Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή (σελ. 88-91) – ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΨΥΞΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΨΥΞΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΨΥΞΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή (σελ. 88-91) – ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΨΥΞΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή (σελ. 88-91)

Λύσεις των 21 ερωτήσεων-εργασιών-δραστηριοτήτων του κεφαλαίου 1 (συμπληρώσεις κενών, μετατροπές μονάδων, ανάλυση κύκλου).

Ερώτηση 1 — Μονάδες ψυκτικής ισχύος κλιματιστικού

Ερώτηση: Ποιες από τις παρακάτω μονάδες μπορεί να αφορούν την ψυκτική ισχύ ενός κλιματιστικού μηχανήματος; α. kcal/h β. kcal γ. kW δ. Btu/h ε. Ίπποι – PS

Απάντηση:

Η ψυκτική ισχύς (ψυκτική ικανότητα) είναι θερμική ισχύς: το ποσό θερμότητας που αφαιρεί η διάταξη στη μονάδα του χρόνου (\(\dot Q = Q/t\)), άρα μετριέται σε μονάδες ισχύος — θερμικής ισχύος (σελ. 36-37, 68): α. kcal/h ✔ (Τεχνικό Σύστημα, 1 kcal/h ≈ 1,163 W), γ. kW ✔ (S.I., 1 kW ≈ 860 kcal/h), δ. Btu/h ✔ (αγγλοσαξονικό, 1 kcal/h ≈ 4 Btu/h — η συνηθισμένη μονάδα στα κλιματιστικά, π.χ. 12.000 Btu/h ≈ 3,5 kW ≈ 3000 kcal/h). β. kcal ✘ — είναι μονάδα ενέργειας/θερμότητας (ποσό), όχι ισχύος· δεν εκφράζει «πόσο γρήγορα» αφαιρείται η θερμότητα. ε. PS (ίπποι) — είναι μεν μονάδα ισχύος (1 PS = 0,7355 kW), αλλά κατά το βιβλίο χρησιμοποιείται για τη μηχανική ισχύ του συμπιεστή (kW ή PS), ενώ η ψυκτική ικανότητα, επειδή αφορά μεταφορά θερμότητας, εκφράζεται σε μονάδες θερμικής ισχύος (kcal/h, Btu/h, RT, kW)· άρα δεν αφορά συνήθως την ψυκτική ισχύ (θα μπορούσε μόνο με μετατροπή). Απάντηση: α, γ, δ.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ψυκτική ισχύς είναι θερμική ισχύς (θερμότητα ανά μονάδα χρόνου), άρα: α. kcal/h, γ. kW, δ. Btu/h. Όχι β. kcal (ποσό ενέργειας, όχι ισχύς)· οι ίπποι PS είναι μονάδα ισχύος που χρησιμοποιείται για τον συμπιεστή, όχι για την ψυκτική ικανότητα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

α, γ, δ.

Ερώτηση 2 — Συμπλήρωση: ατμός σε πάγο

Ερώτηση: Μια ποσότητα ατμού μπορεί να γίνει πάγος αρκεί να του ……………. αρκετό ποσό θερμότητας.

Απάντηση:

Απάντηση: «αφαιρέσουμε». Για να μετατραπεί ο ατμός σε πάγο πρέπει να περάσει από δύο αλλαγές φάσης προς την «ψυχρότερη» κατεύθυνση: συμπύκνωση (ατμός → υγρό, αποβολή της λανθάνουσας θερμότητας συμπύκνωσης, π.χ. 2257 kJ/kg για το νερό στους 100 °C), ενδεχομένως ψύξη του υγρού (αισθητή θερμότητα Q = m·c·Δθ έως τους 0 °C) και πήξη (υγρό → στερεό, αποβολή της λανθάνουσας θερμότητας πήξης, 334 kJ/kg) (σελ. 15, 33-34). Όλες αυτές οι μεταβολές γίνονται με αφαίρεση (αποβολή) θερμότητας από την ουσία προς ένα ψυχρότερο περιβάλλον — η θερμότητα ρέει από το θερμότερο (ατμός) στο ψυχρότερο. Αντίστροφα, ο πάγος γίνεται ατμός αν του δώσουμε θερμότητα (τήξη → θέρμανση → εξάτμιση).

Σύνοψη: (ενδεικτική) «…αρκεί να του αφαιρέσουμε αρκετό ποσό θερμότητας» — συμπύκνωση (αποβολή λανθάνουσας συμπύκνωσης), ψύξη του υγρού έως 0 °C και πήξη (αποβολή λανθάνουσας πήξης) γίνονται όλες με αφαίρεση θερμότητας προς ψυχρότερο περιβάλλον.

Κριτήρια αξιολόγησης:

αφαιρέσουμε.

Ερώτηση 3 — Ποιο κρέας θερμαίνει περισσότερο την κατάψυξη

Ερώτηση: Τι θα θερμάνει περισσότερο την κατάψυξη ενός ψυγείου α) 1 kg κρέας που το έχουμε στο χώρο της συντήρησης ή β) 1 kg κρέας που το έχουμε σε θερμοκρασία δωματίου;

Απάντηση:

Το β) — το κρέας που ήταν σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν ένα σώμα μπαίνει στην κατάψυξη (θκψ ≈ −18 °C), αποβάλλει θερμότητα προς τον ψυχρό χώρο μέχρι η θερμοκρασία του να εξισωθεί με αυτήν του χώρου (σελ. 18-19, εικ. 1.15-1.16, 1.32). Το ποσό θερμότητας που αποδίδει είναι ανάλογο με τη θερμοκρασιακή διαφορά αρχικής θερμοκρασίας-κατάψυξης: Q = m·c·(θ_αρχ − θκψ) για την αισθητή θερμότητα (συν την — ίδια και στις δύο περιπτώσεις — λανθάνουσα θερμότητα πήξης του νερού που περιέχει). Και τα δύο κομμάτια έχουν την ίδια μάζα (1 kg) και το ίδιο υλικό (ίδιο c), αλλά: α) από τη συντήρηση (≈ +4 °C) η διαφορά είναι ≈ 4 − (−18) = 22 °C, β) από θερμοκρασία δωματίου (≈ +20 °C) η διαφορά είναι ≈ 20 − (−18) = 38 °C. Άρα το κρέας από το δωμάτιο έχει μεγαλύτερη ενθαλπία (περισσότερη διαθέσιμη θερμική ενέργεια) και δίνει μεγαλύτερο ποσό θερμότητας Q στον χώρο της κατάψυξης — τον «θερμαίνει» περισσότερο και επιβαρύνει περισσότερο την ψυκτική διάταξη. Γι' αυτό συνιστάται τα τρόφιμα να ψύχονται πρώτα στη συντήρηση πριν την κατάψυξη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το β): το κρέας από θερμοκρασία δωματίου. Ίδια μάζα και ειδική θερμότητα, αλλά μεγαλύτερη θερμοκρασιακή διαφορά από την κατάψυξη (≈ 20 − (−18) = 38 °C έναντι ≈ 4 − (−18) = 22 °C) → μεγαλύτερο ποσό αισθητής θερμότητας Q = m·c·Δθ αποδίδεται στον χώρο (μεγαλύτερη ενθαλπία).

Κριτήρια αξιολόγησης:

β — μεγαλύτερη Δθ.

