18 ต้นกำลังที่ใช้ทำความเย็นในไครโอเจนิกส์

เครื่องยนต์ (Engines)

       ความหมายของเครื่องยนต์ “คือเครื่องจักรกลที่เปลี่ยนจากพลังงานความร้อน หรือกำลังงาน แล้วสร้างผลผลิตออกมา ผลที่ได้ก็คือแรง และการเคลื่อนที่”

รูปเครื่องยนต์นี้เป็นชนิดหนึ่งของเครื่องยนต์ที่มีอยู่หลายชนิด เครื่องยนต์เผาไหม้

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      ในระบบไครโอเจนิกส์ที่จะทำให้ระบบทำงานได้ จะต้องใช้ต้นกำลังที่เป็นเครื่องยนต์ เพื่อที่มันจะสามารถสร้างกำเนิดความเย็น และทำการเปลี่ยนสถานะจากก๊าซ กลายเป็นฮีเลียมเหลว

      จอร์จ คลูด (Georges Claude) วิศวกรชาวฝรั่งเศส เป็นผู้เริ่มนำเครื่องทำความเย็น แบบที่ใช้การแทนที่ของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ จนนำไปสู่การขยายตัวของสารความเย็น ในปี พ.ศ. 2445 

      ในหลักการของมัน คือ การแทนที่ด้วยอุปกรณ์ที่คล้ายลูกสูบ และกระบอกสูบเครื่องยนต์ ซึ่งก่อนหน้านั้น จะใช้เครื่องยนต์ไอน้ำซึ่งมีใช้กันมานานข้ามศตวรรษ

      พลังงานความร้อนที่ได้จากการไหลของฮีเลียมความดันสูง ได้มาจากการสร้างแรง และการเคลื่อนที่โดยการขยายตัวของก๊าซ ซึ่งก๊าซที่เป็นตัวช่วยในการผลักดันล้อช่วยแรง และมอเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

      ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์เผาไหม้ คือมันไม่สร้างพลังงานออกมาเพื่อใช้เป็นการเคลื่อนที่ แต่มันใช้สร้างอุณหภูมิจนก่อตัวเป็นพลังงาน จนได้เป็นความร้อนสัมผัสเพื่อเปลี่ยนสถานะ ซึ่งจะถูกนำมาพิจารณาการทำงานในวัฏจักรการขยายตัวในรูปแบบไครโอเจนิกส์

วัฏจักรเครื่องยนต์ขยายตัว

รูปวัฏจักรเครื่องยนต์

A วาล์วทางเข้าเปิดรับฮีเลียมความดันสูง (250 ถึง 300 psig) ที่เข้าไปในลูกสูบ ผลเพื่อการขับกระบอกสูบให้มีการเคลื่อนที่ขึ้นไป

B วาล์วทางเข้าปิด ขณะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ขึ้นก๊าซจะขยายตัว และมีความเย็น

C เป็นวัฏจักรการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ก๊าซขยายตัว และความเย็น

D ขณะที่ลูกสูบขึ้นสู่ จุดศูนย์ตายบน (Top Dead Center: TDC)

รูปวัฏจักรเครื่องยนต์ ต่อ

E เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ผ่านจุดศูนย์ตายบนไปแล้ว วาล์วไอเสียก็เริ่มเปิด ในการหมุนนี้จะมีล้อช่วยแรงทำหน้าที่สะสมพลังงานเพื่อที่จะให้มีแรงทำไปตามวัฏจักรเพื่อความต่อเนื่อง

F ลูกสูบเคลื่อนที่ลงอย่างต่อเนื่อง โดยถูกขับด้วยแรงจากสูบอื่น และล้อช่วยแรง

G ลูกสูบเคลื่อนที่เข้าใกล้จุดศูนย์ตายล่าง (Bottom Dead Center: BDC) ขณะที่วาล์วไอเสียปิด

H วาล์วไอเสียปิด และเป็นเวลาที่สั้นที่วาล์วทั้งสองเปิด-ปิด เหลื่อมกัน ซึ่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงอย่างต่อเนื่อง ก๊าซในกระบอกสูบถูกอัดตัว นี้เรียกว่า อัดซ้ำ

I จุดศูนย์ตายล่าง และพร้อมอัดซ้ำอีกเป็นวัฏจักร

กราฟการทำงานเครื่องยนต์

1. วาล์วไอดีเปิด และเริ่มก่อตัวของความดัน

2. วาล์วไอดีปิด และความดันคงที่ชั่วขณะ ที่จุด 2 3 เป็นวัฏจักรขยาย

3. วาล์วไอเสียเปิด และความดันตกอย่างทันที

4. วาล์วไอเสียปิด เหตุมาจากการอัดของก๊าซอีกครั้งหนึ่ง

รูปกราฟความดัน เวลา

รูปด้านบนนี้ เป็นภาพการพล๊อตกราฟระหว่าง ความดัน และเวลา องศาที่เห็นเป็นตำแหน่งการเคลื่อนที่ของลูกสูบ

แผนผังแสดงประสิทธิผลภาพของเครื่องยนต์ (Engine Efficiency Plot)

รูปการพล็อตกราฟแสดงประสิทธิภาพ

      จากภาพแสดงให้เห็นถึงการพล๊อตกราฟแสดงประสิทธิภาพ เป็นอัตราส่วนระหว่างความดันเข้า กับความดันออก

      ประสิทธิภาพการขยายตัวของเครื่องยนต์ ทั่วไปแล้วอยู่ระหว่างการเหลื่อมล้ำ หรือโอเวอร์แล็บ (Overlab) ของวาล์ว เพราะว่าหากมีระยะช่องว่างต่อช่วงยกตัววาล์วไม่ดี หรือวาล์วเสียหายเพราะวาล์วสกปรก การทำงานก็อาจจะเกิดความผิดปกติได้

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

ร่วมน้อมรำลึกถึง คำพ่อสอน เพื่อใช้เป็นแนวทางในการดำเนินชีวิต

“ความเจริญของประเทศชาติ เป็นความเจริญส่วนรวม

ซึ่งเกิดจากผลงาน หรือผลของการกระทำของคนทั้งชาติ

ถือได้ว่าทุกคนแบ่งหน้าที่กันทำประโยชน์ให้แก่ชาติ

ตามความถนัด และความสามารถ 

และเกื้อกูลกันและกัน

ไม่มีผู้ใดจะอยู่ได้ และทำงานให้แก่ประเทศชาติ

ได้โดยลำพังตนเอง”

พระบรมราโชวาทของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว

ในพิธีพระราชทานปริญญาบัตรของจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ๑๐ กรกฎาคม ๒๕๑๓

ขอน้อมส่งพระองค์สู่สวรรคาลัย

ด้วยเกล้าด้วยกระหม่อมขอเดชะ

<หน้าที่แล้ว                                 สารบัญ                    หน้าต่อไป>