Λύσεις Ερωτήσεων-Δραστηριοτήτων (σελ. 218) – ΨΥΞΗ – ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

ΨΥΞΗ – ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ Γ΄ ΕΠΑΛ ΨΥΞΗ – ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ Γ΄ ΕΠΑΛ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου Λύσεις Ερωτήσεων-Δραστηριοτήτων (σελ. 218) – ΨΥΞΗ – ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις Ερωτήσεων-Δραστηριοτήτων

Ερωτήσεις-Δραστηριότητες κεφαλαίου 7

Βρωμιούχο λίθιο σε σύστημα απορρόφησης

Ερώτηση: Το βρωμιούχο λίθιο στα ψυκτικά συστήματα με απορρόφηση ατμών είναι: (α) Το ψυκτικό μέσο (β) Το υλικό του ξηραντήρα (γ) Η απορροφητική ουσία (δ) Πρόσθετο υλικό για να χαμηλώνει τη θερμοκρασία ατμοποίησης.

Απάντηση:

§7.3. «Το σύστημα απορρόφησης με απορροφητή το βρωμιούχο λίθιο και ψυκτικό μέσο το νερό, γνώρισε μεγάλη εφαρμογή στον κλιματισμό.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: (γ) Η απορροφητική ουσία. Στο σύστημα απορρόφησης βρωμιούχου λιθίου-νερού, το ψυκτικό μέσο είναι το νερό (υδρατμός), ενώ το βρωμιούχο λίθιο παίζει το ρόλο της απορροφητικής ουσίας: απορροφά τους υδρατμούς όταν είναι κρύο και τους αποβάλλει όταν θερμαίνεται στη θερμογεννήτρια. Δεν είναι ούτε ψυκτικό μέσο (α), ούτε υλικό ξηραντήρα (β), ούτε πρόσθετο υλικό ρύθμισης θερμοκρασίας ατμοποίησης (δ).

Κριτήρια αξιολόγησης:

(γ) Το βρωμιούχο λίθιο είναι η απορροφητική ουσία· ψυκτικό μέσο είναι το νερό

Ρόλος του θερμικού εναλλάκτη σε κύκλο μηχανικής συμπίεσης ατμών

Ερώτηση: Γιατί τοποθετείται εναλλάκτης θερμότητας σε ένα ψυκτικό κύκλωμα με μηχανική συμπίεση ατμών; (α) Για να χαμηλώνει την πίεση αναρρόφησης (β) Για να χαμηλώνει την πίεση κατάθλιψης (γ) Για να μεγαλώνει το ψυκτικό αποτέλεσμα (δ) Για να υποψύχει το υγρό ψυκτικό που εξέρχεται από το συμπυκνωτή.

Απάντηση:

§7.4. «Συνήθως η υπόψυξη συμπυκνώματος, σε έναν κύκλο ψύξης με μηχανική συμπίεση ατμών, γίνεται παράλληλα με την υπερθέρμανση του ατμού εξόδου από τον ατμοποιητή. Η διεργασία αυτή γίνεται στο θερμικό εναλλάκτη.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: (δ) Για να υποψύχει το υγρό ψυκτικό που εξέρχεται από το συμπυκνωτή. Ο θερμικός εναλλάκτης μεταφέρει θερμότητα από το ζεστό υγρό ψυκτικό (που βγαίνει από το συμπυκνωτή, πριν την εκτονωτική διάταξη) προς τον ψυχρό ατμό που βγαίνει από τον εξατμιστή (πριν το συμπιεστή) — υποψύχοντας έτσι το υγρό και ταυτόχρονα υπερθερμαίνοντας τον ατμό αναρρόφησης. Η άμεση δράση του εναλλάκτη είναι λοιπόν η υπόψυξη του υγρού· ως αποτέλεσμα αυτής της υπόψυξης μειώνεται και το ποσοστό ατμού στο μίγμα υγρού-ατμού μετά την εκτόνωση, γεγονός που έμμεσα μεγαλώνει το ωφέλιμο ψυκτικό αποτέλεσμα — αλλά η ενέργεια που περιγράφεται ρητά στο βιβλίο για τον εναλλάκτη είναι η υπόψυξη (δ). Δεν χαμηλώνει καμία από τις δύο πιέσεις λειτουργίας (α, β) — αυτές καθορίζονται από τις θερμοκρασίες ατμοποίησης/συμπύκνωσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

(δ) Υποψύχει το υγρό ψυκτικό (χρησιμοποιώντας τον ψυχρό ατμό αναρρόφησης) — παράλληλα υπερθερμαίνει τον ατμό

Ρόλος της θερμογεννήτριας σε σύστημα ψύξης με απορρόφηση

Ερώτηση: Ποιος είναι ο ρόλος της θερμογεννήτριας σε ένα σύστημα ψύξης με απορρόφηση ατμών;

Απάντηση:

§7.3. «Ο ατμός του ψυκτικού απελευθερώνεται από την απορροφητική ουσία στη θερμογεννήτρια και αποκτά μεγάλη πίεση. Η υψηλή πίεση δηλαδή, σ' αυτόν τον κύκλο, δεν αποκτάται με μηχανική συμπίεση αλλά με θέρμανση.»

