็นตลอด โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขนส่งและเก็บยาที่มีการใช้รถเทเลอร์ ตู้คอนเทนเนอร์รวมถึงรถบรรทุก ดังนั้น ระบบทำความเย็นที่ใช้ควรจะต้องมีประสิทธิภาพและน่าเชื่อถือเพื่อป้องกันไม่ให้ยาเสื่อมประสิทธิภาพ [1]
สารทำความเย็น คือ สารเคมีเหลวที่ใช้ในระบบทำความเย็น มึคุณสมบัติ คือ จุดเดือดต่ำ ระเหยได้เร็วที่ความดันปกติ ทำให้ดูดซับ และนำพาความร้อนจากสิ่งแวดล้อมได้ดี โดยสารทำความเย็นเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนในระบบทำความเย็น ซึ่งจะอธิบายให้เข้าใจหลักการทำงานได้ ดังรูปที่ 2
รูปที่ 2 กระบวนการทำความเย็น
โดยทั่วไปหลังการแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนของ Evaporator จะทำให้สารทำความเย็นเหล่านี้ได้รับความร้อนแล้วกลายเป็นไป โดยไอแก๊สที่ออกมาจะมีความดันและอุณหภูมิต่ำ โดยแก๊สที่ออกมาจะเข้าสู่เครื่อง ซึ่งกระบวนการทำความเย็นสามารถแบ่งขั้นตอนหลัก ๆ ออกเป็น 4 ขั้นตอนได้ ดังนี้
Compressor จะอัดความดันเข้าไปในสารทำความเย็นทำให้ส่วนนี้สารทำความเย็นจะมีดวามดันและอุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อจะส่งไปยังหน่วยต่อไป
Condenser สารทำความเย็นที่ถูกอัดความร้อนมาจาก Compressor จะมีการปล่อยความร้อนไปสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งกระบวนการนี้จะทำให้แก๊สกลั่นตัวกลับมาเป็นของเหลว โดยของเหลวที่ออกมาจากส่วนนี้จะมีความดันสูง และจะถูกส่งเข้ากระบวนการลดอุณหภูมิและความดันในหน่วยต่อไป
Expansion เป็นการลดความดันและอุณหภูมิของสารทำความเย็นที่ออกมาจาก Condenser ทำให้สารทำความเย็นที่มีปริมาตรน้อยขยายตัวอย่างรวดเร็ว และพร้อมเข้าสู่การแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบต่อไป
Evaporation เมื่อสารทำความเย็นสถานะของเหลวที่มีอุณหภูมิและความดันต่ำออกมาจากขั้นตอน Expansion จะมาทำการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ขั้นตอน Evaporation โดยการนำสารที่มีความร้อน เช่น อากาศหรือของเหลว เป็นต้น มาแลกเปลี่ยนความร้อนกับสารทำความเย็น โดยขั้นตอนนี้สารทำความเย็นจะกลายเป็นไปที่มีความดันและอุณหภูมิสูง เนื่องจากได้รับความร้อนมาก และสารเหล่านี้จะกลับเข้าไปสู่กระบวนการอัดความดันเพื่อเตรียมสารที่มีสาถนะเป็นของเหลวใหม่
การเลือกใช้สารทำความเย็นให้เหมาะสม จะต้องพิจารณาค่าของตัวแปรทางเคมีฟิสิกส์ (Physical chemistry properties) และคุณสมบัติต่าง ๆ เพื่อใช้พิจารณาการเลือกสารทำความเย็น [2] ดังนี้
จุดเดือด สารทำความเย็นที่ใช้ควรจะมีจุดเดือดไม่เกินช่วงความร้อนของสารที่เราต้องการหล่อเย็น หากมากกว่านี้จะทำให้สารกลายเป็นไอยากขึ้น ซึ่งจะมีผลต่อการถ่ายโอนความร้อนในที่สุด อีกทั้งทำให้การถ่ายโอนความร้อนเกิดได้ในอุณหภูมิที่ไม่สูงมาก ซึ่งจะเป็นข้อดีต่อการควบแน่นสารกลับมาในสถานะของเหลว
จุดหลอมเหลว สารทำความเย็นควรมีค่าของจุดหลอมเหลวต่ำ ซึ่งหากมีค่าจุดหลอมเหลวไม่มากจะทำให้สารไม่สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำ
ความดัน เป็นอีกปัจจัยที่ควรคำนึงถึงในการเลือกใช้ เราไม่ควรใช้สารที่ต้องใช้การอัดความดันมากจนเกินไป เพราะอาจจะทำให้เกิดรอยรั่วถายในระบบได้
ค่าการนำไฟฟ้า เพื่อเป็นการป้องกันการช็อตของไฟฟ้ากรณีระบบเกิดการรั่ว ค่าการนำไฟฟ้าก็มีผลต่อการใช้งานในระบบ โดยเราสามารถเลือกสารที่ดูได้จากค่า Dielectric constant ต่ำ หรือ Dielectric strength สูง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการช็อตหากเกิดการรั่วไหลของระบบ
ค่าการถ่ายโอนความร้อน ในการถ่ายโอนความร้อนนี้ค่าที่มีสำคัญ ได้แก่ ค่านำความร้อน ค่าการพาความร้อน ถ้ามีค่ามากจะยิ่งดีเพื่อทำให้สารเกิดการถ่ายโอนความร้อนมาสู่ตัวมันเองได้ดียิ่งขึ้น