Ερώτηση 4 — Βούτυρο 2 kg ή γάλα 1 kg στο ψυγείο

Ερώτηση: Έχουμε σε θερμοκρασία δωματίου 2 kg βούτυρο [που έχει ειδική θερμότητα 0,33 kcal/(kg·°C)] και 1 kg γάλα [που έχει ειδική θερμότητα 0,90 kcal/(kg·°C]. Ποιο θα θερμάνει περισσότερο το χώρο του ψυγείου στο οποίο θα τα αποθηκεύσουμε;

Απάντηση:

Και τα δύο ξεκινούν από την ίδια θερμοκρασία (δωματίου, π.χ. 20 °C) και θα φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία ψυγείου (π.χ. 4 °C), άρα έχουν την ίδια Δθ (≈ 16 °C). Το ποσό θερμότητας που αποδίδει το καθένα είναι Q = m·c·Δθ (σελ. 30-31), επομένως συγκρίνουμε τα γινόμενα m·c (θερμοχωρητικότητα κάθε σώματος):

m (kg) c (kcal/(kg·°C)) m·c (kcal/°C) Q για Δθ = 16 °C

Βούτυρο 2 0,33 0,66 0,66 × 16 ≈ 10,6 kcal

Γάλα 1 0,90 0,90 0,90 × 16 ≈ 14,4 kcal

Επειδή 0,90 > 0,66, το 1 kg γάλα θα θερμάνει περισσότερο τον χώρο του ψυγείου (θα αποδώσει περίπου 36 % περισσότερη θερμότητα), παρότι έχει τη μισή μάζα — η μεγάλη ειδική θερμότητά του (κοντά στου νερού, 1 kcal/(kg·°C)) υπερκαλύπτει τη διαφορά μάζας. Το συμπέρασμα ισχύει για οποιαδήποτε κοινή Δθ.

	m (kg)	c (kcal/(kg·°C))	m·c (kcal/°C)	Q για Δθ = 16 °C
Βούτυρο	2	0,33	0,66	0,66 × 16 ≈ 10,6 kcal
Γάλα	1	0,90	0,90	0,90 × 16 ≈ 14,4 kcal

Σύνοψη: Ίδια Δθ και για τα δύο, άρα συγκρίνουμε m·c: βούτυρο 2 × 0,33 = 0,66 kcal/°C, γάλα 1 × 0,90 = 0,90 kcal/°C. Το γάλα (0,90 > 0,66) αποδίδει περισσότερη θερμότητα Q = m·c·Δθ (π.χ. για Δθ = 16 °C: 14,4 έναντι 10,6 kcal) και θερμαίνει περισσότερο το ψυγείο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Γάλα: 0,90 > 0,66.

Ερώτηση 5 — Σημασία ενθαλπίας 200 kJ/kg του R-134a

Ερώτηση: Τι σημαίνει ότι η ενθαλπία του ψυκτικού μέσου R-134a (σε κάποια κατάσταση) είναι 200 kJ/kg;

Απάντηση:

Η ειδική ενθαλπία h δηλώνει το ποσό της θερμικής ενέργειας που είναι διαθέσιμο από 1 kg του σώματος στη συγκεκριμένη κατάσταση, μετρημένο από ένα αυθαίρετα ορισμένο σημείο μηδέν/αναφοράς (σελ. 24-25). Για τα ψυκτικά μέσα έχει ορισθεί (από τις χημικές βιομηχανίες) ότι σε κατάσταση κορεσμένου υγρού στους 0 °C έχουν ειδική ενθαλπία 200 kJ/kg — αυτή είναι η ενθαλπία αναφοράς, η αφετηρία μέτρησης των ενθαλπιών στους πίνακες και στα διαγράμματα P-h. Άρα «h = 200 kJ/kg» για το R-134a σημαίνει ότι το ψυκτικό μέσο βρίσκεται στην κατάσταση αναφοράς, δηλαδή είναι κορεσμένο υγρό στους 0 °C (στην αντίστοιχη πίεση κορεσμού ≈ 0,29 MPa) — ή σε κατάσταση με ίση διαθέσιμη θερμική ενέργεια ανά kg. Δεν σημαίνει ότι «περιέχει» απόλυτα 200 kJ ανά kg· η τιμή έχει νόημα μόνο σχετικά: μια κατάσταση με h = 250 kJ/kg διαθέτει 50 kJ/kg περισσότερη θερμική ενέργεια από την αναφορά (π.χ. υγρό 40 °C), και μια κατάσταση με h = 400 kJ/kg (κορεσμένος ατμός 0 °C) 200 kJ/kg περισσότερη — η διαφορά αυτή είναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης. Στους υπολογισμούς του κύκλου χρησιμοποιούμε πάντοτε διαφορές ενθαλπιών (h₁ − h₅, h₂ − h₁).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ότι 1 kg R-134a σε αυτή την κατάσταση διαθέτει θερμική ενέργεια 200 kJ μετρημένη από το αυθαίρετο σημείο αναφοράς· επειδή για τα ψυκτικά μέσα ορίζεται h = 200 kJ/kg για κορεσμένο υγρό 0 °C, η κατάσταση είναι η κατάσταση αναφοράς (κορεσμένο υγρό στους 0 °C). Η τιμή έχει νόημα μόνο σχετικά — στους υπολογισμούς χρησιμοποιούμε διαφορές ενθαλπιών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Αναφορά: κορεσμένο υγρό 0 °C.

Ερώτηση 6 — Συμπλήρωση: εξάτμιση υπό σταθερή πίεση

Ερώτηση: Η εξάτμιση υγρού που γίνεται σε σταθερή πίεση είναι μια διεργασία …………… και ……………………..

Απάντηση:

Απάντηση: «ισόθλιπτη (ισοβαρής) και ισοθερμοκρασιακή». Η ατμοποίηση με απορρόφηση λανθάνουσας θερμότητας γίνεται σε σταθερή θερμοκρασία (τη θερμοκρασία κορεσμού/βρασμού που αντιστοιχεί στη δεδομένη πίεση), για όσο διαρκεί η αλλαγή φάσης — η θερμοκρασία δεν μεταβάλλεται μέχρι όλη η μάζα να γίνει ατμός (σελ. 32-34, εικ. 1.25-1.26: R-22 σε 1 atm εξατμίζεται σταθερά στους −40,8 °C, νερό στους 100 °C). Αφού η πίεση κρατείται σταθερή, η διεργασία είναι ισόθλιπτη, και επειδή στην αλλαγή φάσης καθαρής ουσίας η θερμοκρασία κορεσμού είναι καθορισμένη από την πίεση, είναι ταυτόχρονα ισοθερμοκρασιακή. Γι' αυτό στο διάγραμμα P-h οι ισοθερμοκρασιακές γραμμές μέσα στην «καμπάνα» είναι οριζόντιες, δηλαδή συμπίπτουν με τις ισόθλιπτες (σελ. 61)· η μεταβολή 5→1 του ψυκτικού κύκλου (εξάτμιση) είναι ισόθλιπτη-ισοθερμοκρασιακή (0 °C, 0,5 MPa για το R-22). (Εξαίρεση: τα ζεοτροπικά μίγματα, ΚΕΦ. 8, όπου η θερμοκρασία «γλιστρά».)

Σύνοψη: (ενδεικτική) «…ισόθλιπτη (ισοβαρής) και ισοθερμοκρασιακή»: η αλλαγή φάσης καθαρής ουσίας σε σταθερή πίεση γίνεται στη σταθερή θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεση αυτή — γι' αυτό στο P-h οι ισοθερμοκρασιακές μέσα στην καμπάνα είναι οριζόντιες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ισόθλιπτη + ισοθερμοκρασιακή.

Ερώτηση 7 — Βρασμός νερού σε χύτρα ταχύτητας (2 bar)

Ερώτηση: Σε μια χύτρα ταχύτητας η πίεση που επικρατεί, στην κανονική της λειτουργία, είναι μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική (π.χ. 2 bar). Δικαιολογήσετε αν το νερό θα βράσει μέσα σ' αυτήν σε θερμοκρασία μικρότερη, μεγαλύτερη ή ίση με 100 °C.