Σύνοψη: Η θερμογεννήτρια δέχεται το πυκνό διάλυμα ψυκτικού μέσου-απορροφητικής ουσίας που έρχεται από τον απορροφητή και το θερμαίνει. Με τη θέρμανση αυτή, ο ατμός του ψυκτικού μέσου απελευθερώνεται από το διάλυμα και αποκτά μεγάλη πίεση — δηλαδή η θερμογεννήτρια, μαζί με τον απορροφητή, παίζει το ρόλο που παίζει ο συμπιεστής στον κλασικό κύκλο μηχανικής συμπίεσης ατμών, με τη διαφορά ότι εδώ η υψηλή πίεση αποκτάται με θέρμανση (φυσικοχημική διαδικασία) και όχι με μηχανική συμπίεση. Μετά την απελευθέρωση του ατμού, ένα αραιό διάλυμα (φτωχό πλέον σε ψυκτικό μέσο) επιστρέφει από τη θερμογεννήτρια προς τον απορροφητή, περνώντας από τον εναλλάκτη Ε όπου προθερμαίνει το αντίθετα κατευθυνόμενο πυκνό διάλυμα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Θερμαίνει το πυκνό διάλυμα, απελευθερώνοντας ατμό ψυκτικού σε υψηλή πίεση — παίζει το ρόλο του «συμπιεστή» μέσω θέρμανσης

Σύγκριση κύκλου συμπίεσης ατμών και κύκλου απορρόφησης

Ερώτηση: Συγκρίνετε το σύστημα ψύξης με συμπίεση ατμών και το σύστημα ψύξης με απορρόφηση ατμών. Ποιες αντιστοιχίσεις μπορούν να γίνουν ανάμεσα στα μέρη των δύο συστημάτων;

Απάντηση:

§7.3-§7.4. Σύγκριση κύκλου μηχανικής συμπίεσης ατμών (Κεφ.5-6, §7.4) με τον κύκλο ψύξης με απορρόφηση (Σχήμα 7.3, §7.3): «Συγκρίνοντας τον κύκλο αυτό με το γνωστό μας ψυκτικό κύκλο με μηχανική συμπίεση ατμών βλέπουμε, αντί του συμπιεστή, δύο νέα μέρη: τον απορροφητή και τη θερμογεννήτρια... Ενώ ο κύκλος με μηχανική συμπίεση ατμών ακολουθεί μηχανικές διαδικασίες, ο κύκλος με απορρόφηση ακολουθεί φυσικοχημικές διαδικασίες.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ενδεικτική σύγκριση/αντιστοίχιση: Ατμοποιητής ↔ Ατμοποιητής — ίδιος ρόλος και στα δύο συστήματα (απορρόφηση θερμότητας από τον ψυχόμενο χώρο, αλλαγή φάσης υγρού σε ατμό). Συμπυκνωτής ↔ Συμπυκνωτής — ίδιος ρόλος (απόρριψη θερμότητας, συμπύκνωση ατμού σε υγρό). Εκτονωτικό μέσο ↔ Εκτονωτική διάταξη (βαλβίδα/τριχοειδής) — ίδιος ρόλος (πτώση πίεσης από την υψηλή στη χαμηλή πλευρά). Η βασική διαφορά βρίσκεται στο συμπιεστή: στο σύστημα απορρόφησης δεν υπάρχει μηχανικός συμπιεστής — αντικαθίσταται λειτουργικά από το ζευγάρι απορροφητής + θερμογεννήτρια (ο απορροφητής κάνει τη φάση «αναρρόφησης», η θερμογεννήτρια τη φάση «συμπίεσης», μέσω θέρμανσης αντί για μηχανική συμπίεση). Επιπλέον, το σύστημα απορρόφησης διαθέτει έναν εναλλάκτη Ε (προθέρμανση πυκνού διαλύματος από το αραιό διάλυμα) που δεν έχει άμεσο αντίστοιχο στον απλό κύκλο συμπίεσης ατμών (αν και παρόμοιο ρόλο, εννοιολογικά, παίζει ο θερμικός εναλλάκτης υποψύξης-υπερθέρμανσης του §7.4). Συνολικά: ο κύκλος συμπίεσης ατμών είναι μηχανικός (χρειάζεται μηχανικό έργο στο συμπιεστή), ενώ ο κύκλος απορρόφησης είναι φυσικοχημικός (χρειάζεται κυρίως θερμική ενέργεια στη θερμογεννήτρια, με ελάχιστη μηχανική ενέργεια για την κυκλοφορία του διαλύματος) — γι' αυτό η ψύξη με απορρόφηση προτιμάται όπου υπάρχει διαθέσιμη φθηνή θερμότητα αλλά όχι εύκολα διαθέσιμη ηλεκτρική ενέργεια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ατμοποιητής↔ατμοποιητής, συμπυκνωτής↔συμπυκνωτής, εκτονωτικό↔εκτονωτικό ίδιοι· συμπιεστής↔(απορροφητής+θερμογεννήτρια, μηχανικό έργο↔θερμότητα)

Τι είναι ο ξηρός πάγος

Ερώτηση: Τι είναι ο ξηρός πάγος και με ποιο τρόπο αξιοποιείται για την παραγωγή ψύξης;

Απάντηση:

§7.5. «Η ψύξη με ξηρό πάγο (ξηρός πάγος ονομάζεται το στερεό διοξείδιο του άνθρακα) αξιοποιεί το γεγονός ότι το στερεό CΟ2 μετατρέπεται, υπό πίεση 1 atm, απευθείας στην αέρια φάση, χωρίς να περάσει από την υγρή φάση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται εξάχνωση.»