ค่าความจุความร้อนจำเพาะของสาร เป็นปัจจัยหนึ่งที่บ่งบอกว่าสารทำความเย็นเหล่านี้สามารถรับความร้อนได้มากสุดเท่าไหร่ หากค่ายิ่งมากก็แสดงว่าสารทำความเย็นสามารถรับความร้อนได้มาก
ไม่ทำปฏิกิริยาใด ๆ กับน้ำมันหล่อลื่นในเครื่องหรือกัดกร่อนอุปกรณ์ภายในเครื่อง
เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ข้อสุดท้ายนี้ โลกเราหันมาให้ความสนใจเป็นอย่างมาก เนื่องจากการใช้สารทำความเย็นในยุคแรก ๆ ทำให้เกิดภาวะโลกร้อน (Global warming potential, GWP) และการทำลายชั้นโอโซนได้ (Ozone depleting potential, ODP) ต่อมาจึงได้มีการพัฒนาสารทำความเย็นขึ้นมากมายเพื่อลดปัญหาข้างต้น ซึ่งในปัจจุบันก็ได้มีการใช้สารประเภทฟลูออโรคาร์บอน (Fluorocarbons, FCs) และไฮโดรฟลูออโรโอฟินส์ (Hydrofluoro olefins, HFOs) มากยิ่งขึ้น โดยสารประเภท HFOs ที่นำมาใช้ ได้แก่ HFO-1224yd ซึ่งมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องชิลเลอร์ และระบบหล่อเย็นที่เคยมีการใช้ HFC-245fa ซึ่งมีค่า GWP ที่ไม่ก่อให้เกิดโลกร้อนและการทำลายชั้นโอโซนน้อยกว่าด้วยค่า GWP = 0.88 และ ODP = 0.00023 อีกด้วย
นอกจากนี้เราควรคำนึงถึงอันตรายจากตัวของสารไม่ว่าจะเป็นเรื่องการติดไฟ การลุกลามของไฟ โดยสารทำความเย็นสามารถแบ่งตามลักษณะความเป็นพิษและความไวได้ตามข้อกำหนดของ American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE คือองค์กรที่เป็นผู้นำด้านเทคโนโลยีเกี่ยวกับระบบให้ความร้อน ระบบระบายความร้อน ระบบปรับอากาศและระบบทำความเย็น โดยได้แนะนำและทพการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับระบบดังกล่าวข้างต้น เพื่อให้เกิดความปลอดภัยแก่ผู้ใช้งาน โดยทางองค์กรได้จัดทำเกี่ยวกับการจำแนกสารทำความเย็น ซึ่งสามารถแบ่งประเภทสารทำความเย็นตามความอันตรายต่อการติดไฟได้ [3] ดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 การแบ่งประเภทของสารทำความเย็นจากความเป็นพิษและความไวไฟ [3]
กลุ่ม A จะเป็นสารที่มีความเป็นพิษน้อยและไวไฟน้อยกว่าเมื่อเทียบกับกลุ่ม B โดยเราสามารถแบ่งระดับความรุนแรงในการติดไฟได้ตั้งแต่เป็น Class 1- 3 ดังต่อไปนี้
A1 คือ สารทำความเย็นที่ไม่สามารถเกิดการลุกลามของไฟได้ภายใต้อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส แต่ยังสามารถเกิดการติดไฟได้ถ้าหากได้รับอุณหภูมิที่สูงมากพอ ได้แก่ HFC R-407C HFC R-410A และ HFO-1224yd
A2L คือ สารทำความเย็นที่สามารถติดไฟได้น้อย มีการปลดปล่อยพลังงานและการลุกลามของไฟค่อนข้างน้อย ได้แก่ R32 R-454B และ R-1234yf
A2 คือ สารทำความเย็นที่สามารถติดไฟได้ปานกลาง ได้แก่ R141B และ R-406A
A3 คือ สารทำความเย็นที่ไวไฟมากที่สุด ได้แก่ R-290
กลุ่ม B จะเป็นสารที่มีความเป็นพิษมากและไวไฟมากกว่ากลุ่ม A โดยเราสามารถแบ่งระดับความรุนแรงในการติดไฟได้ตั้งแต่เป็น Class 1- 3 ดังต่อไปนี้
B1 คือ สารทำความเย็นที่มีความเป็นพิษมาก แต่ไม่สามารถเกิดการลุกลามของไฟได้ภายใต้อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส แต่ยังสามารถเกิดการติดไฟได้ถ้าหากได้รับอุณหภูมิที่สูงมากพอ ได้แก่ R-10 และ R-21
B2L คือ สารทำความเย็นที่มีความเป็นพิษและสามารถติดไฟได้น้อย มีการปลดปล่อยพลังงานและการลุกลามของไฟค่อนข้างน้อย ได้แก่ R-717
B2 คือ สารทำความเย็นที่มีความเป็นพิษและสามารถติดไฟได้มาก ได้แก่ R-30 และ R-40
B3 คือ สารทำความเย็นที่ไวไฟมากที่สุด ซึ่งปัจจุบันยังไม่พบสารทำความเย็นที่จัดอยู่ในหมวดหมู่ประเภทนี้
อย่างไรก็ตามการเลือกใช้งานสารทำความเย็นต้องพิจารณาจากช่วงของความดันอุณหภูมิที่ต้องการใช้ด้วย เพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายและอันตรายต่อระบบและชีวิต
อ้างอิง
[1] https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/refrigerant-market-101745. Accessed 8 Jan 2024.
[3] https://www.fieldpiece.com/news-articles/understanding-a2l-refrigerants/. Accessed 8 Jan 2024.
