ประสิทธิภาพทางทฤษฎี คือประสิทธิภาพที่สูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เป็นขีดจำกัดการใช้พลังงานที่น้อยที่สุดในการทำกิจกรรมใดๆก็ตาม ในทางวิศวกรรม เราจะเรียนรู้ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีเป็นระบบๆไป เช่น ระบบทำความเย็น ระบบเครื่องจักรสันดาปภายใน ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ซึ่ง พอลงลึก เราก็มักจะไม่สังเกตภาพกว้างในการใช้งานของมัน ดังนั้น เรามาดูกันเล่นๆว่า ในชีวิตจริงของวิศวกร ตัวประสิทธิภาพของอะไรต่อมิอะไรนั้น มันอยู่ที่ไหน
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการทำความเย็น
แอร์ ไอศครีม และ ตู้เย็น เป็นผลผลิตที่มาจากกระบวนการ Heat pump
เราเริ่มจากเรื่องง่ายๆอย่างเครื่องปรับอากาศกันก่อน ประสิทธิภาพการทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ มีการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และ แม้ วิศวกรทั่วไปจะเคยเรียนเรื่องประสิทธิภาพการทำความเย็น แต่ส่วนใหญ่ เชื่อว่าไม่รู้ว่า ทำไม ประสิทธิภาพการทำความเย็นเชิงทฤษฏี กับภาคปฏิบัติ มันต่างกันได้มหาศาลมาก ถ้าเราจะทำอากาศในห้องให้อุณหภูมิอยู่ที 25 องศา โดยให้อุณหภูมิข้างนอกคือ 35 องศา เราแปลงหน่วยอุณหภูมิเป็นเคลวินกดปุ๊บๆๆ เราจะได้ตัวเลขค่าประสิทธิภาพการทำความเย็นอยู่ที่ประมาณ 30 kWความเย็น/kWไฟฟ้า หรือ 0.1 kW ต่อตันความเย็น แล้วทำไม แอร์บ้านถึงมีประสิทธิภาพแค่ 3.5 kW ความเย็น ต่อ kW ไฟฟ้าเป็นอย่างเก่งล่ะ
กลไกภายในของเครื่องปรับอากาศ สังเกตวงจรการไหลของฟรีออน ที่รับความร้อนจากอากาศในห้องไประบายนอกห้อง
ข้อจำกัดที่สำคัญคือ ประสิทธิภาพเชิงความเย็นจะอยู่ที่อุณหภูมิของสารทำความเย็น แน่นอน ถ้าเราต้องการระบายความร้อนจากสารทำความเย็นสู่บรรยากาศ เราก็ต้องเพิ่มพื้นที่ผิวการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งมันก็แพง เราจึงมักให้มีส่วนต่างอุณหภูมิสูงๆแทน แต่เพราะมูลค่าพลังงานมันแพงขึ้น ปัจจุบัน เครื่องทำความเย็นต่างๆ ไม่ว่าจะแอร์ หรือ Chiller ก็จะลงทุนเพิ่มกับพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนมากขึ้น จากแต่ก่อน อุณหภูมิ Coil ร้อน อาจอยู่ที่ 90 องศา ปัจจุบัน ก็จะตั้งให้ต่ำลง อาจเหลือแค่ 60 – 70 องศา และอยู่แถวๆ 40 – 45 องศาสำหรับ Chiller ซึ่งประสิทธิภาพตรงนี้ ยังเพิ่มได้อีกมาก เพราะ ปัจจุบัน แอร์บ้าน มีประสิทธิภาพเพียง 10% ของประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีเท่านั้นเอง
