ระบบย่อยของเทคโนโลยี ตู้เย็น

สิ่งประดิษฐ์ทางฟิสิกส์ ตอน ตู้เย็น

โดย :

วีทิต วรรณเลิศลักษณ์

ตู้เย็น

ตู้เย็นเป็นสิ่งประดิษฐ์อันมหัศจรรย์ ที่เปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของมนุษย์

ตู้เย็นคือตู้ที่ให้ความเย็น  ซึ่งช่วยเก็บรักษาอาหารให้สดและใหม่อยู่เสมอ เพราะความเย็นจะช่วยหยุดยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย ที่ทำให้อาหารเกิดการบูดเน่าได้

บ้านเกือบทุกหลังในประเทศไทย  ต้องมีตู้เย็นอย่างน้อย 1 ใบ ให้คุณลองเอาหูไปแนบฟังข้าง ๆ ตู้เย็น ทุกๆ 15 นาที จะได้ยินเสียงหึ่งๆ ของมอเตอร์ไฟฟ้า ถ้าเราไม่มีตู้เย็น อาหารหลายอย่าง เช่น เนื้อ นม  และไข่  จะไม่สามารถเก็บอยู่ได้นาน

เป็นที่ทราบกันมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2291 แล้วว่า การทำงานของตู้เย็นอาศัยหลักการที่ว่าของเหลวสามารถระเหยกลายเป็นไอได้โดยการดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อมรอบตัว  และเมื่อไอควบแน่นกลายเป็นของเหลวก็จะคายความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม แต่เพิ่งจะเมื่อช่วงระหว่างปี พ.ศ. 2463 -2473 นี้เอง ที่ได้มีการผลิตมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กสำหรับเป็นต้นกำเนิดกำลังออกในเชิงอุตสาหกรรม  จึงได้มีการนำมอเตอร์นี้มาใช้ร่วมกับอุปกรณ์อื่นเพื่อสร้างตู้เย็นขนาดพอเหมาะสำหรับใช้งานภายในบ้าน

นอกจากความสามารถในการเก็บรักษาอาหารในสภาพเย็นและแข็งแล้วตู้เย็นยังให้ความสะดวกอื่น ๆ อีกมาก เช่น อาจจะมีพัดลมหมุนวนอากาศภายในตู้ให้กระจายตัวไปทั่วถึงทุกส่วนภายในตู้ หรืออาจจะมีอุปกรณ์ในการทำก้อนน้ำแข็งได้โดยอัตโนมัติ  หรือแม้แต่มีเครื่องทำความร้อนเล็ก ๆ อยู่ภายในส่วนที่เก็บเนยเพื่อรักษามิให้เนยแข็งตัวจนเกินไปแต่สิ่งที่พัฒนาขึ้นเพื่อให้เกิดความสะดวกมากที่สุดเมื่อไม่กี่ปีมานี่เองก็คือ การออกแบบให้อุปกรณ์ที่ทำการละลายน้ำแข็งที่เกาะหนาภายในตู้ได้โดยอัตโนมัติ โดยอาจจะเป็นชนิดทำการระเหยตลอดเวลา (หรือบางทีเรียกกันว่า “ แบบไร้น้ำแข็งเกาะ” ) หรือแบบเกิดการระเหยเป็นช่วง ๆ เพื่อให้น้ำแข็งละลายและระบายลงสู่ถาดรับน้ำ )

ความเย็นของตู้เย็นจะเหมือนกับในเครื่องปรับอากาศ  นั่นคือ คอมเพรสเซอร์ ซึ่งจะทำหน้าที่กดอัดน้ำยาทำความเย็นในสภาวะเป็นก๊าชให้มีความดันสูง  แล้วส่งเข้าเปลี่ยนสภาวะควบแน่นกลายเป็นน้ำยาทำความเย็นเหลว  โดยจะมีพัดลมที่คอยล์ร้อนช่วยระบายความร้อนที่คายออกมานี้  ต่อจากนั้นน้ำยาจะถูกอัดดันผ่านลิ้นลดความดัน  แล้วจึงถูกดูดเข้าไปภายในท่อของคอยล์เย็น  ซึ่ง ณ ที่นี้ น้ำยาจะดูดเอาความร้อนจากภายในบริเวณกล่องเก็บอาหารเพื่อระเหยกลายเป็นไอ  และพัดลมของคอยล์เย็นจะทำหน้าที่กระจายลมเย็นที่คายความร้อนให้แก่สารทำความเย็นให้วนเวียนไปภายในส่วนต่าง ๆ ของตู้เย็น

