Λύσεις — Κεφάλαιο 7: Ψύξη Μέσα από Δύο Εργαζόμενα Μέσα (σελ. 279-281) – ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΨΥΞΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 7: Ψύξη Μέσα από Δύο Εργαζόμενα Μέσα

Λύσεις στις 6 επαναληπτικές ερωτήσεις του κεφαλαίου 7: τα δύο εργαζόμενα μέσα στην ψύξη με απορρόφηση (ψυκτικό μέσο και μέσο απορρόφησης) και τα κλασικά ζευγάρια τους (αμμωνία-νερό, νερό-διάλυμα βρωμιούχου λιθίου), η βασική διαφορά από τις διατάξεις συμπίεσης ατμών (απουσία συμπιεστή, μεταφορά με το φαινόμενο της απορρόφησης), το χαρακτηριστικό γνώρισμα των διατάξεων απορρόφησης (ελάχιστη μηχανική ενέργεια, θερμική ενέργεια για διαχωρισμό), οι επιτυγχανόμενες θερμοκρασίες ανά ζευγάρι μέσων και η αναλυτική λειτουργία της ψυκτικής εγκατάστασης απορρόφησης αμμωνίας-νερού (§7.1.1: απορροφητήρας, αντλία διαλυμάτων, βραστήρας-διαχωριστής, συμπυκνωτής, ψύκτης/εξατμιστής).

Τα δύο εργαζόμενα μέσα στη μέθοδο απορρόφησης

Ερώτηση: Ποια μέσα χρησιμοποιούνται στη μέθοδο απορρόφησης;

Απάντηση:

• §7.1 «Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται δύο εργαζόμενα μέσα, το ψυκτικό μέσο και το μέσο απορρόφησης. Κλασικά ζευγάρια τέτοιων μέσων είναι: 1. Αμμωνία - Νερό (ΝΗ3/Η2Ο)... 2. Νερό - Διάλυμα Βρωμιούχου Λιθίου (Η2Ο/LiBr)...»

Σύνοψη: Στη μέθοδο της απορρόφησης χρησιμοποιούνται δύο εργαζόμενα μέσα: το ψυκτικό μέσο και το μέσο απορρόφησης. Τα δύο κλασικά ζευγάρια τέτοιων μέσων είναι: (1) Αμμωνία - Νερό (ΝΗ3/Η2Ο), όπου ψυκτικό μέσο είναι η αμμωνία και μέσο απορρόφησης το νερό, και (2) Νερό - Διάλυμα Βρωμιούχου Λιθίου (Η2Ο/LiBr), όπου ψυκτικό μέσο είναι το νερό και μέσο απορρόφησης το διάλυμα βρωμιούχου λιθίου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ψυκτικό μέσο + μέσο απορρόφησης· ζευγάρια: αμμωνία-νερό, νερό-διάλυμα βρωμιούχου λιθίου

Βασική διαφορά διατάξεων απορρόφησης και συμπίεσης ατμών

Ερώτηση: Ποια είναι η βασική διαφορά μεταξύ των διατάξεων με απορρόφηση και με συμπίεση ατμών;

Απάντηση:

• §7.1 «Η διαφορά μεταξύ διατάξεων με απορρόφηση και διατάξεων με συμπιεστή ατμών ψυκτικού μέσου είναι ότι στις πρώτες δε χρησιμοποιείται συμπιεστής. Η μεταφορά του ψυκτικού μέσου από τη χαμηλή πίεση (ατμοποίησης) στην υψηλή (συμπύκνωσης) γίνεται με τη χρήση του φαινομένου της απορρόφησης... Η μεταφορά αυτή γίνεται με χρήση μηχανικής ή θερμοσιφωνικής αντλίας.»

Σύνοψη: Η βασική διαφορά είναι ότι στις διατάξεις με απορρόφηση δεν χρησιμοποιείται συμπιεστής. Η μεταφορά του ψυκτικού μέσου από τη χαμηλή πίεση (ατμοποίησης) στην υψηλή πίεση (συμπύκνωσης) γίνεται με τη χρήση του φαινομένου της απορρόφησης: το ήδη ατμοποιημένο ψυκτικό μέσο απορροφάται από το μέσο απορρόφησης, δημιουργώντας υγρό διάλυμα στη χαμηλή πίεση, το οποίο μεταφέρεται στην υψηλή πίεση με μηχανική ή θερμοσιφωνική αντλία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Απορρόφηση: χωρίς συμπιεστή, μεταφορά με απορρόφηση+αντλία· συμπίεση ατμών: με συμπιεστή

Έλλειψη κινούμενων μερών στις διατάξεις απορρόφησης

Ερώτηση: Γιατί στις ψυκτικές διατάξεις με απορρόφηση δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη;