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการแยกสารหรือ การกวนผสม
การแยกและการผสม: การกลั่นเหล้าแยกน้ำออกจากแอลกอฮอล์ การกวนผสม และการแยกคราบสกปรกออกจากจาน
ปรกติเวลาพูดถึงประสิทธิภาพการกลั่นเรามักจะพูดว่ามันจะแยกสาร A ออกจากสาร B ได้มากที่สุดขนาดไหน แล้วเทียบประสิทธิภาพว่าเราสามารถแยกมันได้ เท่าไรเทียบกับสภาพสมดุล แต่ ตรงนี้เราไม่ได้พูดถึงการแยก แต่พูดถึงพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกครับ ซึ่งพลังงานที่ใช้ ในการแยกสารละลาย ขั้นต่ำสุดจะต้องเท่ากับพลังงานที่ใช้ในการละลาย คุณจะแปลกใจว่ากิจกรรมการกลั่นแยกนั้น จริงๆแล้ว ต้องการใช้พลังงานแค่นิดเดียว ถ้าหากเราคำนวณด้วยสมการของ Morst[1] ถ้าเราจะแยกเกลือออกจากน้ำทะเล พลังงานขั้นต่ำสุดที่เราพึงใช้มีแค่ 2.8 kJ ต่อน้ำทะเล 1 ลิตร เท่านั้น [2] แต่การกลั่นแยกเกลือออกจากน้ำทะเล เราจะใช้พลังงานประมาณ 2300 kJ ต่อ ลิตร เพราะเราจะจำกัดความคิดของตัวเราไว้ว่าเราต้องต้มน้ำให้เดือดแยกออกมา แต่ มันไม่จำเป็นต้องทำอย่างนั้น
เราสามารถดูตัวอย่าง เช่นระบบ Evaporator ที่เราเอาไอน้ำที่แยกออกมา มาแลกเปลี่ยนความร้อนกับตัวมันเองใหม่ในสภาพ Vacuum เพราะเราต้องการแค่แยกน้ำออกจากเกลือ ไม่ได้ต้องการผลิตไอน้ำ
การแยกและการผสม: Vacuum Evaporator น้ำ จะเดือดที่อุณหภูมิต่ำลงถ้าความดันต่ำลง การใช้ Vacuum จะสามารถปรับเปลี่ยนจุดเดือดของน้ำเพื่อจะนำไอน้ำที่ระเหยออกมา นำไป Recoverต้มน้ำใน Stage ก่อนหน้า เป็นการลดการใช้พลังงาน
และ เรายังสามารถดูตัวอย่างการกรองด้วยระบบ Reverse Osmosis ที่ใช้แรงดันผ่านเยื่อ Membrane เพื่อแยกน้ำ
แน่นอนว่า จริงๆแล้ว ระบบเตาอบผลไม้แห้ง ก็จะอยู่ ก็จะอยู่ภายใต้ข้อจำกัดนี้เช่นกัน และมันมีทางที่จะใช้พลังงานให้น้อยลงกว่าที่เราทำๆกันอยู่ได้เป็น 100 เท่าเลยทีเดียว
การแยกและการผสม: เกระบวนการ อบแห้งลูกเกด นมผง หรือ อินทผาลัม ที่ตามปรกติ เราใช้ความร้อนตรงๆในการระเหยน้ำออก มีการใช้พลังงานได้นับเป็น 100 เท่า ของพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นจริงๆ
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการขนส่ง
การขนส่ง: การขนส่ง เครื่องทุ่นแรงในการเดินทาง จักรยาน รถยนต์ และเครื่องบิน
โอเค เรารู้ว่ารถยนต์ทั่วๆไป ณ ปัจจุบันสามารถขนส่งพื้นราบด้วยอัตราการใช้พลังงาน 5 – 10 ลิตรน้ำมันต่อร้อยกิโลเมตร การขนส่งระบบราง สามารถทำการขนส่งคนและสินค้าได้ที่อัตราใช้พลังงานน้อยกว่า ครึ่งลิตรต่อร้อยกิโลเมตร แล้ว ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการขนส่งมันจำกัดที่ตรงไหน