Απάντηση:

Σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 100 °C. Η θερμοκρασία βρασμού (κορεσμού) ενός υγρού δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται από την πίεση στην οποία γίνεται η αλλαγή φάσης: αύξηση της πίεσης συνεπάγεται αύξηση της θερμοκρασίας κορεσμού (και μείωση της λανθάνουσας θερμότητας), ενώ μείωση της πίεσης μείωση της θερμοκρασίας κορεσμού (σελ. 35-36). Οι 100 °C είναι το σημείο βρασμού του νερού μόνο σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση (≈ 1 bar). Στη χύτρα ο ατμός εγκλωβίζεται, η πίεση ανεβαίνει (π.χ. στα 2 bar απόλυτα) και το νερό βράζει στην αντίστοιχη υψηλότερη πίεση κορεσμού — περίπου 120 °C (για 2 bar· σε 1,5 bar ≈ 111 °C). Έτσι το φαγητό μαγειρεύεται σε ψηλότερη θερμοκρασία και πιο γρήγορα — αυτή είναι η αρχή λειτουργίας της χύτρας ταχύτητας, με τη βαλβίδα ασφαλείας να ρυθμίζει την πίεση. Αντίστροφα, σε ψηλό βουνό (χαμηλότερη ατμοσφαιρική πίεση) το νερό βράζει κάτω από 100 °C. Η ίδια αρχή ισχύει στην ψύξη: το ψυκτικό εξατμίζεται σε χαμηλή θερμοκρασία επειδή το κρατάμε σε χαμηλή πίεση (εξατμιστής) και συμπυκνώνεται σε υψηλή θερμοκρασία στην υψηλή πίεση (συμπυκνωτής).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μεγαλύτερη από 100 °C: η θερμοκρασία κορεσμού αυξάνεται με την πίεση· οι 100 °C ισχύουν μόνο σε 1 atm. Στα 2 bar το νερό βράζει σε ≈ 120 °C, γι' αυτό το φαγητό μαγειρεύεται γρηγορότερα. Ίδια αρχή με εξατμιστή (χαμηλή πίεση → χαμηλή θερμοκρασία) και συμπυκνωτή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

100 °C (≈ 120 °C).

Ερώτηση 8 — Μετατροπές μονάδων (°F, MPa, kJ, kW)

Ερώτηση: Συμπληρώσετε τις παρακάτω ισότητες: A. 10 °C = .... °F (Ένδειξη θερμομέτρου) Β. 10 °C = .... °F (Ως διαφορά θερμοκρασίας) Γ. 29 psi = .... MPa Δ. 100 kWh = ……….. kJ Ε. 6 PS = ………… KW

Απάντηση:

Με τις σχέσεις και τους πίνακες 1.1-1.3 (σελ. 18, 22, 28, 37): Α. Ένδειξη 10 °C: °F = 1,8·°C + 32 = 1,8·10 + 32 = 50 °F (επιβεβαιώνεται στον πίν. 1.2). Β. Διαφορά 10 °C: ως βαθμίδα 1 °C = 1,8 °F, άρα 10 °C = 10 × 1,8 = 18 °F (δεν προστίθεται το 32 — αφορά μόνο ενδείξεις). Γ. 29 psi: 1 psi = 6895 Pa → 29 × 6895 = 199.955 Pa ≈ 0,2 MPa (≈ 2 bar· έλεγχος: 1 bar ≈ 14,5 psi → 29 psi = 2 bar = 0,2 MPa). Δ. 100 kWh: 1 kWh = 3,6·10⁶ J = 3600 kJ → 100 kWh = 360.000 kJ = 3,6·10⁵ kJ. Ε. 6 PS: 1 PS = 0,7355 kW → 6 × 0,7355 = 4,41 kW (≈ 4,4 kW).

Ισότητα

Α 10 °C = 50 °F (ένδειξη)

Β 10 °C = 18 °F (διαφορά)

Γ 29 psi ≈ 0,2 MPa

Δ 100 kWh = 360.000 kJ

Ε 6 PS ≈ 4,41 kW

	Ισότητα
Α	10 °C = 50 °F (ένδειξη)
Β	10 °C = 18 °F (διαφορά)
Γ	29 psi ≈ 0,2 MPa
Δ	100 kWh = 360.000 kJ
Ε	6 PS ≈ 4,41 kW

Σύνοψη: Α. 1,8·10 + 32 = 50 °F· Β. ως διαφορά 10 × 1,8 = 18 °F· Γ. 29 × 6895 Pa ≈ 0,2 MPa (2 bar)· Δ. 100 × 3600 kJ = 360.000 kJ· Ε. 6 × 0,7355 = 4,41 kW.

Κριτήρια αξιολόγησης:

50 °F, 18 °F, 0,2 MPa, 3,6·10⁵ kJ, 4,41 kW.

Ερώτηση 9 — Συμπλήρωση: τρόποι μετάδοσης θερμότητας

Ερώτηση: Η θερμότητα μπορεί να μεταδοθεί με ………………. ή με ………………. ή με …………………………….

Απάντηση:

Απάντηση: «με αγωγή ή με συναγωγή ή με ακτινοβολία». Η μετάδοση θερμότητας (εφόσον υπάρχει θερμοκρασιακή διαφορά) γίνεται με τρεις τρόπους (σελ. 38-45): 1. Αγωγή (αγωγιμότητα) — από μόριο σε μόριο μέσα σε στερεό, μεταξύ στερεών σε επαφή ή σε ακίνητα ρευστά· εξαρτάται από τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ του υλικού (χαλκός 320 W/(m·K), ακίνητος αέρας 0,026 — βάση των μονωτικών). 2. Συναγωγή (επαφή-μεταφορά) — από την επιφάνεια στερεού στη μάζα κινούμενου ρευστού ή αντίστροφα· φυσική (διαφορές πυκνότητας) ή εξαναγκασμένη (ανεμιστήρας, αντλία)· εξαρτάται από τον συντελεστή συναγωγής a, που αυξάνει με την ταχύτητα και την τύρβη του ρευστού. 3. Ακτινοβολία — με ηλεκτρομαγνητικά κύματα, χωρίς να απαιτείται ύλη ή επαφή (ήλιος-γη)· κάθε σώμα > 0 K εκπέμπει ανάλογα με την 4η δύναμη της θερμοκρασίας του και τον συντελεστή εκπομπής ε. Στην πράξη οι τρεις τρόποι συνυπάρχουν (π.χ. σωλήνας με πτερύγια αερόψυκτου συμπυκνωτή: συναγωγή από τους ατμούς στο τοίχωμα, αγωγή μέσα στο μέταλλο, συναγωγή + ακτινοβολία προς τον αέρα).

Σύνοψη: (ενδεικτική) «…με αγωγή ή με συναγωγή ή με ακτινοβολία»: αγωγή από μόριο σε μόριο (συντελεστής λ), συναγωγή επιφάνεια-κινούμενο ρευστό (συντελεστής a, φυσική ή εξαναγκασμένη), ακτινοβολία με ηλεκτρομαγνητικά κύματα χωρίς ύλη (συντελεστής ε)· συνήθως συνυπάρχουν.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Αγωγή, συναγωγή, ακτινοβολία.

Ερώτηση 10 — Συμπλήρωση: ορισμός ψύξης

Ερώτηση: Η ψύξη είναι μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από μια περιοχή θερμοκρασίας σε μια άλλη ……. θερμοκρασίας.

