Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στην Ψύξη και στον Κλιματισμό (σελ. 34) – ΨΥΞΗ – ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στην Ψύξη και στον Κλιματισμό

Λύσεις στις 7 Ερωτήσεις-Δραστηριότητες του κεφαλαίου 1, που καλύπτουν την ιστορική εξέλιξη της ψύξης και του κλιματισμού, τις φυσικές αρχές πίσω από τη ψυκτική διάταξη, την αναγκαιότητα της ψύξης/κλιματισμού και τις εφαρμογές τους, καθώς και τα περιβαλλοντικά ζητήματα (τρύπα όζοντος, φαινόμενο θερμοκηπίου).

Σκοπός των συστημάτων ψύξης και κλιματισμού

Ερώτηση: Ποιος είναι ο σκοπός των συστημάτων ψύξης και κλιματισμού;

Απάντηση:

• §1.4-1.5. Οι εφαρμογές της ψύξης αφορούν διατάξεις/εγκαταστάσεις («ψυγεία» ή «ψυκτικά συγκροτήματα») που αφαιρούν θερμότητα από τη μάζα ενός σώματος, μειώνοντας τη θερμοκρασία του και διατηρώντας το σε επιθυμητές συνθήκες. Οι εφαρμογές κλιματισμού «παραλαμβάνουν ή παράγουν θερμική ενέργεια και κινούν μηχανικά ποσότητες αέρα για να ελέγχουν διαρκώς τις συνθήκες (θερμοκρασία, υγρασία, καθαρότητα, ταχύτητα, ποσότητα) του αέρα κάποιου εσωτερικού χώρου... ώστε όσοι κατοικούν και εργάζονται στο χώρο να αισθάνονται άνετα, ή να ωφελούνται τα βιομηχανικά προϊόντα.»

Σύνοψη: Ο σκοπός των συστημάτων ψύξης είναι η αφαίρεση θερμότητας από τη μάζα ενός σώματος ή ενός χώρου, ώστε να μειωθεί η θερμοκρασία του και να διατηρηθεί σε επιθυμητές συνθήκες (π.χ. συντήρηση/κατάψυξη τροφίμων και άλλων προϊόντων, παραγωγή πάγου). Ο σκοπός των συστημάτων κλιματισμού είναι ο διαρκής έλεγχος όλων των συνθηκών του αέρα ενός εσωτερικού χώρου —θερμοκρασίας, υγρασίας, καθαρότητας, ταχύτητας και ποσότητας— ώστε οι άνθρωποι που ζουν/εργάζονται στο χώρο να αισθάνονται άνετα, ή ώστε να ωφελούνται τα βιομηχανικά προϊόντα και οι ευαίσθητες διεργασίες παραγωγής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ψύξη: αφαίρεση θερμότητας→χαμηλότερη θερμοκρασία/διατήρηση· Κλιματισμός: έλεγχος θερμοκρασίας-υγρασίας-καθαρότητας-κίνησης-ποσότητας αέρα για άνεση ή προϊόντα

Εμφάνιση μηχανικών συστημάτων ψύξης και κλιματισμού

Ερώτηση: Πότε παρουσιάστηκαν τα μηχανικά συστήματα ψύξης και πότε τα συστήματα κλιματισμού;

Απάντηση:

• §1.1. «Το 1843 ο Αμερικανός Jacob Perkins κατασκεύασε την πρώτη μηχανή παραγωγής πάγου που χρησιμοποίησε συμπιεστή.» ... «Το 1902, ο νεαρός μηχανικός Willis Carrier... σχεδίασε, δοκίμασε και εγκατέστησε την πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση κλιματισμού σε μεγάλο τυπογραφείο, στο Brooklyn της Νέας Υόρκης.»