Απάντηση:

• §7.1 «Η περίπτωση της θερμοσιφωνικής [αντλίας] χρησιμοποιείται σε διατάξεις απορρόφησης με αδρανές αέριο στην οποία δεν απαιτείται καθόλου μηχανική ενέργεια. Αυτό, πέρα από τα άλλα, συνεπάγεται πλήρη έλλειψη κινούμενων μερών και απόλυτα αθόρυβη λειτουργία. Όταν χρησιμοποιείται μηχανική αντλία, η απαραίτητη μηχανική ενέργεια... είναι ασήμαντη.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η πλήρης έλλειψη κινούμενων μερών δεν ισχύει για όλες τις διατάξεις απορρόφησης, αλλά ειδικά για εκείνες που χρησιμοποιούν θερμοσιφωνική αντλία σε διατάξεις με αδρανές αέριο: εκεί η μεταφορά του διαλύματος από τη χαμηλή στην υψηλή πίεση επιτυγχάνεται αποκλειστικά με θερμικά φαινόμενα (διαφορές πυκνότητας λόγω θέρμανσης, όπως σε ένα θερμοσίφωνο), χωρίς να απαιτείται καθόλου μηχανική ενέργεια — άρα δεν χρειάζεται καμία αντλία ή άλλο κινούμενο μηχανικό εξάρτημα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα πλήρη έλλειψη κινούμενων μερών και απόλυτα αθόρυβη λειτουργία. (Στις διατάξεις που χρησιμοποιούν μηχανική αντλία υπάρχει βέβαια το κινούμενο μέρος της αντλίας, αλλά η απαιτούμενη μηχανική ενέργεια παραμένει ασήμαντη σε σχέση με έναν μηχανικό συμπιεστή ατμού.)

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στις διατάξεις με θερμοσιφωνική αντλία + αδρανές αέριο η μεταφορά γίνεται μόνο με θερμικά φαινόμενα, χωρίς μηχανική ενέργεια/κινούμενα μέρη

Βασικό χαρακτηριστικό γνώρισμα των διατάξεων απορρόφησης

Ερώτηση: Ποιο είναι το βασικό χαρακτηριστικό γνώρισμα των ψυκτικών διατάξεων με απορρόφηση;

Απάντηση:

• §7.1 «Χαρακτηριστικό γνώρισμα λοιπόν των ψυκτικών διατάξεων με απορρόφηση είναι ότι χρειάζονται ελάχιστη, μέχρι καθόλου, μηχανική ενέργεια και ότι η παραγωγή της ψυκτικής ισχύος εκτελείται μόνο με χρήση θερμικής ενέργειας, που είναι απαραίτητη για το διαχωρισμό του ψυκτικού μέσου από το μέσον απορρόφησης στην υψηλή πίεση. Ο διαχωρισμός γίνεται με βρασμό και κλασματική απόσταξη.»

Σύνοψη: Το βασικό χαρακτηριστικό γνώρισμα των ψυκτικών διατάξεων με απορρόφηση είναι ότι χρειάζονται ελάχιστη, μέχρι καθόλου, μηχανική ενέργεια, ενώ η παραγωγή της ψυκτικής ισχύος εκτελείται μόνο με χρήση θερμικής ενέργειας. Η θερμική αυτή ενέργεια είναι απαραίτητη για το διαχωρισμό του ψυκτικού μέσου από το μέσο απορρόφησης στην υψηλή πίεση, ο οποίος γίνεται με βρασμό και κλασματική απόσταξη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ελάχιστη/καθόλου μηχανική ενέργεια — παραγωγή ψυκτικής ισχύος μόνο με θερμική ενέργεια (διαχωρισμός με βρασμό/κλασματική απόσταξη)

Θερμοκρασίες αμμωνίας-νερού και βρωμιούχου λιθίου-νερού

Ερώτηση: Ποιες θερμοκρασίες παράγονται με τις διατάξεις αμμωνίας - νερού και ποιες με τις διατάξεις βρωμιούχου λιθίου - νερού;

Απάντηση:

• §7.1 «Σε διατάξεις αμμωνίας - νερού, είναι δυνατή η επίτευξη θερμοκρασίας παραγωγής ψυκτικής ισχύος μέχρι και -70°C με μονοβάθμια εγκατάσταση... Οι διατάξεις νερού - διαλύματος βρωμιούχου λιθίου έχουν περιορισμένη δυνατότητα θερμοκρασίας ατμοποίησης... με αποτέλεσμα οι διατάξεις αυτές να μη χρησιμοποιούνται ποτέ για θερμοκρασίες μικρότερες των 0°C.»

