การใช้ฟิกเกอร์ออฟเมอริทในการทำนายสมรรถนะของปั๊มความร้อนเมื่อใช้สารผสมชนิดซีโอทรอปิคUse of Figure of Merit as a Quick Method for Finding Performance of Heat Pump with Zeotropic Mixtures

Abstract

ในปัจจุบันมีการใช้ปั๊มความร้อนอย่างแพร่หลายเนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ใช้พลังงานต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อสมรรถนะของปั๊มความร้อนคือสารทำงาน ส่วนมากเป็นสารทำงานชนิดสารเดี่ยว ซึ่งพบว่าก่อให้เกิดสภาพการย้อนกลับไม่ได้สูง จึงได้มีการใช้สารทำงานชนิดสารผสมเพื่อช่วยลดสภาพการย้อนกลับไม่ได้เนื่องจากสารผสมจะมีการเปลี่ยนอุณหภูมิระหว่างที่เปลี่ยนสถานะ (Gliding temperature) ทำให้งานที่ใช้ในวัฏจักรลดลง ส่งผลให้สมรรถนะของระบบสูงขึ้น แม้ว่าปัจจุบันจะมีซอฟแวร์ต่าง ๆ ช่วยในการหาสมรรถนะของระบบ แต่สำหรับการใช้สารผสมในปั๊มความร้อน การใช้ซอฟแวร์ยังคงซับซ้อนและใช้เวลานาน งานวิจัยนี้ได้พัฒนาการใช้วิธี Figure of Merit (FOM) ซึ่งเป็นการรวมคุณสมบัติต่าง ๆ ให้อยู่ในเทอมไร้หน่วย เพื่อใช้สำหรับทำนายสมรรถนะของระบบได้อย่างรวดเร็ว โดยที่ไม่ต้องใช้การคำนวณด้วยวิธีทางเอนทัลปี โดยนำสารเดี่ยว 8 ชนิด ซึ่งพิจารณาจากคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์ ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัยในการใช้งาน มาผสมเป็นสารผสมแบบซีโอทรอปิค 12 ชนิด ในสัดส่วนที่ทำให้เกิดสมรรถนะการทำความร้อน (COPh) และสมรรถนะการทำความเย็น (COPl) สูงสุด ผลการวิจัยพบว่าการใช้สารผสมทำให้ระบบมีสมรรถนะสูงกว่าการใช้สารเดี่ยว และสัดส่วนของสารผสมที่ทำให้เกิดสมรรถนะสูงสุด อยู่บริเวณเดียวกับสัดส่วนที่ทำให้เกิดอุณหภูมิ gliding สูงสุด นอกจากนี้ เมื่อหาสมรรถนะของปั๊มความร้อนด้วยวิธี FOM พบว่าได้ผลลัพธ์สอดคล้องกับวิธีทางเอนทัลปีและการทดสอบกับระบบจริง โดยมีความแตกต่างเฉลี่ยไม่เกิน 3%

Heat pumps have been widely used because of their low energy consumption and environmental friendliness. Working fluid has a strong influence on the system thermal efficiency. Most working fluids used in heat pumps are single refrigerants, which are found to cause high irreversibility rates, resulting in high electricity costs. This problem could be alleviated by using zeotropic mixtures. There are various software programs for monitoring the system performance; however, using software for best performing refrigerant fluid selection is still complex and time consuming. This paper proposes a quick method to evaluate the COP and capacity of heat pumps using zeotropes, precisely Figure of Merit (FOM) which combines thermodynamic and thermal properties in dimensionless term instead of enthalpy calculation. Eight single-substance refrigerants, considered from thermodynamic properties, environmental properties and safety were selected and blended into twelve zeotropic mixtures at various compositions. The simulations were carried out with a standard heat pump cycle to find out the ideal composition for the highest COP for heating (COPh) or cooling (COPl). The results showed that the mixtures gave higher COP than the single refrigerant; meanwhile the highest COP occurred with the composition having highest gliding temperature. Moreover, the COPs for both heating and cooling calculated by FOM agreed very well with those calculated by enthalpy method from the literatures, whereby the average difference remained no greater than 3 percent.