Σύνοψη: Τα πρώτα μηχανικά συστήματα ψύξης εμφανίστηκαν το 1843, όταν ο Αμερικανός Jacob Perkins κατασκεύασε την πρώτη μηχανή παραγωγής πάγου με χρήση συμπιεστή (ακολούθησαν η μηχανή απορρόφησης του Karré το 1851 και η μηχανή μηχανικής συμπίεσης αμμωνίας του Boyle το 1872). Τα πρώτα συστήματα κλιματισμού εμφανίστηκαν αργότερα, το 1902, όταν ο Willis Carrier σχεδίασε και εγκατέστησε την πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση κλιματισμού σε τυπογραφείο του Brooklyn της Νέας Υόρκης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ψύξη: 1843 (Perkins, μηχανή με συμπιεστή)· Κλιματισμός: 1902 (Carrier, πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση)

Η φυσική αδυναμία που καλύπτει μια ψυκτική διάταξη

Ερώτηση: Ποια φυσική αδυναμία καλύπτει μια ψυκτική διάταξη;

Απάντηση:

• §1.2. «Στη φύση, οι ενεργειακές μεταβολές συμβαίνουν πάντα προς μία κατεύθυνση και ποτέ αντίστροφα... αν αφήσουμε σε ένα τραπέζι ένα ποτήρι με καυτό γάλα... αυτό θα κρυώσει σταδιακά από μόνο του, ενώ αντίστροφα... ένα ποτήρι με παγωμένο γάλα... δεν πρόκειται ποτέ να ζεσταθεί... από μόνο του. Οι ψυκτικές διατάξεις (αλλά και οι μηχανές που ονομάζονται αντλίες θερμότητας) καλύπτουν αυτή τη φυσική αδυναμία, δηλαδή τη μεταφορά της θερμικής ενέργειας (της θερμότητας) από μια περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας σε μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας.»

Σύνοψη: Η φυσική αδυναμία που καλύπτει μια ψυκτική διάταξη είναι το γεγονός ότι, στη φύση, η θερμότητα δεν μεταφέρεται ποτέ μόνη της από μια περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας προς μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας (οι ενεργειακές μεταβολές γίνονται πάντα προς μία μόνο κατεύθυνση, από θερμό προς ψυχρό). Η ψυκτική διάταξη, με τη χρήση ενός ψυκτικού μέσου και με την προσφορά έργου από εξωτερική πηγή, πραγματοποιεί ακριβώς αυτή την «αντίστροφη», φυσικά αδύνατη χωρίς βοήθεια, μεταφορά θερμότητας από την ψυχρή προς τη θερμή περιοχή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η θερμότητα δεν μεταφέρεται μόνη της από ψυχρό σε θερμό· η ψυκτική διάταξη το πετυχαίνει με ψυκτικό μέσο + προσφορά έργου

Αναγκαιότητα και βασικότερες εφαρμογές ψύξης-κλιματισμού

Ερώτηση: Γιατί είναι αναγκαία η μηχανική ψύξη και ο κλιματισμός και ποιες θεωρείς ως τις βασικότερες εφαρμογές τους;

Απάντηση:

• §1.3. «Είναι προφανής σε όλους μας η αναγκαιότητα της τεχνητής ψύξης των τροφίμων... Χωρίς την ψύξη... η κάθε είδους τροφή... δε θα μπορούσε να αποθηκευθεί για μεγάλη χρονική περίοδο και να μεταφερθεί σε μακρινές αποστάσεις.» ... «Με το παράδειγμα αυτό, γίνεται αντιληπτό ότι μόνο ο κλιματισμός καλύπτει την απαίτηση για εξασφάλιση ομοιόμορφων και σταθερών εσωτερικών συνθηκών άνεσης.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μηχανική ψύξη είναι αναγκαία κυρίως επειδή χωρίς αυτήν τα τρόφιμα (κρέας, ψάρι, γάλα, γλυκίσματα κ.λπ.) αλλοιώνονται σε λίγες ημέρες, αναπτύσσοντας επικίνδυνα για την υγεία βακτήρια και μύκητες, και δεν θα μπορούσαν να αποθηκευτούν ή να μεταφερθούν σε μακρινές αποστάσεις· επιπλέον, φάρμακα και πολλά αγροτικά/βιομηχανικά προϊόντα καθώς και ενεργειακές, βιομηχανικές και εργαστηριακές διεργασίες βασίζονται στην ψύξη. Ο κλιματισμός είναι αναγκαίος επειδή μόνο αυτός εξασφαλίζει ομοιόμορφες και σταθερές συνθήκες άνεσης (θερμοκρασία, υγρασία, καθαρότητα, κίνηση αέρα) σε κτίρια, μέσα μεταφοράς και βιομηχανικούς χώρους, καθ' όλη τη διάρκεια μεταβαλλόμενων κλιματικών συνθηκών. Ενδεικτικά, ως βασικότερες εφαρμογές θα μπορούσε κανείς να αναφέρει τη συντήρηση/κατάψυξη τροφίμων (ψύξη) και τον κλιματισμό άνεσης κατοικιών, γραφείων και μέσων μεταφοράς (κλιματισμός) — δεκτή όμως και οποιαδήποτε άλλη τεκμηριωμένη επιλογή του μαθητή/της μαθήτριας (π.χ. βιομηχανική ψύξη, βιομηχανικός κλιματισμός), αφού πρόκειται για ερώτημα προσωπικής κρίσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ψύξη: αποφυγή αλλοίωσης τροφίμων/φαρμάκων, στήριξη διεργασιών· Κλιματισμός: σταθερή άνεση σε κτίρια/μεταφορές· 'βασικότερες εφαρμογές' = ανοιχτή, τεκμηριωμένη απάντηση