Σύνοψη: Με τις διατάξεις αμμωνίας - νερού είναι δυνατή η επίτευξη θερμοκρασίας παραγωγής ψυκτικής ισχύος μέχρι και -70°C με μονοβάθμια εγκατάσταση — θερμοκρασία που καμία μονοβάθμια διάταξη συμπίεσης ατμού δεν μπορεί να πλησιάσει. Αντίθετα, οι διατάξεις νερού - διαλύματος βρωμιούχου λιθίου έχουν περιορισμένη δυνατότητα θερμοκρασίας ατμοποίησης: επειδή το νερό (που εδώ είναι το ψυκτικό μέσο) στερεοποιείται στους 0°C, οι διατάξεις αυτές δεν χρησιμοποιούνται ποτέ για θερμοκρασίες μικρότερες των 0°C.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αμμωνία-νερό: μέχρι -70°C· βρωμιούχο λίθιο-νερό: μόνο θερμοκρασίες >0°C (το νερό παγώνει στους 0°C)

Λειτουργία της ψυκτικής εγκατάστασης απορρόφησης αμμωνίας-νερού

Ερώτηση: Να περιγράψετε τη λειτουργία της ψυκτικής εγκατάστασης απορρόφησης με διάλυμα αμμωνίας - νερού.

Απάντηση:

• §7.1.1 «Στην ψυκτική μηχανή απορρόφησης οι ατμοί οδηγούνται στον απορροφητήρα και μετά στον ψύκτη... Η αντλία του διαλυτικού μέσου αναρροφά το εμπλουτισμένο σε ψυκτικό ρευστό διαλυτικό μέσο από τον απορροφητήρα και το καταθλίβει στο διαχωριστή... Με θέρμανση ατμοποιείται το διάλυμα στο διαχωριστή, ενώ παράλληλα διαχωρίζονται τα στοιχεία του, τα οποία οδηγούνται, το μεν ψυκτικό μέσον στον συμπυκνωτή, το δε υγροποιημένο, φτωχό σε ψυκτικό ρευστό διαλυτικό μέσον μετά από εκτόνωση, στον απορροφητήρα... Στον ψύκτη εκτελείται ατμοποίηση, η οποία προκαλεί ψύξη και ο παραγόμενος ατμός, περνώντας από τον απορροφητήρα, εκτελεί πλήρως τον ψυκτικό κύκλο. Η λειτουργία... μπορεί να είναι συνεχής η περιοδική.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στην ψυκτική εγκατάσταση απορρόφησης αμμωνίας - νερού, η αντλία διαλυμάτων αναρροφά από τον απορροφητήρα το διαλυτικό μέσο (νερό), εμπλουτισμένο με ψυκτικό ρευστό (αμμωνία), και το καταθλίβει στο διαχωριστή (βραστήρα), όπου επικρατεί η πίεση συμπύκνωσης Ρσυμπ. Στο διαχωριστή, με θέρμανση, το διάλυμα ατμοποιείται και διαχωρίζονται τα στοιχεία του: το ψυκτικό μέσο (αμμωνία) οδηγείται ως ατμός στο συμπυκνωτή, ενώ το υγροποιημένο, φτωχό πλέον σε ψυκτικό ρευστό διαλυτικό μέσο (νερό), μετά από εκτόνωση μέσω στραγγαλιστικής εκτονωτικής διάταξης, επιστρέφει στον απορροφητήρα για νέα απορρόφηση ψυκτικού μέσου. Ο ατμός αμμωνίας, περνώντας από το συμπυκνωτή, υγροποιείται και συγκεντρώνεται στη φιάλη συλλογής, ενώ στη συνέχεια διέρχεται από δεύτερο εκτονωτή προτού φτάσει στον ψύκτη (εξατμιστή). Στον ψύκτη εκτελείται η ατμοποίηση της αμμωνίας, η οποία προκαλεί την επιθυμητή ψύξη, και ο παραγόμενος ατμός, περνώντας ξανά από τον απορροφητήρα (όπου απορροφάται από το νερό, με πίεση Ρατμ και θερμοκρασία λίγο πάνω από την Τ0), ολοκληρώνει πλήρως τον ψυκτικό κύκλο. Η διαφορά πιέσεων μεταξύ των τμημάτων ατμοποίησης και συμπύκνωσης, απαραίτητη για την κυκλοφορία των ρευστών, δημιουργείται από την ίδια την αντλία διαλυμάτων. Η λειτουργία της εγκατάστασης μπορεί να είναι συνεχής ή περιοδική.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κύκλος: αντλία διαλυμάτων → βραστήρας/διαχωριστής (θέρμανση, διαχωρισμός) → συμπυκνωτής → φιάλη συλλογής/εκτονωτής → ψύκτης/εξατμιστής (ψύξη) → απορροφητήρας → επανάληψη· διαφορά πιέσεων από την αντλία διαλυμάτων