Alternative Refrigerator Technology:

Magnetic refrigeration system

ในสถานการณ์ที่ปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าของประเทศเพิ่มขึ้นทุกปี ประกอบกับความกังวลเกี่ยวกับปัญหาด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศซึ่งส่งผลต่อการเกิดภัยพิบัติทางธรรมชาติในรูปแบบต่าง ๆ ที่มีความรุนแรงมากขึ้นทั่วโลกมีสาเหตุหลักมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อแปรรูปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่น ๆ เช่นพลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อน เป็นต้น เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของมนุษย์ พลังงานไฟฟ้าถูกนำไปใช้ในเครื่องจักร ตลอดจนอุปกรณ์ต่างๆ ในทุกภาคส่วน ระบบทำความเย็นเป็นอุปกรณ์หนึ่งที่มีการใช้พลังงานไฟฟ้าค่อนข้างมากและมีการใช้งานอย่างแพร่หลายทั้งในภาคอุตสาหกรรม ครัวเรือน หรือในอาคารต่าง ๆ นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามคิดค้นเทคโนโลยีระบบทำความเย็นรูปแบบใหม่ ที่มีประสิทธิภาพพลังงานสูงและสามารถลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอันเกิดจากการใช้สารทำความเย็นในระบบทำความเย็นแบบอัดไอซึ่งมีการใช้งานอยู่ทั่วไป ซึ่งหนึ่งในเทคโนโลยีดังกล่าวคือ “ระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็ก” หรือ “Magnetic refrigeration system”

 

ระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กทำงานบนหลักการของ Magnetocaloric effect ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่จะเกิดขึ้นกับ Magnetocaloric Material (MCM) รูปที่ 1 แสดงถึงหลักการพื้นฐานของ magnetocaloric effect กล่าวคือ เมื่อวัสดุ MCM อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field) โมเลกุลภายในวัสดุ MCM จะมีการจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบในทิศทางเดียวกันส่งผลให้อุณหภูมิของวัสดุ MCM มีค่าสูงขึ้น ในขณะที่ค่าเอนโทรปีแม่เหล็ก (Magnetic Entropy) นั้นลดลง ในทางกลับกัน เมื่อวัสดุ MCM ไม่ได้อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก การจัดเรียงโมเลกุลภายในวัสดุ MCM จะกลับไปสู่ความไม่เป็นระเบียบอีกครั้ง ส่งผลให้ค่าเอนโทรปีแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และส่งผลให้วัสดุ MCM มีอุณหภูมิลดต่ำลง วัสดุ MCM สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในระบบทำความเย็นได้ โดยเปรียบเทียบกับหลักการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอได้ดังรายละเอียดที่จะกล่าวต่อไป

 

 

 

Fig. 1 Schematic diagram of magnetocaloric effect [1]​

​รูปที่ 2 แสดงหลักการทำงานของ Magnetic refrigeration cycle โดยมีหลักการทำงานแบ่งออกเป็น 4 กระบวนการเช่นเดียวกับการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 1-2 เมื่อวัสดุ MCM ในสภาวะที่ 1 (มีอุณหภูมิ T) อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กในสภาวะที่ 2 โมเลกุลภายในวัสดุ MCM จะจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ส่งผลให้อุณหภูมิของวัสดุ MCM เพิ่มขึ้นเป็น T+deltaT ซึ่งกระบวนการนี้จะเหมือนกับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ Compressor ในระบบความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 2-3 เป็นกระบวนการลดอุณหภูมิของวัสดุ MCM ให้เหลืออุณหภูมิ T โดยใช้หลักการ การระบายความร้อนทิ้งสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งมีลักษณะคล้ายคลึงกับการทำงานของคอยล์ร้อน (Condenser) ของระบบความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 3-4 เมื่อเรานำวัสดุ MCM ออกจากอิทธิพลของสนามแม่เหล็ก จะส่งผลให้การจัดเรียงโมเลกุลภายในวัสดุ  MCM กลับไปสู่ความไม่เป็นระเบียบอีกครั้ง ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของวัสดุ MCM มีค่าลดลงเป็น T-deltaT ซึ่งกระบวนการนี้ จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ Expansion Valve ในระบบทำความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 4-1 เป็นกระบวนการที่วัสดุ MCM จะดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม (Cooling Effect) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิจาก T-deltaT ให้มีค่ากลับไปเป็นอุณหภูมิ T อีกครั้งนึง โดยกระบวนการนี้จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับการทำงานของ Evaporator ในระบบทำความเย็นแบบอัดไอ

 

 

สารตัวนำที่ใช้ในการดูด และระบายความร้อนจากวัสดุ MCM จะเป็น Heat Transfer Fluid ชนิดต่างๆ เช่น Ethylene Glycol หรือ น้ำกลั่น เป็นต้น แต่สิ่งที่มีความแตกต่างจากระบบทำความเย็นแบบอัดไอ คือ สารทำความเย็นของระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็ก จะอยู่ในสถานะของแข็ง (วัสดุ MCM) แต่ของระบบทำความเย็นแบบอัดไอจะอยู่ในสถานะของไหล (สารประกอบ Chlorofluorocarbon หรือ CFC) ซึ่งเป็นสารที่สามารถทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศได้ ดังนั้นปัญหาการรั่วซึมของสารทำความเย็นที่เกิดขึ้นจากระบบทำความเย็นแบบอัดไอจึงไม่เกิดขึ้นขึ้นกับระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็ก จึงทำให้ระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กเป็นระบบที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