การขนส่ง: การขนส่งระบบราง Maglev ใช้แม่เหล็กในการลดแรงเสียดทานและประหยัดพลังงานในการขนส่ง เคยเป็น Concept มาแล้วกว่าครึ่งศตวรรต จนมาเป็นของจริงใช้แพร่หลายในปัจจุบัน
ในทางฟิสิกส์ การเคลื่อนที่แนวราบ ไม่มีความจำเป็นต้องใช้พลังงาน หรือ คุณจำเป็นต้องใช้พลังงานแค่ 0 Joules จะต่อกี่ร้อยกิโลเมตรก็ตาม ส่วนประกอบที่สำคัญที่ทำให้เราต้องใช้พลังงาน เพราะระบบจักรกล ล้วนมีแรงเสียดทาน ของล้อ ของเพลา ของก้านสูบ ของลูกปืนแกนหมุน shaft มันเกิดจากการที่คุณต้องชะลอเพื่อหยุดรถเมื่อถึงที่หมายหรือติดไฟแดง มันจึงมีสารพัดวิธีที่จะลดแรงเสียดทานเหล่านี้ เช่น การใช้แม่เหล็กในการยกตัวรถไฟขึ้นจากราง [3] มันมีการติดไดนาโมเพื่อใช้ทดแทนเบรค เมื่อรถชะลอความเร็ว ก็แปลงพลังงานจลน์กลับเป็นศักย์พลังงานไฟฟ้าเพื่อนำมาใช้งานใหม่[4] มันไม่ต้องแปลกใจว่า ทำไม วันนี้เราถึงมีรถที่สามารถทำประสิทธิภาพเชิงพลังงานได้ 100 กิโลเมตรต่อลิตร เพราะ จริงๆ เราก็ไม่ต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนที่แนวราบตามกฏทางฟิสิกส์
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของแสงสว่าง
ไฟฟ้าแสงสว่าง: กลางคืน เมืองของมนุษย์กลายเป็นนครที่สว่างไสวจากหลอดไฟแสงสว่าง
จากยุคของการก่อกองไฟ มนุษย์เราได้ผลิตหลอดไฟแบบหลอดไส้ แล้วก็มาเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์ จนถึงปัจจุบันมาเป็นหลอด LED ที่ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการส่องสว่าง เพิ่มจาก 0.3 lm/W ของเทียนไข มาเป็น 20 lm/W ของหลอดไส้ แล้วก็มาเป็น 100 lm/W ของหลอดฟลูออเรสเซนต์ T5 จนถึง LED ที่ปัจจุบันมีประสิทธิภาพสูงได้ถึง 150 lm/W และยังพัฒนาขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นแล้ว ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดของการให้แสงสว่าง มันจะไปได้ถึงขนาดไหนกัน
ไฟฟ้าแสงสว่าง: วิวัฒนาการของไฟฟ้าแสงสว่าง
เราต้องรู้ก่อนว่า มนุษย์เรา ไม่ได้มองเห็นแสงทุกช่วง เราเห็นแสงที่อยู่ในช่วงแค่ 400 – 700 nm เท่านั้น และ ในช่วง 400 – 700 นี้ ตาของเรา ตอบสนองต่อแสงแค่ที่ช่วงความยาวคลื่น 420 530 และ 560 nm [5] สมมุติว่าเราต้องการช่วงแสงเสมือนจริงของดวงอาทิตย์ ตลอดช่วง 400 – 700 nm ประสิทธิภาพเชิงพลังงานสูงสุดในการผลิตแสงตลอดช่วงนี้คือแค่ 251 lm/W และ ถ้าหากเราต้องการแค่แสงมองเห็น โดยไม่สนใจความเสมือนจริงของสี ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีของการส่องสว่าง จะอยู่ที่ 683 lm/W ตรงนี้ ถ้าเปรียบเทียบคือ มันมีความเป็นไปได้ว่า หลอดฟลูออเรสเซนต์ ที่ปัจจุบันหลอดขั้วเขียว ใช้ไฟฟ้า 36 W กำลังจะถูกทดแทนด้วยหลอด LED ขนาด 10 – 18 W และ ในอนาคต มันอาจถูกทดแทนด้วยอะไรบางอย่างที่ใช้พลังงานแค่ 4 W ต่อหลอดแค่นั้นก็เป็นได้ [6]