Ο πατέρας του σύγχρονου κλιματισμού

Ερώτηση: Ποιος θεωρείται ο «πατέρας» του σύγχρονου κλιματισμού;

Απάντηση:

• §1.1. «...το 1902, ο νεαρός μηχανικός Willis Carrier, ο αποκαλούμενος "πατέρας του κλιματισμού", σχεδίασε, δοκίμασε και εγκατέστησε την πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση κλιματισμού σε μεγάλο τυπογραφείο, στο Brooklyn της Νέας Υόρκης.»

Σύνοψη: Ο «πατέρας» του σύγχρονου κλιματισμού θεωρείται ο Αμερικανός μηχανικός Willis Carrier, ο οποίος το 1902 σχεδίασε, δοκίμασε και εγκατέστησε την πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση κλιματισμού, σε μεγάλο τυπογραφείο στο Brooklyn της Νέας Υόρκης, και το 1911 παρουσίασε τον ψυχρομετρικό χάρτη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Willis Carrier (1902, πρώτη βιομηχανική εγκατάσταση κλιματισμού)

Διατάξεις ψύξης-κλιματισμού στο σπίτι και στο σχολείο

Ερώτηση: Μέτρησε και κατονόμασε τις διατάξεις ψύξης και κλιματισμού που υπάρχουν στο σπίτι σου ή στο σπίτι ενός γείτονά σου και στο σχολείο σου. Θεωρείς ότι κάποια από αυτές έχει τοποθετηθεί/εγκατασταθεί χωρίς να χρειάζεται ή σε λάθος σημείο; Υπάρχει κάποια που λειτουργεί άσκοπα;

Απάντηση:

• Δραστηριότητα παρατήρησης/έρευνας πεδίου — δεν αντιστοιχεί σε συγκεκριμένο απόσπασμα θεωρίας· βασίζεται στις κατηγορίες εφαρμογών ψύξης-κλιματισμού που περιγράφονται στα §1.4-1.5 (οικιακό ψυγείο, κλιματιστικό δωματίου, ψύκτης νερού κ.λπ.), τις οποίες ο μαθητής καλείται να εντοπίσει και να αξιολογήσει στην πράξη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πρόκειται για ανοιχτή δραστηριότητα παρατήρησης, χωρίς μία «σωστή» απάντηση — ο μαθητής καλείται να καταγράψει με βάση τη δική του έρευνα. Ενδεικτικά, σε ένα σπίτι συνήθως υπάρχουν: οικιακό ψυγείο (με χώρο συντήρησης και κατάψυξης), ένα ή περισσότερα κλιματιστικά δωματίου (διαιρούμενου τύπου) και ενδεχομένως καταψύκτης· σε ένα σχολείο μπορεί να υπάρχουν κλιματιστικά σε γραφεία διοίκησης/βιβλιοθήκη και ίσως ψύκτης νερού (βρύση με ψυγείο) στους διαδρόμους, ενώ συνήθως λίγες μόνο αίθουσες διδασκαλίας διαθέτουν κλιματισμό. Ως προς την αξιολόγηση, ο μαθητής πρέπει να αιτιολογήσει την κρίση του με κριτήρια όπως: αν μια συσκευή είναι τοποθετημένη σε χώρο που δεν χρησιμοποιείται συχνά (π.χ. αποθήκη), αν λειτουργεί ενώ ο χώρος είναι κενός (σπατάλη ενέργειας — «λειτουργεί άσκοπα»), ή αν έχει τοποθετηθεί σε λάθος σημείο (π.χ. εκτεθειμένη απευθείας στον ήλιο, εμποδίζοντας τη σωστή κυκλοφορία αέρα). Δεκτή κάθε τεκμηριωμένη, ρεαλιστική καταγραφή και κρίση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανοιχτή/προσωπική δραστηριότητα καταγραφής· ενδεικτικά: ψυγείο, κλιματιστικό, ψύκτης νερού· αξιολόγηση με κριτήριο χρησιμότητα/σπατάλη ενέργειας/σωστή τοποθέτηση