Απάντηση:

Απάντηση: «υψηλότερης». Κατά τον ορισμό του βιβλίου (σελ. 45, 85): «Ψύξη είναι η διαδικασία αφαίρεσης θερμότητας από ένα σώμα ή χώρο (1) και η μεταφορά της σ' ένα σώμα ή χώρο (2) υψηλότερης θερμοκρασίας από το πρώτο.» Δηλαδή η ψύξη μεταφέρει θερμότητα από μια περιοχή (χαμηλής) θερμοκρασίας — το ψυχόμενο σώμα, όπου η θερμότητα δεν είναι επιθυμητή — σε μια άλλη υψηλότερης θερμοκρασίας (το περιβάλλον, «θερμοδοχείο»). Αυτό είναι το ουσιώδες: επειδή η θερμότητα ρέει από μόνη της μόνο από θερμότερο σε ψυχρότερο σώμα, η αντίστροφη μεταφορά (από ψυχρό σε θερμό) δεν γίνεται αυτόματα — σύμφωνα με τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο απαιτεί δαπάνη μηχανικού έργου (ή ηλεκτρικής ή άλλης ενέργειας), που δίνεται στον συμπιεστή (σελ. 17, εικ. 1.14). Για να «σηκωθεί» η θερμότητα χρειάζεται ένα ενδιάμεσο μέσο χαμηλότερης θερμοκρασίας από το ψυχόμενο (το ψυκτικό μέσο στον εξατμιστή), που μετά συμπιέζεται ώστε να αποβάλει τη θερμότητα σε θερμοκρασία υψηλότερη από του περιβάλλοντος (συμπυκνωτής).

Σύνοψη: (ενδεικτική) «…σε μια άλλη υψηλότερης θερμοκρασίας»: ψύξη = αφαίρεση θερμότητας από σώμα/χώρο και μεταφορά της σε σώμα/χώρο υψηλότερης θερμοκρασίας — αντίθετα από τη φυσική ροή, γι' αυτό απαιτεί δαπάνη έργου (2ος θερμοδυναμικός νόμος, συμπιεστής).

Κριτήρια αξιολόγησης:

υψηλότερης.

Ερώτηση 11 — Ψυκτική ισχύς για 100.000 kcal σε 20 ώρες

Ερώτηση: Από ένα ψυκτικό θάλαμο θέλουμε να αφαιρέσουμε 100.000 kcal σε χρονικό διάστημα 20 ωρών. Πόση θα είναι η απαιτούμενη ψυκτική ισχύς της ψυκτικής διάταξης, αν αυτή εργάζεται και τις 20 ώρες;

Απάντηση:

Η ψυκτική ισχύς (θερμική ισχύς) είναι η θερμότητα που αφαιρείται στη μονάδα του χρόνου (σελ. 36): \(\dot Q = \dfrac{Q}{t}\). Δεδομένα: Q = 100.000 kcal, t = 20 h (η διάταξη εργάζεται συνεχώς). Υπολογισμός: \(\dot Q_\psi = \dfrac{100.000\ \text{kcal}}{20\ \text{h}} = 5000\ \text{kcal/h}\). Μετατροπές: 1 kcal/h ≈ 1,163 W → 5000 kcal/h ≈ 5815 W ≈ 5,8 kW (ή 5000/860 ≈ 5,8 kW)· σε Btu/h: 5000 × 3,968 ≈ 19.840 Btu/h ≈ 20.000 Btu/h. Απάντηση: 5000 kcal/h ≈ 5,8 kW. Παρατήρηση: αν η διάταξη λειτουργούσε λιγότερες ώρες (π.χ. 16 h με διακοπές για απόψυξη), θα απαιτούνταν μεγαλύτερη ισχύς (100.000/16 = 6250 kcal/h) — γι' αυτό στις μελέτες ψυκτικών θαλάμων η ημερήσια θερμική επιβάρυνση διαιρείται με τις πραγματικές ώρες λειτουργίας του συμπιεστή.

Σύνοψη: Q̇ψ = Q/t = 100.000 kcal / 20 h = 5000 kcal/h ≈ 5000 × 1,163 W ≈ 5,8 kW (≈ 20.000 Btu/h). Με λιγότερες ώρες λειτουργίας θα χρειαζόταν μεγαλύτερη ισχύς.

Κριτήρια αξιολόγησης:

5000 kcal/h ≈ 5,8 kW.

Ερώτηση 12 — Απόλυτη πίεση από ένδειξη 300 psig

Ερώτηση: Στην έξοδο του συμπιεστή μιας ψυκτικής διάταξης, τοποθετείτε ένα μανόμετρο και μετράτε πίεση 300 psig. Πόση είναι η απόλυτη πίεση σε psia; Πόση είναι η απόλυτη πίεση σε MPa;

Απάντηση:

Το μανόμετρο μετρά τη μανομετρική (σχετική) πίεση P_M (κατάληξη «g» = gauge)· η απόλυτη πίεση είναι P_A = P_ATM + P_M (σελ. 28-29). Η κανονική ατμοσφαιρική πίεση είναι P_ATM ≈ 1 bar ≈ 14,5 psi (ακριβέστερα 14,7 psi = 1 atm). α) Σε psia: P_A = 300 + 14,5 ≈ 314,5 psia (≈ 314,7 psia με 14,7 psi· πρακτικά ≈ 315 psia). β) Σε MPa: 1 psi = 6895 Pa (πίν. 1.3) → P_A = 314,5 × 6895 Pa ≈ 2.168.000 Pa ≈ 2,17 MPa (≈ 21,7 bar). (Έλεγχος: 300 psig ≈ 300/14,5 ≈ 20,7 bar μανομετρική + 1 bar ≈ 21,7 bar = 2,17 MPa.) Η τιμή αυτή είναι η πίεση κατάθλιψης/συμπύκνωσης — στο διάγραμμα P-h διαβάζουμε πάντοτε απόλυτες πιέσεις, γι' αυτό η μετατροπή είναι απαραίτητη (για R-22 αντιστοιχεί σε θερμοκρασία συμπύκνωσης ≈ 55 °C).

Σύνοψη: P_A = P_ATM + P_M = 300 + 14,5 ≈ 314,5 psia (≈ 315 psia). Σε MPa: 314,5 × 6895 Pa ≈ 2,17 MPa (≈ 21,7 bar). Στο P-h χρησιμοποιούνται απόλυτες πιέσεις.

Κριτήρια αξιολόγησης:

≈ 314,5 psia ≈ 2,17 MPa.

Ερώτηση 13 — Γιατί το διπλό τζάμι μονώνει καλύτερα

Ερώτηση: Για ποιους λόγους ένα παράθυρο με διπλά τζάμια είναι περισσότερο μονωτικό ως προς τη μετάδοση θερμότητας μέσα απ' αυτό, σε σχέση με ένα όμοιο παράθυρο με μονό τζάμι;

Απάντηση:

Το γυαλί έχει σχετικά υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (λ ≈ 0,81 W/(m·K), πίν. 2.1), οπότε ένα μονό τζάμι μεταδίδει εύκολα θερμότητα με αγωγή μέσα από τη μάζα του, και με συναγωγή από/προς τον αέρα στις δύο επιφάνειές του. Στο διπλό τζάμι μεταξύ των δύο υαλοπινάκων υπάρχει ένα στρώμα εγκλωβισμένου, πρακτικά ακίνητου αέρα (ή αδρανούς αερίου) που λειτουργεί ως μονωτικό, για τους εξής λόγους (σελ. 39-43): 1. Χαμηλή αγωγιμότητα του ακίνητου αέρα: λ ≈ 0,026 W/(m·K) — 30 φορές μικρότερος από του γυαλιού· ο ακίνητος αέρας είναι κακός αγωγός της θερμότητας (στην ιδιότητα αυτή στηρίζονται όλα τα μονωτικά υλικά με κυψελίδες αέρα). 2. Περιορισμένη συναγωγή: το διάκενο είναι στενό και σφραγισμένο, ώστε ο αέρας να μην κυκλοφορεί ελεύθερα — η φυσική συναγωγή (συντελεστής a μόλις 5-25 W/(m²·K)) είναι πολύ ασθενής, ενώ προστίθενται δύο επιπλέον οριακές επιφάνειες στερεού-αέρα, καθεμία με τη δική της θερμική αντίσταση. 3. Μειωμένη ακτινοβολία: η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει το θερμό τζάμι (ε ≈ 0,94) απορροφάται εν μέρει από το δεύτερο τζάμι και επανεκπέμπεται και προς τις δύο πλευρές, οπότε το καθαρό ποσό που περνά είναι μικρότερο (ακόμη λιγότερο με ειδικές επιστρώσεις χαμηλής εκπομπής). Συνολικά η θερμική αντίσταση του παραθύρου πολλαπλασιάζεται (αγωγή γυαλιού + συναγωγή + αγωγή αέρα + συναγωγή + αγωγή γυαλιού) και ο συντελεστής θερμοπερατότητας μειώνεται περίπου στο μισό (από ≈ 5,8 σε ≈ 2,8-3 W/(m²·K)), μειώνοντας τα θερμικά κέρδη/απώλειες του κλιματιζόμενου χώρου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το διπλό τζάμι εγκλωβίζει στρώμα ακίνητου αέρα: ο ακίνητος αέρας έχει πολύ μικρό λ (0,026 έναντι 0,81 του γυαλιού) — κακός αγωγός· το στενό σφραγισμένο διάκενο περιορίζει τη συναγωγή και προσθέτει δύο επιπλέον οριακές επιφάνειες με θερμική αντίσταση· η ακτινοβολία του πρώτου τζαμιού απορροφάται/επανεκπέμπεται από το δεύτερο. Έτσι η θερμική αντίσταση διπλασιάζεται περίπου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ακίνητος αέρας λ = 0,026.

Ερώτηση 14 — Γαλβανισμένη λαμαρίνα ή βαμμένη άσπρη: απορρόφηση ακτινοβολίας

Ερώτηση: Ένα φύλλο γαλβανισμένης λαμαρίνας στεγάστρου θα απορροφά λιγότερη ή περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία σε σχέση με ένα ίδιο φύλλο λαμαρίνας βαμμένο με άσπρη μπογιά;

Απάντηση:

Η ικανότητα ενός σώματος να απορροφά θερμική ακτινοβολία εκφράζεται από τον συντελεστή απορρόφησης α (0-1) και, κατά κανόνα, υλικά που είναι καλοί ακτινοβολητές (μεγάλο ε) είναι και καλοί απορροφητές (μεγάλο α) (σελ. 43-44). Από τον πίνακα 2.3 των συντελεστών εκπομπής: γαλβανισμένη λαμαρίνα ε ≈ 0,23-0,28 (γυαλιστερή μεταλλική επιφάνεια — κακός ακτινοβολητής, όπως το φύλλο αλουμινίου 0,07-0,09 και το λειασμένο ατσάλι), βαφή άσπρη ε ≈ 0,90 (η μαύρη 0,97). Επομένως, με το κριτήριο του βιβλίου, η γαλβανισμένη λαμαρίνα θα απορροφά λιγότερη ακτινοβολία (α ≈ 0,25) από το ίδιο φύλλο βαμμένο άσπρο (α ≈ 0,90) — και αντίστοιχα θα εκπέμπει λιγότερη. Η γυαλιστερή μεταλλική επιφάνεια ανακλά το μεγαλύτερο μέρος της προσπίπτουσας θερμικής ακτινοβολίας. Παρατήρηση: οι τιμές του πίνακα αφορούν τη θερμική (υπέρυθρη) ακτινοβολία σε συνήθεις θερμοκρασίες. Ειδικά για το ορατό μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας η άσπρη βαφή ανακλά πολύ (γι' αυτό βάφουμε τις ταράτσες άσπρες), ενώ η οξειδωμένη/σκονισμένη γαλβανισμένη λαμαρίνα απορροφά περισσότερο· στην πράξη δηλαδή ο συντελεστής απορρόφησης εξαρτάται και από το μήκος κύματος. Η αναμενόμενη απάντηση με βάση τους πίνακες του κεφαλαίου είναι: λιγότερη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Καλοί ακτινοβολητές = καλοί απορροφητές (α ≈ ε). Γαλβανισμένη λαμαρίνα ε ≈ 0,23-0,28 (γυαλιστερό μέταλλο — ανακλά), άσπρη βαφή ε ≈ 0,90· άρα, κατά τους πίνακες του βιβλίου, η γαλβανισμένη λαμαρίνα απορροφά λιγότερη ακτινοβολία (και εκπέμπει λιγότερη). Σημείωση: για το ορατό ηλιακό φάσμα το άσπρο χρώμα ανακλά — οι τιμές αφορούν τη θερμική/υπέρυθρη ακτινοβολία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Λιγότερη (ε 0,25 vs 0,90).

Ερώτηση 15 — Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης ψυκτικού μέσου

Ερώτηση: Τι είναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης ενός ψυκτικού μέσου (σε ορισμένη πίεση);

Απάντηση:

Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (q_λ) ενός ψυκτικού μέσου, σε ορισμένη πίεση, είναι το ποσό θερμότητας που πρέπει να απορροφήσει η μονάδα μάζας (1 kg) του μέσου για να μετατραπεί από κορεσμένο υγρό σε κορεσμένο ατμό, στη σταθερή θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεση αυτή (σελ. 33-35). Χαρακτηριστικά: α) κατά την απορρόφησή της δεν μεταβάλλεται η θερμοκρασία — η ενέργεια δαπανάται μόνο στην αλλαγή φάσης (π.χ. R-22 σε 1 atm εξατμίζεται σταθερά στους −40,8 °C, εικ. 1.25)· β) μετριέται σε kcal/kg, kJ/kg ή Btu/lb· γ) είναι ίση με τη λανθάνουσα θερμότητα συμπύκνωσης στην ίδια πίεση (ό,τι απορροφά στον εξατμιστή, αποβάλλει στον συμπυκνωτή)· δ) εξαρτάται από την πίεση: με αύξηση της πίεσης (και της θερμοκρασίας κορεσμού) η λανθάνουσα μειώνεται, με μείωση αυξάνεται· ε) στο διάγραμμα P-h είναι το οριζόντιο πλάτος της «καμπάνας» στη δεδομένη πίεση — η διαφορά ενθαλπιών κορεσμένου ατμού και κορεσμένου υγρού h₁ − h₅΄ (σελ. 67)· για το R-22 στους 0 °C ≈ 405 − 200 = 205 kJ/kg, για το νερό στους 100 °C 2257 kJ/kg. Σημασία: το ψυκτικό αποτέλεσμα qψ = h₁ − h₅ είναι το μέρος της λανθάνουσας που αξιοποιείται (μειωμένο κατά την εξάτμιση στην εκτόνωση)· γι' αυτό επιδιώκουμε ψυκτικά μέσα με μεγάλη λανθάνουσα εξάτμισης — μικρότερη παροχή, μικρότερες σωληνώσεις και συσκευές (σελ. 50).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το ποσό θερμότητας που απορροφά 1 kg του ψυκτικού για να μετατραπεί από κορεσμένο υγρό σε κορεσμένο ατμό στη σταθερή θερμοκρασία κορεσμού της δεδομένης πίεσης (kJ/kg)· ίση με τη λανθάνουσα συμπύκνωσης στην ίδια πίεση, μειώνεται όταν αυξάνεται η πίεση· στο P-h είναι το πλάτος της καμπάνας h₁ − h₅΄ (R-22 0 °C ≈ 205 kJ/kg). Μεγάλη λανθάνουσα = επιθυμητή ιδιότητα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

q_λ = h_ατμού − h_υγρού στην ίδια P.