ประสิทธิภาพเชิงพลังงาน: ประสิทธิภาพทางทฤษฎีอยู่ที่ไหนบ้าง
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการทำความเย็น
แอร์ ไอศครีม และ ตู้เย็น เป็นผลผลิตที่มาจากกระบวนการ Heat pump
เราเริ่มจากเรื่องง่ายๆอย่างเครื่องปรับอากาศกันก่อน ประสิทธิภาพการทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ มีการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และ แม้ วิศวกรทั่วไปจะเคยเรียนเรื่องประสิทธิภาพการทำความเย็น แต่ส่วนใหญ่ เชื่อว่าไม่รู้ว่า ทำไม ประสิทธิภาพการทำความเย็นเชิงทฤษฏี กับภาคปฏิบัติ มันต่างกันได้มหาศาลมาก ถ้าเราจะทำอากาศในห้องให้อุณหภูมิอยู่ที 25 องศา โดยให้อุณหภูมิข้างนอกคือ 35 องศา เราแปลงหน่วยอุณหภูมิเป็นเคลวินกดปุ๊บๆๆ เราจะได้ตัวเลขค่าประสิทธิภาพการทำความเย็นอยู่ที่ประมาณ 30 kWความเย็น/kWไฟฟ้า หรือ 0.1 kW ต่อตันความเย็น แล้วทำไม แอร์บ้านถึงมีประสิทธิภาพแค่ 3.5 kW ความเย็น ต่อ kW ไฟฟ้าเป็นอย่างเก่งล่ะ
กลไกภายในของเครื่องปรับอากาศ สังเกตวงจรการไหลของฟรีออน ที่รับความร้อนจากอากาศในห้องไประบายนอกห้อง
ข้อจำกัดที่สำคัญคือ ประสิทธิภาพเชิงความเย็นจะอยู่ที่อุณหภูมิของสารทำความเย็น แน่นอน ถ้าเราต้องการระบายความร้อนจากสารทำความเย็นสู่บรรยากาศ เราก็ต้องเพิ่มพื้นที่ผิวการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งมันก็แพง เราจึงมักให้มีส่วนต่างอุณหภูมิสูงๆแทน แต่เพราะมูลค่าพลังงานมันแพงขึ้น ปัจจุบัน เครื่องทำความเย็นต่างๆ ไม่ว่าจะแอร์ หรือ Chiller ก็จะลงทุนเพิ่มกับพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนมากขึ้น จากแต่ก่อน อุณหภูมิ Coil ร้อน อาจอยู่ที่ 90 องศา ปัจจุบัน ก็จะตั้งให้ต่ำลง อาจเหลือแค่ 60 – 70 องศา และอยู่แถวๆ 40 – 45 องศาสำหรับ Chiller ซึ่งประสิทธิภาพตรงนี้ ยังเพิ่มได้อีกมาก เพราะ ปัจจุบัน แอร์บ้าน มีประสิทธิภาพเพียง 10% ของประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีเท่านั้นเอง
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการแยกสารหรือ การกวนผสม
การแยกและการผสม: การกลั่นเหล้าแยกน้ำออกจากแอลกอฮอล์ การกวนผสม และการแยกคราบสกปรกออกจากจาน