 

 

 

​Fig. 2 Magnetic refrigeration cycle [2]

​นอกจากนี้ ข้อได้เปรียบของระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กอีกส่วนหนึ่ง คือ ระบบนี้ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องอัดไอเช่นเดียวกับระบบทั่วไป ทำให้สามารถลดลดค่าใช้จ่ายในการเดินระบบและซ่อมบำรุงเครื่องอัดไอซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงานสูงได้ อย่างไรก็ตามการนำระบบดังกล่าวมาประยุกต์ใช้จริงนั้นยังมีข้อจำกัดในเรื่องของวัสดุ MCM (Gadolinium) ที่มีราคาแพงมาก ดังนั้นในขั้นต้นระบบดังกล่าวจะถูกนำมาประยุกต์ใช้กับตู้เย็นที่ใช้ในบ้านเรือนก่อน และถ้าหากในอนาคตนักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาวัสดุ MCM ที่ราคาถูกกว่ามาทดแทน ก็มีความเป็นไปได้อย่างมากที่จะนำระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กไปประยุกต์ใช้กับระบบปรับอากาศ หรือระบบทำความเย็นขนาดใหญ่ในภาคอุตสาหกรรมต่อไป

In such a situation where the country’s electricity consumption continually increases every year, and the concerns about climate change severely impacts on natural disasters throughout the world, fossil fuel is burned to produce energy, i.e. electricity, heat, etc. in response to human need. Electricity is used in machinery and equipment in all sector. Cooling system plays an important role consuming a large quantity of electricity and using widely in not only the industries but also the households and buildings. Hence, the scientists have come up with new and high-efficient technology which can reduce the environmental impact of refrigerant use in the conventional vapor-compression refrigeration systems. One of the such technology is known as “Magnetic refrigeration system or MRS”.

 

 

The MRS works on the principle of “Magnetocaloric effect”, which is a phenomenon that occurs with Magnetocaloric Material (MCM). Fig.1 shows the basic principle of magnetocaloric effect. By applying the magnetic field, the molecules of the MCM will be influenced to align in the same direction, and its magnetic entropy will be reduced. This causes increasing temperature of the material and vice versa. The MCM can be applied as the solid refrigerant for refrigeration system. The comparison of working principle between the new and conventional ones can be explained as following details.

 

 

Fig.2 shows working principle of the MRS, which can be divided into four processes as same as the basic conventional process. Process 1-2: An MCM is placed in the magnetic field where its molecules will be aligned in the same direction, effecting on decreasing of its magnetic entropy. Therefore, the material is heated, and its temperature will become T+deltaT. When compared to the conventional process, this MRS process is similar to the “compression process”. Process 2-3: The added heat from previous process will then be removed to environment by the heat transfer fluid while the magnetic field is constantly held. Then, its temperature will be reduced to T. This is similar to “condensation process” of the conventional one. Process 3-4: By removing the magnetic field, its molecules is returned to disorder condition and the magnetic entropy is increased. Therefore, the MCM temperature will be reduced to T-deltaT. This process is similar to the “expansion process” of the vapor-compression refrigeration system. Process 4-1: The cooled MCM will be placed and absorbed heat from refrigerated space in order to produce cooling effect. Then, the temperature of MCM will be again increased to T and ready to reprocess. This can be compared to the “evaporation process” of the conventional system.

For the vapor-compression system, the refrigerant is a substance, typically fluid, that can be leaked out to the environment. As all we known, many Chlorofluorocarbons (CFCs), which contribute to ozone depletion in the upper atmosphere have been widely used as refrigerants. If it leaks, the system will operate improperly. On the other hand, for the magnetic refrigeration system, there wouldn’t be a problem because the refrigerant is solid, containing in a system without any leakage and being an environmentally friendly substance.

 

 

Moreover, an advantage of the magnetic refrigeration system is that the vapor-compression device (compressor) is unnecessary as with the conventional one. It can reduce the operation and maintenance cost of vapor-compression machine, which is a device consuming high electricity level. However, the application of a such system is still limited, since the cost of MCM or Gadolinium is very high. Therefore, the system would be initially applied to small refrigeration system such as home refrigerator, and if the cheaper material can be developed, the magnetic refrigeration system will be possibly applied to the air conditioning system or large refrigeration system for industry in the future.

© 2018 Advance Industry Media Plus Co., Ltd. All Rights Reserved.​​

Advance Industry Media Plus Co., Ltd.
1104/339 Pattanakarn Road Suanluang, Suanluang, Bangkok, 10250 Thailand

Tel. +66 2136 1406-7

Fax. +66 2187 2899

www.aimplus.co.th   

info@aimplus.co.th​

Ms. Khemruji Pruankaewmanee

Tel: +66 2 136 1406-7
Email: khemruji@aimplus.co.th​

aimplus.co.th

Reader voices

Advertisers

Subscribe

ADVERTISE WITH US 

LINKS

FOLLOW US ON SOCIAL MEDIA

megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
www.thaisheetmetal.com
https://www.okumathai.com/
www.iscarthailand.com
www.digigate.co.th
www.oniintertrade.com
www.yusen-logistics.com
www.hainbuch.co.th
www.big-daishowa.com
http://www.tornos.com/
www.toyoda-tmsea.com
www.tech-nc.com