Ερώτηση 16 — Θερμοκρασία εξάτμισης R-22 στα 0,25 MPa

Ερώτηση: To R-22 σε πίεση 0,25 MPa περίπου, θα εξατμισθεί σε θερμοκρασία …… °C. (Χρησιμοποιήσετε το αντίστοιχο διάγραμμα)

Απάντηση:

Στο διάγραμμα P-h του R-22 (εικ. 1.37) οι πιέσεις του κατακόρυφου άξονα είναι απόλυτες (MPa). Εντοπίζουμε την ισόθλιπτη των 0,25 MPa (= 250 kPa ≈ 2,5 bar, λίγο κάτω από τη μέση απόσταση 0,1-0,5 MPa στη λογαριθμική κλίμακα) και διαβάζουμε την ισοθερμοκρασιακή που την τέμνει μέσα στην «καμπάνα» (εκεί οι ισοθερμοκρασιακές είναι οριζόντιες, δηλαδή συμπίπτουν με τις ισόθλιπτες — σελ. 61). Σημεία αναφοράς του κεφαλαίου: 0 °C ↔ 0,5 MPa, −40,8 °C ↔ 0,1 MPa (1 atm)· από τους πίνακες κορεσμού του R-22 (ΚΕΦ. 8): −20 °C ↔ 0,245 MPa, −15 °C ↔ 0,296 MPa, −10 °C ↔ 0,354 MPa. Απάντηση: στα 0,25 MPa το R-22 εξατμίζεται στους περίπου −19 °C (≈ −20 °C). Δηλαδή, αν κρατήσουμε τον εξατμιστή σε απόλυτη πίεση 0,25 MPa (μανομετρική ≈ 0,15 MPa ≈ 1,5 bar ≈ 22 psig), το ψυκτικό θα βράζει σταθερά στους −19 °C περίπου — κατάλληλο για κατάψυξη. Η θερμοκρασία εξάτμισης καθορίζεται αποκλειστικά από την πίεση αναρρόφησης (πίεση κορεσμού ↔ θερμοκρασία κορεσμού).

Σύνοψη: Από το P-h του R-22 (απόλυτες πιέσεις): η ισόθλιπτη 0,25 MPa τέμνει μέσα στην καμπάνα την ισοθερμοκρασιακή των ≈ −19 °C (πίνακας κορεσμού: −20 °C ↔ 0,245 MPa, −15 °C ↔ 0,296 MPa). Άρα ≈ −19 °C (≈ −20 °C).

Κριτήρια αξιολόγησης:

≈ −19 °C (≈ −20 °C).

Ερώτηση 17 — Συμπλήρωση: τι γίνεται η μηχανική ενέργεια του συμπιεστή

Ερώτηση: Η μηχανική ενέργεια που παίρνουν οι ατμοί του ψυκτικού μέσου από τον συμπιεστή γίνεται …………………

Απάντηση:

Απάντηση: «θερμότητα» (αυξάνει την ενθαλπία του ψυκτικού μέσου). Ο συμπιεστής δίνει μηχανικό έργο στους ατμούς του ψυκτικού μέσου, «το οποίο τελικά μετατρέπεται κι αυτό σε θερμότητα, αυξάνοντας την ενθαλπία του ψυκτικού μέσου» (σελ. 64, 67). Η συμπίεση 1→2 θεωρείται αδιαβατική-ισεντροπική: δεν ανταλλάσσεται θερμότητα με το περιβάλλον, αλλά το έργο συμπίεσης μετατρέπεται σε εσωτερική/θερμική ενέργεια των ατμών — γι' αυτό η θερμοκρασία τους ανεβαίνει απότομα (από 0 °C σε 58 °C στο παράδειγμα, 92 °C με θΣ = 60 °C) και η ενθαλπία αυξάνεται κατά h₂ − h₁, που λέγεται και θερμότητα συμπίεσης h_c (kJ/kg). Η ενέργεια αυτή δεν χάνεται: αποβάλλεται στον συμπυκνωτή μαζί με τη θερμότητα του εξατμιστή — γι' αυτό QΣ = Qψ + W_C (91,5 = 77,5 + 14 kW). Η ισχύς του συμπιεστή W_C = ṁ(h₂ − h₁) υπολογίζεται ακριβώς από αυτή τη διαφορά ενθαλπιών (αρχή διατήρησης της ενέργειας — 1ος θερμοδυναμικός νόμος).

Σύνοψη: (ενδεικτική) «…γίνεται θερμότητα»: το μηχανικό έργο της ισεντροπικής συμπίεσης μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια των ατμών, αυξάνοντας την ενθαλπία τους κατά h₂ − h₁ (θερμότητα συμπίεσης) και τη θερμοκρασία τους (0 → 58 °C)· αποβάλλεται στον συμπυκνωτή, άρα QΣ = Qψ + W_C.

Κριτήρια αξιολόγησης:

θερμότητα (ενθαλπία ↑).

Ερώτηση 18 — Φυσική ροή θερμότητας σε ψυκτικό θάλαμο λαχανικών

Ερώτηση: Σ' ένα ψυκτικό θάλαμο (π.χ. στην κουζίνα ενός ξενοδοχείου) που έχει ψυκτική διάταξη με συμπίεση ατμών, αποθηκεύονται λαχανικά για συντήρηση. Ο συμπυκνωτής βρίσκεται στο εξωτερικό περιβάλλον. Βάλετε από ένα βελάκι στα παρακάτω ζευγάρια, έτσι που να δείχνει τη φυσική ροή θερμότητας. Λαχανικά (από την αγορά) — Αέρας θαλάμου · Αέρας θαλάμου — Ψυκτικό μέσο (στον εξατμιστή) · Αέρας θαλάμου — Αέρας κουζίνας · Ψυκτικό μέσο (στο συμπυκνωτή) — Αέρας περιβάλλοντος · Αέρας θαλάμου — Αέρας περιβάλλοντος

Απάντηση:

Η θερμότητα ρέει φυσιολογικά μόνο από το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα (σελ. 13). Οι θερμοκρασίες (ενδεικτικά): λαχανικά από την αγορά ≈ 20-25 °C, αέρας θαλάμου συντήρησης ≈ 2-5 °C, ψυκτικό μέσο στον εξατμιστή ≈ −5 °C (θΕ < θR), αέρας κουζίνας ≈ 25-30 °C, ψυκτικό στον συμπυκνωτή ≈ 45 °C (θΣ > θO), αέρας περιβάλλοντος ≈ 30 °C. Άρα:

Ζευγάρι	Φυσική ροή θερμότητας
Λαχανικά (από την αγορά) — Αέρας θαλάμου	Λαχανικά → Αέρας θαλάμου (τα θερμά προϊόντα ψύχονται αποδίδοντας θερμότητα στον θάλαμο — φορτίο προϊόντων)
Αέρας θαλάμου — Ψυκτικό μέσο (εξατμιστής)	Αέρας θαλάμου → Ψυκτικό μέσο (το ψυκτικό εξατμίζεται απορροφώντας Qψ, θΕ < θR)
Αέρας θαλάμου — Αέρας κουζίνας	Αέρας κουζίνας → Αέρας θαλάμου (θερμότητα εισρέει από τη θερμή κουζίνα μέσω τοιχωμάτων/πόρτας — φορτίο διάβασης-αερισμού)
Ψυκτικό μέσο (συμπυκνωτής) — Αέρας περιβάλλοντος	Ψυκτικό μέσο → Αέρας περιβάλλοντος (αποβολή QΣ κατά τη συμπύκνωση, θΣ > θO)
Αέρας θαλάμου — Αέρας περιβάλλοντος	Αέρας περιβάλλοντος → Αέρας θαλάμου (εισροή θερμότητας από έξω μέσω μόνωσης)

Η ψυκτική διάταξη είναι αυτή που, με δαπάνη έργου στον συμπιεστή, «σηκώνει» τη θερμότητα από τον ψυχρό θάλαμο (εξατμιστής) στο θερμότερο περιβάλλον (συμπυκνωτής) — η μόνη ροή από ψυχρό σε θερμό, που δεν είναι φυσική αλλά εξαναγκασμένη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θερμότητα ρέει από θερμό σε ψυχρό: Λαχανικά → Αέρας θαλάμου· Αέρας θαλάμου → Ψυκτικό μέσο (εξατμιστής)· Αέρας κουζίνας → Αέρας θαλάμου· Ψυκτικό μέσο (συμπυκνωτής) → Αέρας περιβάλλοντος· Αέρας περιβάλλοντος → Αέρας θαλάμου. Η μεταφορά θάλαμος → περιβάλλον γίνεται μόνο μέσω της ψυκτικής διάταξης με δαπάνη έργου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Πάντα θερμό → ψυχρό.