ปรกติเวลาพูดถึงประสิทธิภาพการกลั่นเรามักจะพูดว่ามันจะแยกสาร A ออกจากสาร B ได้มากที่สุดขนาดไหน แล้วเทียบประสิทธิภาพว่าเราสามารถแยกมันได้ เท่าไรเทียบกับสภาพสมดุล แต่ ตรงนี้เราไม่ได้พูดถึงการแยก แต่พูดถึงพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกครับ ซึ่งพลังงานที่ใช้ ในการแยกสารละลาย ขั้นต่ำสุดจะต้องเท่ากับพลังงานที่ใช้ในการละลาย คุณจะแปลกใจว่ากิจกรรมการกลั่นแยกนั้น จริงๆแล้ว ต้องการใช้พลังงานแค่นิดเดียว ถ้าหากเราคำนวณด้วยสมการของ Morst[1] ถ้าเราจะแยกเกลือออกจากน้ำทะเล พลังงานขั้นต่ำสุดที่เราพึงใช้มีแค่ 2.8 kJ ต่อน้ำทะเล 1 ลิตร เท่านั้น [2] แต่การกลั่นแยกเกลือออกจากน้ำทะเล เราจะใช้พลังงานประมาณ 2300 kJ ต่อ ลิตร เพราะเราจะจำกัดความคิดของตัวเราไว้ว่าเราต้องต้มน้ำให้เดือดแยกออกมา แต่ มันไม่จำเป็นต้องทำอย่างนั้น
เราสามารถดูตัวอย่าง เช่นระบบ Evaporator ที่เราเอาไอน้ำที่แยกออกมา มาแลกเปลี่ยนความร้อนกับตัวมันเองใหม่ในสภาพ Vacuum เพราะเราต้องการแค่แยกน้ำออกจากเกลือ ไม่ได้ต้องการผลิตไอน้ำ
การแยกและการผสม: Vacuum Evaporator น้ำ จะเดือดที่อุณหภูมิต่ำลงถ้าความดันต่ำลง การใช้ Vacuum จะสามารถปรับเปลี่ยนจุดเดือดของน้ำเพื่อจะนำไอน้ำที่ระเหยออกมา นำไป Recoverต้มน้ำใน Stage ก่อนหน้า เป็นการลดการใช้พลังงาน
และ เรายังสามารถดูตัวอย่างการกรองด้วยระบบ Reverse Osmosis ที่ใช้แรงดันผ่านเยื่อ Membrane เพื่อแยกน้ำ
แน่นอนว่า จริงๆแล้ว ระบบเตาอบผลไม้แห้ง ก็จะอยู่ ก็จะอยู่ภายใต้ข้อจำกัดนี้เช่นกัน และมันมีทางที่จะใช้พลังงานให้น้อยลงกว่าที่เราทำๆกันอยู่ได้เป็น 100 เท่าเลยทีเดียว
การแยกและการผสม: เกระบวนการ อบแห้งลูกเกด นมผง หรือ อินทผาลัม ที่ตามปรกติ เราใช้ความร้อนตรงๆในการระเหยน้ำออก มีการใช้พลังงานได้นับเป็น 100 เท่า ของพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นจริงๆ
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการขนส่ง
การขนส่ง: การขนส่ง เครื่องทุ่นแรงในการเดินทาง จักรยาน รถยนต์ และเครื่องบิน
โอเค เรารู้ว่ารถยนต์ทั่วๆไป ณ ปัจจุบันสามารถขนส่งพื้นราบด้วยอัตราการใช้พลังงาน 5 – 10 ลิตรน้ำมันต่อร้อยกิโลเมตร การขนส่งระบบราง สามารถทำการขนส่งคนและสินค้าได้ที่อัตราใช้พลังงานน้อยกว่า ครึ่งลิตรต่อร้อยกิโลเมตร แล้ว ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการขนส่งมันจำกัดที่ตรงไหน
การขนส่ง: การขนส่งระบบราง Maglev ใช้แม่เหล็กในการลดแรงเสียดทานและประหยัดพลังงานในการขนส่ง เคยเป็น Concept มาแล้วกว่าครึ่งศตวรรต จนมาเป็นของจริงใช้แพร่หลายในปัจจุบัน
