ถ้าเปิดประตูตู้เย็นตั้งทิ้งไว้ในห้อง อุณหภูมิในห้องจะเป็นอย่างไร MO Memoir : Tuesday 29 September 2558

"ตั้งตู้เย็นไว้ในห้องปิด เดินเครื่องให้ตู้เย็นทำงาน และเปิดประตูตู้เย็นทิ้งไว้ อุณหภูมิในห้องจะเปลี่ยนแปลงอย่างใด"

คำถามนี้มีมานานแล้ว ผมเข้าเรียนวิศวใหม่ ๆ เมื่อกว่าสามสิบปีที่แล้วก็ได้ยินคำถามนี้แล้ว เรียกได้ว่าเป็นคำถามคลาสสิกในการสอบสัมภาษณ์วิศวกรเข้าทำงาน เป็นคำถามสอบพื้นฐานความเข้าใจวิชาเทอร์โมไดนามิกส์
  

เครื่องปรับอากาศและตู้เย็นมีหลักการทำงานแบบเดียวกัน คือใช้การเปลี่ยนเฟสของสารทำความเย็นในการรับความร้อนจากแหล่งหนึ่ง และนำไประบายทิ้งยังอีกแหล่งหนึ่ง แต่มันมีความแตกต่างมันอยู่ตรงตำแหน่งที่ตั้งของแหล่งรับความร้อนและแหล่งระบายความร้อน แต่ก่อนอื่นเราลองมาทำความรู้จักระบบทำความเย็นที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นกันก่อนดีไหมครับ พิจารณารูปที่ ๑ ข้างล่างตามไปด้วยก็แล้วกัน
  

เริ่มจากทางด้านขวาของรูปที่เป็นตัวคอมเพรสเซอร์ (compressor) ตัวคอมเพรสเซอร์นี้จะรับพลังงานเข้ามา (ปรกติก็คือพลังงานไฟฟ้า) อัดไอสารทำความเย็นที่มีความดันต่ำ ให้กลายเป็นไอสารทำความเย็นที่มีความดันสูงและมีอุณหภูมิสูงขึ้น (พลังงานที่คอมเพรสเซอร์รับเข้ามา ส่วนหนึ่งก็ถูกเปลี่ยนไปเป็นความดันและอุณหภูมิของตัวสารทำความเย็นที่เพิ่มขึ้น) จากนั้นไอสารทำความเย็นที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง จะไหลไปยังเครื่องควบแน่นหรือแผงระบายความร้อน ไอสารทำความเย็นจะระบายความร้อนสู่สารที่มารับความร้อน (สำหรับตู้เย็นหรือเครื่องปรับอากาศขนาดเล็กก็คืออากาศ แต่ถ้าเป็นเครื่องปรับอากาศขนาดใหญ่มักจะเป็นน้ำระบายความร้อน) กลายเป็นสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวที่มีความดันสูง

รูปที่ ๑ แผนผังระบบทำความเย็น ที่ใช้การเปลี่ยนแปลงเฟสของสารทำความเย็น
  

จากนั้นสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวที่ความดันสูงจะไหลต่อผ่านวาล์วลดความดันหรือท่อแคปปิลารี (ถ้าเป็นโรงงานขนาดใหญ่จะใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า expander หรือเครื่องกังหันเพื่อดึงเอาพลังงานกลับไปใช้ใหม่) ทำให้ความดันและอุณหภูมิของสารทำความเย็นนี้ลดลง
  

สารทำความเย็นที่เป็นของเหลวและมีอุณหภูมิต่ำนี้จะไหลต่อไปยังคอยล์เย็น (ในกรณีของเครื่องปรับอากาศคอยล์ก็คือตัวที่ติดตั้งอยู่ในห้อง ในกรณีของตู้เย็นคอยล์เย็นก็คือตัวช่องทำน้ำแข็ง) ที่คอยล์เย็นนี้สารทำความเย็นจะรับความร้อนจากอากาศที่อยู่ข้างนอกคอลย์เย็น (ในกรณีของเครื่องปรับอากาศก็คืออากาศที่พัดลมพัดให้ไหลผ่าน ในกรณีของตู้เย็นก็คืออากาศที่อยู่ในช่องทำน้ำแข็งนั่นเอง) ทำให้อากาศภายนอกคอยล์เย็นมีอุณหภูมิลดลง ส่วนตัวสารทำความเย็นเองจะระเหยกลายเป็นไอ และไหลต่อไปยังด้านขาเข้าของเครื่องคอมเพรสเซอร์ก่อนที่จะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้นมาใหม่

ทีนี้เราลองมาพิจารณากรณีของเครื่องปรับอากาศดูบ้าง (รูปที่ ๒) ดูเหมือนว่าเครื่องปรับอากาศเกือบทั้งหมดที่ใช้กันในปัจจุบันจะเป็นแบบแยกส่วนหมดแล้ว (แต่ก่อนจะมีแบบติดหน้าต่าง รูปทรงเป็นกล่องสีเหลี่ยมขนาดวงกบหน้าต่าง แต่เดี๋ยวนี้ไม่เห็นแล้ว) คือประกอบด้วยชุดคอยล์เย็นที่ติดตั้งอยู่ในห้องที่ต้องการทำความเย็น (ที่มีลมเย็นพ่นออกมานั่นแหละ ที่อาจติดห้อยอยู่กับเพดานหรือข้างผนัง หรือไม่ก็ตั้งอยู่กับพื้น) และชุดคอยล์ร้อยที่ติดตั้งอยู่ภายนอกห้องที่ต้องการทำความเย็นหรือภายนอกอาคาร ชุดคอยล์ร้อนก็คือตัวที่มีทั้งคอมเพรสเซอร์และพัดลมเป่าอากาศผ่านคอยล์ร้อน
  