ช่วงการละลายน้ำแข็งจะเริ่มต้นเมื่อตัวนาฬิกาจับเวลาเริ่มบังคับให้เครื่องทำความร้อนทำการละลายน้ำแข็งภายในช่องแช่แข็งกลายเป็นน้ำไหลลงสู่ถาดรับน้ำช่วงเวลาการละลายน้ำแข็งนี้ถูกควบคุมด้วยอุปกรณ์จำกัดเวลาการละลายน้ำแข็งซึ่งจะปิดเครื่องทำความร้อนก่อนที่อาหารแช่แข็งที่เก็บถนอมไว้จะเริ่มละลาย  เครื่องทำความร้อนที่ส่วนกั้นช่องแช่แข็งและตู้เย็นจะทำหน้าที่ป้องกันการเกิดการควบแน่นขึ้นในส่วนนี้  เทอร์โมสแตตในช่องแช่แข็งจะทำหน้าที่ควบคุมการเริ่มต้นและหยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์  และตัวควบคุมอุณหภูมิจะทำหน้าที่จำกัดอากาศเย็นที่ไหลเข้าสู่ตู้เย็น

ส่วนประกอบของตู้เย็น

แนวคิดพื้นฐานการทำงานของตู้เย็นมาจากหลักการทางฟิสิกส์   โดยใช้หลักที่ว่า   ขณะที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส   มันจะดูดความร้อน   ทดลองทา อัลกฮอลล์ ลงบนผิว  จะรู้สึกเย็น  เพราะว่าอัลกฮอลล์ระเหยได้เร็ว  มันจึงดูดความร้อนออกจากผิวและทำให้เกิดความเย็นขึ้น  ของเหลวที่เราใช้ในตู้เย็น   เรียกว่า สารทำความเย็น  (refrigerant)  ซึ่งระเหยที่อุณหภูมิต่ำ    ดังนั้นจึงสามารถลดอุณหภูมิภายในตู้เย็นลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งได้

คุณลองนำสารทำความเย็นทาลงหลังแขน   (ไม่ควรทำ) และทำให้มันระเหย  ผิวของคุณจะเย็นเหมือนถูกแช่แข็งอย่างไงอย่างงั้น

ตู้เย็นมีส่วนสำคัญ  5 ส่วนคือ

• คอมเพรสเซอร์ (Compressor)
• ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน  ส่วนที่เป็นคอยส์ร้อน   มีลักษณะขดไปมาอยู่นอกตู้
• วาวล์ขยาย (Expansion  vavle)
• ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน ส่วนที่เป็นคอยส์เย็น  มีลักษณะขดไปมาอยู่ภายในตู้เย็น
• สารทำความเย็น   เป็นของเหลวบรรจุอยู่และไหลเวียนอยู่ภายในตู้

ในวงการอุตสาหกรรม  ส่วนใหญ่จะใช้ แอมโมเนีย (Ammonia)  เป็นสารทำความเย็น   แอมโมเนียบริสุทธ์ระเหยที่อุณหภูมิ  -32 องศาเซลเซียส

กลไกพื้นฐานการทำงานของตู้เย็นเป็นดังนี้

1. คอมเพรสเซอร์อัดสารทำความเย็นที่อยู่ในสถานะแก๊ส  ทำให้อุหภูมิและความดันเพิ่มขึ้น (สีส้ม)  ผ่านไปยังคอยส์ร้อน   อยู่ด้านหลังตู้เย็น ความร้อนถูกระบายออก (ตู้เย็นสมัยใหม่ออกแบบให้สวยงามโดยหลบคอยส์ร้อนไว้ จึงมองไม่เห็น)
2. สารทำความเย็นถูกเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว  (สีม่วง)  ไหลผ่านไปยังวาวล์ขยาย  ( Epansion vavle)
3. เมื่อผ่านวาวล์ขยาย   ความดันจะลดลงอย่างรวดเร็ว   สารทำความเย็นที่อยู่ในสถานะของเหลว เปลี่ยนเป็นแก๊สในทันที   (สีน้ำเงิน)
4. สารทำความเย็นไหลผ่านเข้าไปในคอยส์เย็น  และดูดความร้อนจากภายในตู้ออกมา  ต่อจากนั้นผ่านเข้าไปในคอมเพรสเซอร์  และถูกอัด เป็นวัฎจักรเข้าสู่ขั้นตอนที่หนึ่ง

คอมเพรสเซอร์มีขั้นตอนการทำงานดังนี้คือ

1.  คอมเพรสเซอร์พร้อมจะทำการอัดไอน้ำยา

ในตัวกระบอกสูบของคอมเพรสเซอร์มีลูกกลิ้งติดตั้งเยื้องศูนย์กลางอยู่บนเพลาของมอเตอร์  ในรูปที่ 2 (ก) ลูกกลิ้งจะหมุนทวนเข็มนาฬิกา  ผลักดันไอน้ำยาที่ถูกกักอยู่ที่ช่องว่างส่วนหน้าลูกกลิ้งให้ไหลออกไปทางวาล์วทางออกสู่คอยล์ร้อน  ในคอมเพรสเซอร์แบบอื่น ๆ จะมีตัวอัดที่ใช้ใบอัดหรือลูกสูบทำงานอัดไอน้ำยา