Ερώτηση 19 — Βλάβη ενός ανεμιστήρα αερόψυκτου συμπυκνωτή

Ερώτηση: Σ' έναν αερόψυκτο συμπυκνωτή η απόρριψη της θερμότητας γίνεται προς το περιβάλλον με δυο αξονικούς ανεμιστήρες. Τι θα συμβεί στην ψυκτική εγκατάσταση που εξυπηρετεί αν χαλάσει ο ένας ανεμιστήρας; Γιατί;

Απάντηση:

Οι ανεμιστήρες εξασφαλίζουν την εξαναγκασμένη συναγωγή του αέρα πάνω στα πτερύγια του συμπυκνωτή· ο συντελεστής συναγωγής εξαρτάται κυρίως από την ταχύτητα του ρευστού (σελ. 41-42). Αν χαλάσει ο ένας από τους δύο ανεμιστήρες, η παροχή αέρα μειώνεται περίπου στο μισό και ένα τμήμα της επιφάνειας του συμπυκνωτή ψύχεται μόνο με φυσική συναγωγή (a = 5-25 αντί 15-250 W/(m²·K)). Ο συμπυκνωτής δεν μπορεί πλέον να αποβάλει την ίδια θερμότητα QΣ στην ίδια θερμοκρασιακή διαφορά· για να συνεχίσει η απόρριψη, «η θερμοκρασία συμπύκνωσης θα είναι πάντα μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία του μέσου προς το οποίο γίνεται η απόρριψη» και τώρα η διαφορά αυτή πρέπει να μεγαλώσει: ανεβαίνει η θερμοκρασία συμπύκνωσης θΣ και μαζί της η υψηλή πίεση Υ.Π. (σελ. 76-79, εικ. 1.45-1.46, παράδειγμα 40 → 60 °C: 1,53 → 2,4 MPa). Συνέπειες (όπως στην ανάλυση της επίδρασης της θΣ): 1) αύξηση του λόγου συμπίεσης (3 → 4,8) και της ισχύος του συμπιεστή (14,5 → 20,5 kW), άρα μεγαλύτερη κατανάλωση ρεύματος και υπερφόρτιση του κινητήρα· 2) μείωση της ψυκτικής ισχύος (83,5 → 70 kW) — μεγαλύτερη ξηρότητα στην είσοδο του εξατμιστή (0,25 → 0,35), μικρότερο h₁ − h₅· ο θάλαμος ψύχεται δυσκολότερα, ο συμπιεστής δουλεύει περισσότερες ώρες· 3) σημαντική μείωση του COP (5,76 → 3,41)· 4) πολύ υψηλή θερμοκρασία κατάθλιψης (64,5 → 92 °C) — κίνδυνος για το λάδι και τις βαλβίδες του συμπιεστή· 5) αν η πίεση ξεπεράσει το όριο, ο πρεσσοστάτης υψηλής πίεσης διακόπτει τον συμπιεστή (προστασία) — η εγκατάσταση σταματά ή λειτουργεί διακοπτόμενα. Ο ανεμιστήρας πρέπει να επισκευαστεί άμεσα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μειώνεται η παροχή αέρα και ο συντελεστής συναγωγής, ο συμπυκνωτής δεν αποβάλλει τη θερμότητα με την ίδια Δθ → ανεβαίνουν η θερμοκρασία και η πίεση συμπύκνωσης. Συνέπειες: μεγαλύτερος λόγος συμπίεσης και ισχύς συμπιεστή, μικρότερη ψυκτική ισχύς (μεγαλύτερη ξηρότητα στην είσοδο του εξατμιστή), μείωση COP (π.χ. 5,76 → 3,41), υψηλή θερμοκρασία κατάθλιψης, πιθανή διακοπή από τον πρεσσοστάτη υψηλής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

θΣ ↑, Υ.Π. ↑, COP ↓.

Ερώτηση 20 — Κύκλος εικ. 1.44 με θερμοκρασία εξάτμισης −10 °C

Ερώτηση: Θεωρήσετε τον ψυκτικό κύκλο της Εικόνας 1.44 που εργάζεται με την ίδια υπερθέρμανση και υπόψυξη, με την ίδια θερμοκρασία συμπύκνωσης, αλλά με θερμοκρασία εξάτμισης -10 °C. Να βρείτε τα βασικά χαρακτηριστικά του (ψυκτική ισχύ, ισχύ συμπιεστή, ισχύ συμπύκνωσης, CΟΡθ) και να σχολιάσετε τα αποτελέσματα.

Απάντηση:

Δεδομένα: R-22, ṁ = 0,5 kg/s, θΣ = 40 °C (P_ΥΠ ≈ 1,53 MPa), υπόψυξη 5 °C (υγρό 35 °C στην εκτονωτική), υπερθέρμανση 6 °C, θΕ = −10 °C. Χάραξη: από το διάγραμμα P-h (ή τους πίνακες R-22) η πίεση κορεσμού στους −10 °C είναι P_ΧΠ ≈ 0,354 MPa (αντί 0,5)· ο λόγος συμπίεσης γίνεται CR = 1,53/0,354 ≈ 4,3 (αντί 3). Σημείο 1: υπέρθερμος ατμός 0,354 MPa, θ = −10 + 6 = −4 °C → h₁ ≈ 405 kJ/kg (κορεσμένος ατμός −10 °C ≈ 401 + υπερθέρμανση ≈ 4). Σημείο 4 = 5: υγρό 35 °C, ίδιο με πριν → h₄ = h₅ ≈ 243 kJ/kg (η υπόψυξη δεν άλλαξε)· ξηρότητα στο 5 μεγαλύτερη (≈ 0,28). Σημείο 2: ισεντροπική από το 1 έως 1,53 MPa → h₂ ≈ 445 kJ/kg, θ₂ ≈ 75 °C (μεγαλύτερη διαφορά πιέσεων → μεγαλύτερη θερμότητα συμπίεσης, ≈ 40 αντί 29 kJ/kg). Υπολογισμοί (τιμές αναγνωσμένες από το διάγραμμα, ±2 kJ/kg):

Μέγεθος	Τύπος	θΕ = 0 °C (εικ. 1.44)	θΕ = −10 °C
Ψυκτική ισχύς	Q̇ψ = ṁ(h₁ − h₅)	0,5·(410 − 243) = 83,5 kW	0,5·(405 − 243) = 81 kW ≈ 69.700 kcal/h
Ισχύς συμπιεστή	W_C = ṁ(h₂ − h₁)	0,5·(439 − 410) = 14,5 kW	0,5·(445 − 405) = 20 kW ≈ 27 PS
Ισχύς συμπύκνωσης	Q̇Σ = ṁ(h₂ − h₄)	0,5·(439 − 243) = 98 kW	0,5·(445 − 243) = 101 kW ≈ 86.900 kcal/h
Έλεγχος	Q̇Σ = Q̇ψ + W_C	83,5 + 14,5 = 98 ✔	81 + 20 = 101 ✔
COPθ	Q̇ψ/W_C = (h₁−h₅)/(h₂−h₁)	5,76	162/40 = 4,05