กรอบเส้นประสี่เหลี่ยมสีน้ำตาลคือเขตตัวห้อง พึงสังเกตนะครับ มีการดึงเอาความร้อนออกจากภายในตัวห้อง (ที่คอยล์เย็น) และไปปล่อยทิ้งนอกต้วห้อง(ที่คอยล์ร้อน) ดังนั้นระดับพลังงานในห้องจะลดลง ทำให้อากาศในห้องเย็นลง จนกว่าจะถึงอุณหภูมิที่ตั้งเอาไว้ หรือจนกว่าอัตราการไหลของความร้อนเข้ามาในห้องร่วมกับอัตราการเกิดความร้อน (เช่นจากตัวคน) จะเท่ากับความสามารถของคอยล์เย็น

รูปที่ ๒ แผนผังตำแหน่งที่ตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ ของระบบปรับอากาศ
  

ทีนี้ถ้าเราลองมาพิจารณากรณีของตู้เย็นดูบ้าง (รูปที่ ๓) เริ่มจากกรณีที่ย้งปิดประตูตู้เย็นอยู่ ตัวตู้เย็นนั้นทั้งชุดคอยล์เย็นและคอยล์ร้อนอยู่รวมเป็นชุดเดียวกันกับตัวตู้ ดังนั้นพอเราเอาตู้เย็นเข้าไปตั้งในห้อง ตัวคอยล์ร้อนก็จะตามเข้าไปอยู่ในห้องด้วย คอยล์เย็นจะดึงเอาความร้อนออกจากอากาศที่อยู่ภายในตู้เย็น และระบายความร้อนออกทางคอยล์ร้อนที่อยู่ทางด้านหลังตู้เย็น (รุ่นเก่าจะเห็นชัดว่าเป็นแผงตะแกรงท่อเหล็ก แต่รุ่นใหม่เขาจะออกแบบซ่อนเอาไว้ทำให้เห็นผนังด้านหลังเรียบ) ดังนั้นความร้อนที่ระบายออกมาก็ระบายออกสู่อากาศที่อยู่ในห้อง ดังนั้นถ้าห้องที่ตั้งตู้เย็นนั้นไม่มีการระบายอากาศที่ดี ก็จะทำให้อากาศในห้องร้อนขึ้น (อันที่จริงการวางตู้เย็นเขาจะระบุว่าอย่าวางติดผนัง ให้เว้นที่ว่างไว้ เพื่อให้มีอากาศไหลเวียนหลังตู้ได้ จะได้ระบายความร้อนออกจากคอยล์ร้อนได้สะดวก)
  

แต่สำหรับบ้านทั่ว ๆ ไปนั้นไม่ค่อยจะรู้สึกเท่าใด เพราะปริมาตรอากาศในตัวตู้เย็นมันน้อย และตู้เย็นก็มีฉนวนความร้อนที่ดี ถ้าไม่มีการเปิดตู้เย็นบ่อยครั้ง ตู้เย็นมันก็จะทำงานเป็นพัก ๆ พอระดับความเย็นได้ที่ มันก็จะหยุดการทำงาน จนกว่าอุณหภูมิในตู้จะสูงเกินค่าที่ตั้งไว้ แล้วจึงค่อยทำงานใหม่

รูปที่ ๓ แผนผังการตั้งตู้เย็นไว้ในห้อง ภายในกรอบเส้นประสีน้ำเงินคือภายในตัวตู้เย็น ภายในกรอบเส้นประสีน้ำตาลคือภายในตัวห้อง

ทีนี้มาลองพิจารณาว่าถ้าเราเปิดประตูตู้เย็นทิ้งเอาไว้จะเกิดอะไรขึ้น อากาศที่คอยล์เย็นดึงเอาความร้อนออกก็คืออากาศที่อยู่ในห้องนั่นเอง และอากาศที่คอยล์ร้อนระบายความร้อนออกก็คืออากาศที่อยู่ในห้องนั่นเอง แต่ความร้อนที่คอยล์ร้อนระบายออกสู่อากาศภายในห้องนั้นมัน "มากกว่า" ความร้อนที่คอยล์เย็นดึงออกมาจากอากาศภายในห้อง (ความร้อนที่คอยล์ร้อนระบายออกมาประกอบด้วย ความร้อนที่ดึงออกมาจากอากาศภายในห้องที่คอยล์เย็น และความร้อนที่เกิดจากการอัดสารทำความเย็นที่ตัวคอมเพรสเซอร์) ดังนั้นอากาศภายในห้องนั้นจะ "ร้อนขึ้น"
  

สำหรับวิศวกรจบใหม่ในปัจจุบัน ผมว่าความยากของคำถามนี้มันไม่ได้อยู่ตรงที่ทฤษฎีเทอร์โมไดนานิกส์หรอก แต่มันไปอยู่ตรงที่รู้จักกันหรือเปล่าว่าเครื่องปรับอากาศหรือตู้เย็นนั้นประกอบด้วยชิ้นส่วนใดบ้าง ที่ทำหน้าที่อะไร และมันอยู่ตรงไหน นั่นแหละ

ปิดท้ายก็ไม่มีอะไร เห็นหน้ากระดาษมันว่างอยู่ ก็เลยขอเอารูปบรรยากาศการสอบของนิสิตปี ๒ เมื่อบ่ายวันนี้มาให้ชมกันก็แล้วกันครับ