Φαινόμενο θερμοκηπίου και τρύπα του όζοντος

Ερώτηση: Πού οφείλονται τα φαινόμενα το θερμοκηπίου και της τρύπας του όζοντος και πώς μπορούν να περιοριστούν σε σχέση με τη χρήση των συστημάτων ψύξης και κλιματισμού;

Απάντηση:

• §1.1. «...οι κυβερνήσεις όλων των χωρών της γης δεσμεύτηκαν να διακόψουν σταδιακά τη διάθεση και χρήση ψυκτικών ουσιών επικίνδυνων για το περιβάλλον, όπως οι χλωροφθοράνθρακες ή CFCs... Τα CFCs ευθύνονται για τη δημιουργία τρύπας στο στρώμα όζοντος...» ... «Το διοξείδιο του άνθρακα δημιουργεί, μαζί με άλλα αέρια, όπως το μεθάνιο και το φρέον, μια επικίνδυνη στιβάδα στην ατμόσφαιρα, που προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Λόγω της στιβάδας αυτής, παγιδεύεται θερμότητα κοντά στην επιφάνεια της γης...» ... «...το γνωστό μας φρέον (R-22) θα αποτελεί από το 2004 παρελθόν... και θα αντικατασταθεί ολοκληρωτικά από ισοδύναμες οικολογικές ψυκτικές ουσίες, όπως το R-407C και το R-134a.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η τρύπα του όζοντος οφείλεται στους χλωροφθοράνθρακες (CFCs) — παλαιότερα ευρέως χρησιμοποιούμενα ψυκτικά μέσα σε συστήματα ψύξης/κλιματισμού — οι οποίοι καταστρέφουν τη στιβάδα όζοντος της ατμόσφαιρας που μας προστατεύει από την επικίνδυνη υπεριώδη (UV) ακτινοβολία. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου οφείλεται κυρίως στην εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα (CO2), που παράγεται σε μεγάλο βαθμό από την καύση καυσίμων για παραγωγή της ενέργειας που απαιτούν, μεταξύ άλλων, και τα συστήματα ψύξης-κλιματισμού, καθώς και σε άλλα αέρια όπως το μεθάνιο και το ίδιο το φρέον· αυτά τα αέρια παγιδεύουν θερμότητα κοντά στην επιφάνεια της γης. Τα δύο φαινόμενα μπορούν να περιοριστούν, σε σχέση με τη χρήση συστημάτων ψύξης-κλιματισμού, με: (1) την αντικατάσταση των παλιών ψυκτικών μέσων (π.χ. R-22) με οικολογικά ψυκτικά χωρίς χλώριο, όπως το R-407C και το R-134a (σύμφωνα με το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ)· (2) τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και τη μείωση του λειτουργικού κόστους/κατανάλωσης ενέργειας των εγκαταστάσεων, ώστε να απαιτείται λιγότερη καύση καυσίμων και άρα λιγότερες εκπομπές CO2· και (3) την ορθή συντήρηση/ανακύκλωση των ψυκτικών μέσων, ώστε να αποφεύγονται διαρροές τους στην ατμόσφαιρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρύπα όζοντος: CFCs· Θερμοκήπιο: CO2/μεθάνιο/φρέον· Περιορισμός: οικολογικά ψυκτικά (R-407C, R-134a), ενεργειακή απόδοση, σωστή συντήρηση/ανακύκλωση