2. ลูกกลิ้งในช่องวัฏจักร

ตัวลูกกลิ้งของคอมเพรสเซอร์จะหมุนต่อไป  ผลักดันไอน้ำยาผ่านวาล์วทางออก

เพิ่มขึ้นอีกในขณะที่ลูกกลิ้งหมุนไปนั้น  ช่องว่างที่ส่วนหลังลูกกลิ้งจะค่อย ๆ ขยายตัวใหญ่ขึ้น และไอน้ำยาจากคอยล์เย็นจะถูกดูดผ่านท่อดูดเข้าไปภายในกระบอกสูบของคอมเพรสเซอร์  ในรูปที่ 2 (ข) แผ่นกั้นจะถูกกดด้วยแรงสปริงให้ยันอยู่กับลูกกลิ้งตลอดเวลา  เพื่อเป็นการแยกไอน้ำยาส่วนดูดเข้าและส่วนส่งออกให้ออกจากกัน

3. ลูกกลิ้งในช่วงปลายวัฏจักร

รูปที่ 2 (ค) ในช่วงปลายวัฏจักรลูกกลิ้งได้อัดไอน้ำยาออกไปทางวาล์วทางออก

แล้ว  และก็จะพอดีกับที่ตัวลูกกลิ้งหมุนมาปิดวาล์วทางออกไว้เพื่อป้องกันไหลย้อนกลับ  ในขณะเดียวกันช่องว่างด้านหลังของลูกกลิ้งจะขยายใหญ่ขึ้นมากที่สุด  โดยจะมีไอน้ำยาจากคอยล์เย็นไหลเข้าบรรจุอยู่เต็ม  ซึ่งเมื่อลูกกลิ้งหมุนตัวต่อไปอีก  ก็จะกดดันให้ไอน้ำยาใหม่นี้ไหลออกไปทางด้านวาล์วทางออกอีกครั้งหนึ่ง  วนเวียนเรื่อยไปเช่นนี้

การทำงานวัฏจักรทำความเย็น

การหมุนวนของน้ำยาในระบบเพื่อดูดความร้อนให้ตัวมันเองระเหยกลายเป็นไอและคายความร้อนเพื่อควบแน่นกลับมาเป็นของเหลวนั้น  จะไหลวนเวียนไปตามทางดังรูปที่ 3 น้ำยาในสภาพของเหลวจากคอยล์ร้อนจะถูกผลักดันด้วยแรงจากคอมเพรสเซอร์ให้ไหลผ่านลิ้นลดความดันเพื่อเข้าไประเหยในคอยล์เย็น  โดยดูดความร้อนจากภายนอกเข้ามา  ไอน้ำยาจะถูกดูดกลับเข้าไปภายในคอมเพรสเซอร์  และอัดดันผ่านคอยล์ร้อนออกมาเพื่อคายความร้อนออกแล้วควบแน่นกลายเป็นของเหลวตัวกรองดูดความชื้นจะดูดความชื้นและสิ่งแปลกปลอมที่อาจจะปนผสมเข้ามาในระบบขณะทำการผลิต  ระบบนี้ทั้งระบบจะถูกผนึกกันรั่วไว้อย่างหนาแน่นหนา

การกระจายลมเย็น

ในตู้เย็นแบบละลายน้ำแข็งเองนั้นจะมีพัดลมดูดอากาศให้ผ่านไปบนคอยล์เย็นซึ่งจะทำให้อากาศเย็นแล้วจึงเป่ากระจายอากาศผ่านท่อเพื่อให้ความเย็นแก่อาหารที่เก็บรักษาไว้ในส่วนช่องแช่แข็งและตู้เย็น  ความชื้นในอากาศที่ไหลผ่านไปบนคอยล์เย็นจะแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งเกาะอยู่บนคอยล์เย็น  และจะละลายเป็นน้ำแล้วระบายออกไปเมื่อมีการให้ความร้อนแก่คอยล์เย็นในระหว่างช่วงการละลายน้ำแข็ง  นอกจากนี้แล้วยังมีแผ่นกระบังลมเย็นบางส่วนซึ่งปรับได้เพื่อลดปริมาณลมเย็นที่ไหลเข้าสู่ตู้เย็นเพื่อทำให้ส่วนตู้เย็นมีความเย็นน้อยกว่าในส่วนช่องแช่แข็ง

หัวเรื่อง และคำสำคัญ

สิ่งประดิษฐ์ทางฟิสิกส์,ตู้เย็น

รูปแบบการนำเสนอ แบ่งตามผลผลิต สสวท.

สื่อสิ่งพิมพ์ในรูปแบบดิจิทัล

ลิขสิทธิ์

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)

วันที่เสร็จ

วันพุธ, 14 มิถุนายน 2560

สาขาวิชา/กลุ่มสาระวิชา

ฟิสิกส์

ช่วงชั้น

มัธยมศึกษาตอนปลาย

ดูเพิ่มเติม