ในทางฟิสิกส์ การเคลื่อนที่แนวราบ ไม่มีความจำเป็นต้องใช้พลังงาน หรือ คุณจำเป็นต้องใช้พลังงานแค่ 0 Joules จะต่อกี่ร้อยกิโลเมตรก็ตาม ส่วนประกอบที่สำคัญที่ทำให้เราต้องใช้พลังงาน เพราะระบบจักรกล ล้วนมีแรงเสียดทาน ของล้อ ของเพลา ของก้านสูบ ของลูกปืนแกนหมุน shaft มันเกิดจากการที่คุณต้องชะลอเพื่อหยุดรถเมื่อถึงที่หมายหรือติดไฟแดง มันจึงมีสารพัดวิธีที่จะลดแรงเสียดทานเหล่านี้ เช่น การใช้แม่เหล็กในการยกตัวรถไฟขึ้นจากราง [3] มันมีการติดไดนาโมเพื่อใช้ทดแทนเบรค เมื่อรถชะลอความเร็ว ก็แปลงพลังงานจลน์กลับเป็นศักย์พลังงานไฟฟ้าเพื่อนำมาใช้งานใหม่[4] มันไม่ต้องแปลกใจว่า ทำไม วันนี้เราถึงมีรถที่สามารถทำประสิทธิภาพเชิงพลังงานได้ 100 กิโลเมตรต่อลิตร เพราะ จริงๆ เราก็ไม่ต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนที่แนวราบตามกฏทางฟิสิกส์
ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของแสงสว่าง
ไฟฟ้าแสงสว่าง: กลางคืน เมืองของมนุษย์กลายเป็นนครที่สว่างไสวจากหลอดไฟแสงสว่าง
จากยุคของการก่อกองไฟ มนุษย์เราได้ผลิตหลอดไฟแบบหลอดไส้ แล้วก็มาเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์ จนถึงปัจจุบันมาเป็นหลอด LED ที่ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการส่องสว่าง เพิ่มจาก 0.3 lm/W ของเทียนไข มาเป็น 20 lm/W ของหลอดไส้ แล้วก็มาเป็น 100 lm/W ของหลอดฟลูออเรสเซนต์ T5 จนถึง LED ที่ปัจจุบันมีประสิทธิภาพสูงได้ถึง 150 lm/W และยังพัฒนาขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นแล้ว ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดของการให้แสงสว่าง มันจะไปได้ถึงขนาดไหนกัน
ไฟฟ้าแสงสว่าง: วิวัฒนาการของไฟฟ้าแสงสว่าง
เราต้องรู้ก่อนว่า มนุษย์เรา ไม่ได้มองเห็นแสงทุกช่วง เราเห็นแสงที่อยู่ในช่วงแค่ 400 – 700 nm เท่านั้น และ ในช่วง 400 – 700 นี้ ตาของเรา ตอบสนองต่อแสงแค่ที่ช่วงความยาวคลื่น 420 530 และ 560 nm [5] สมมุติว่าเราต้องการช่วงแสงเสมือนจริงของดวงอาทิตย์ ตลอดช่วง 400 – 700 nm ประสิทธิภาพเชิงพลังงานสูงสุดในการผลิตแสงตลอดช่วงนี้คือแค่ 251 lm/W และ ถ้าหากเราต้องการแค่แสงมองเห็น โดยไม่สนใจความเสมือนจริงของสี ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีของการส่องสว่าง จะอยู่ที่ 683 lm/W ตรงนี้ ถ้าเปรียบเทียบคือ มันมีความเป็นไปได้ว่า หลอดฟลูออเรสเซนต์ ที่ปัจจุบันหลอดขั้วเขียว ใช้ไฟฟ้า 36 W กำลังจะถูกทดแทนด้วยหลอด LED ขนาด 10 – 18 W และ ในอนาคต มันอาจถูกทดแทนด้วยอะไรบางอย่างที่ใช้พลังงานแค่ 4 W ต่อหลอดแค่นั้นก็เป็นได้ [6]