Σχόλια: 1) Με τη μείωση της θερμοκρασίας εξάτμισης κατά 10 °C, η ψυκτική ισχύς μειώθηκε ελαφρά (≈ 2,5 kW, λόγω μικρότερου h₁ και μεγαλύτερης ξηρότητας εισόδου)· στην πράξη η μείωση είναι πολύ μεγαλύτερη, γιατί ο ατμός στα 0,354 MPa είναι αραιότερος (μεγαλύτερος ειδικός όγκος) και ο ίδιος συμπιεστής δεν διακινεί 0,5 kg/s αλλά ≈ 30 % λιγότερο. 2) Η ισχύς του συμπιεστή αυξήθηκε σημαντικά (14,5 → 20 kW), επειδή αυξήθηκε ο λόγος συμπίεσης και η θερμότητα συμπίεσης· ανέβηκε και η θερμοκρασία κατάθλιψης (64,5 → ≈ 75 °C). 3) Ο COPθ μειώθηκε από 5,76 σε ≈ 4,05 (−30 %) — επιβεβαιώνεται το συμπέρασμα της σελ. 80: «αν η θερμοκρασία εξάτμισης μειωθεί, θα μειωθεί ο COPθ», γι' αυτό η θΕ (και η Χ.Π.) πρέπει να είναι όσο γίνεται υψηλή, μόλις χαμηλότερη από την επιθυμητή θερμοκρασία του ψυχόμενου χώρου. 4) Η ισχύς συμπύκνωσης αυξήθηκε λίγο (98 → 101 kW), επειδή προστέθηκε περισσότερο έργο συμπιεστή.

Σύνοψη: θΕ = −10 °C → P_ΧΠ ≈ 0,354 MPa, CR ≈ 4,3· h₁ ≈ 405 (ατμός −4 °C), h₄ = h₅ ≈ 243, h₂ ≈ 445 kJ/kg (θ₂ ≈ 75 °C). Q̇ψ = 0,5·(405−243) = 81 kW, W_C = 0,5·(445−405) = 20 kW, Q̇Σ = 0,5·(445−243) = 101 kW (= 81 + 20), COPθ = 81/20 ≈ 4,05. Σχόλιο: έναντι του κύκλου με θΕ = 0 °C (83,5/14,5/98 kW, COP 5,76) η ψυκτική ισχύς μειώθηκε, η ισχύς του συμπιεστή και η θερμοκρασία κατάθλιψης αυξήθηκαν, ο COP έπεσε ≈ 30 % — η θερμοκρασία εξάτμισης πρέπει να είναι όσο γίνεται υψηλή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

≈ 81 / 20 / 101 kW, COP ≈ 4.

Ερώτηση 21 — Εργασία: τεχνικά χαρακτηριστικά από φυλλάδια και πραγματικός COP

Ερώτηση: Σε τεχνικά φυλλάδια κατασκευαστών ψυγείων ή κλιματιστικών συσκευών ή μεγάλων ψυκτικών συγκροτημάτων να αναζητήσετε τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά τους, τις συνθήκες λειτουργίας για τις οποίες ισχύουν οι ψυκτικές τους αποδόσεις και διάφορα άλλα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους. Αναζητήσετε ή υπολογίσετε τον πραγματικό συντελεστή συμπεριφοράς.

Απάντηση:

Πρόκειται για εργασία-δραστηριότητα (ανοιχτή). Ενδεικτική μεθοδολογία και παράδειγμα: 1. Τι αναζητούμε στο φυλλάδιο/πινακίδα: ψυκτική ισχύς (cooling capacity) σε kW, Btu/h ή kcal/h· απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύς (power input) σε kW και ρεύμα (A)· ψυκτικό μέσο (R-32, R-410A, R-134a, R-404A…) και ποσότητα πλήρωσης· συνθήκες αναφοράς για τις οποίες ισχύει η ισχύς (κλιματιστικά κατά EN 14511: εσωτερικός χώρος 27 °C ξηρού/19 °C υγρού βολβού, εξωτερική θερμοκρασία 35 °C· ψυκτικά συγκροτήματα: θερμοκρασία εξάτμισης/συμπύκνωσης π.χ. −10/+45 °C, υπερθέρμανση, υπόψυξη)· τύπος συμπιεστή (ερμητικός παλινδρομικός, scroll, inverter), τύπος συμπυκνωτή (αερόψυκτος/υδρόψυκτος), παροχή αέρα, στάθμη θορύβου, διαστάσεις-βάρος, ενεργειακή κλάση και δείκτες EER/SEER (ψύξη), COP/SCOP (θέρμανση). 2. Πραγματικός COP: COPπ = (πραγματική ψυκτική ισχύς)/(πραγματικά απορροφούμενη ισχύς) (σελ. 70-71)· τα φυλλάδια τον δίνουν ως EER (Energy Efficiency Ratio) — στις ΗΠΑ σε Btu/h ανά W (EER 12 Btu/(W·h) = COP 12/3,412 ≈ 3,5). 3. Παράδειγμα (τυπικό κλιματιστικό τοίχου 12.000 Btu/h): ψυκτική ισχύς 3,5 kW (= 12.000 Btu/h ≈ 3000 kcal/h), απορροφούμενη ισχύς 1,05 kW, R-32, 35 °C/27 °C → COPπ = EER = 3,5/1,05 ≈ 3,3. Παράδειγμα ψυκτικού συγκροτήματος (μονάδα συμπύκνωσης για θάλαμο): ψυκτική ισχύς 8,0 kW στους −10 °C εξάτμισης/+32 °C περιβάλλοντος, απορροφούμενη 3,6 kW → COPπ ≈ 2,2. 4. Σύγκριση με τον θεωρητικό: ο COPπ είναι πάντα μικρότερος του COPθ (5,5-5,8 στο παράδειγμα του κεφαλαίου), γιατί η πραγματική ψυκτική ισχύς είναι μικρότερη (ογκομετρικός βαθμός απόδοσης, απώλειες) και η απορροφούμενη ισχύς μεγαλύτερη (βαθμός απόδοσης συμπιεστή-κινητήρα, ανεμιστήρες)· επίσης πέφτει όσο ανεβαίνει η εξωτερική θερμοκρασία ή κατεβαίνει η θερμοκρασία εξάτμισης — γι' αυτό οι αποδόσεις ισχύουν μόνο για τις δηλωμένες συνθήκες.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Εργασία: από φυλλάδια καταγράφουμε ψυκτική ισχύ (kW/Btu/h), απορροφούμενη ισχύ, ψυκτικό μέσο, συνθήκες αναφοράς (π.χ. 35 °C εξωτερικά/27 °C εσωτερικά ή θΕ/θΣ), τύπο συμπιεστή-συμπυκνωτή, EER/SEER. COPπ = ψυκτική/απορροφούμενη ισχύς, π.χ. 3,5 kW/1,05 kW ≈ 3,3 για κλιματιστικό 12.000 Btu/h, ≈ 2,2 για μονάδα συμπύκνωσης στους −10 °C· πάντα μικρότερος από τον θεωρητικό (≈ 5,5) και εξαρτώμενος από τις συνθήκες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

COPπ = Qψ,π/W_C,π (EER).

Επιστροφή στην Ενότητα

Επόμενο Στοιχείο