Σύνοψη: Ο ξηρός πάγος είναι το στερεό διοξείδιο του άνθρακα (CO₂). Υπό πίεση 1 atm, το στερεό CO₂ μετατρέπεται απευθείας στην αέρια φάση, χωρίς να περάσει από την ενδιάμεση υγρή φάση — το φαινόμενο αυτό ονομάζεται εξάχνωση και συνοδεύεται από απορρόφηση θερμότητας από τον περιβάλλοντα χώρο (λανθάνουσα θερμότητα εξάχνωσης). Αξιοποιείται συνήθως σε αποθήκες κατεψυγμένων προϊόντων, όπου πλάκες ξηρού πάγου τοποθετούνται δίπλα στα πακέτα των κατεψυγμένων προϊόντων· καθώς ο ξηρός πάγος εξαχνώνεται, αφαιρεί θερμότητα από τον περιβάλλοντα χώρο και τα προϊόντα, διατηρώντας τα σε χαμηλή θερμοκρασία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Στερεό CO2 που εξαχνώνεται (στερεό→αέριο απευθείας, υπό 1atm) απορροφώντας θερμότητα· χρήση σε αποθήκες κατεψυγμένων

CFC και ψύξη ανοιχτού κυκλώματος

Ερώτηση: Στην ψύξη ανοιχτού κυκλώματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν χλωροφθοράνθρακες (CFC) ως ψυκτικά μέσα;

Απάντηση:

§7.5, πρβλ. Κεφ.6. «Η ψύξη ανοιχτού κυκλώματος... μέσα στο θάλαμο ψεκάζεται υγρό άζωτο... μετά φεύγει, ως αέριο, στην ατμόσφαιρα. Εννοείται ότι, στα συστήματα αυτά, πρέπει να γίνεται ανατροφοδοσία σε ψυκτικό υγρό.» Η επίδραση των CFC στη στιβάδα του όζοντος συζητείται στο Κεφάλαιο 6 («Ψύξη και Ψυκτικά Μέσα»).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Όχι, δεν είναι κατάλληλη επιλογή. Στην ψύξη ανοιχτού κυκλώματος το ψυκτικό μέσο (συνήθως υγρό άζωτο) ατμοποιείται μέσα στον ψυκτικό θάλαμο και το αέριο που προκύπτει απελευθερώνεται τελικά στην ατμόσφαιρα — γι' αυτό απαιτείται συνεχής ανατροφοδοσία («ανοιχτό κύκλωμα»). Οι χλωροφθοράνθρακες (CFC) όμως είναι ουσίες που καταστρέφουν τη στρατοσφαιρική στιβάδα του όζοντος (θέμα που αναλύεται στο Κεφάλαιο 6 για τα ψυκτικά μέσα) και η ελεύθερη απελευθέρωσή τους στην ατμόσφαιρα απαγορεύεται από διεθνείς συμφωνίες (Πρωτόκολλο Μόντρεαλ). Αντίθετα, το άζωτο είναι το κύριο συστατικό της ίδιας της ατμόσφαιρας (περίπου 78% κατ' όγκο), άφθονο, φθηνό και αβλαβές όταν απελευθερώνεται — γι' αυτό είναι η φυσική επιλογή για ένα σύστημα που καταλήγει να «αδειάζει» το ψυκτικό του μέσο στο περιβάλλον, ενώ ένα CFC δεν θα μπορούσε ποτέ να χρησιμοποιηθεί με αυτόν τον τρόπο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Όχι· στο ανοιχτό κύκλωμα το αέριο καταλήγει στην ατμόσφαιρα, ενώ τα CFC καταστρέφουν το όζον — γι' αυτό χρησιμοποιείται άζωτο (αβλαβές, ήδη κύριο συστατικό του αέρα)

Αναστροφή ψυκτικού κύκλου σε κλιματιστικό ψύξης-θέρμανσης (α)

Ερώτηση: Οι συνηθισμένες αυτόνομες κλιματιστικές μονάδες που γνωρίζουμε αποτελούν εφαρμογή του ψυκτικού κύκλου με μηχανική συμπίεση ατμών. Οι περισσότερες από αυτές παρέχουν ψύξη-θέρμανση (το χειμώνα, βγάζουν στο χώρο ζεστό αέρα). Αυτό πετυχαίνεται με αναστροφή του ψυκτικού κύκλου (το μηχάνημα λειτουργεί, όπως λέμε, ως αντλία θερμότητας). α. Φανταστείτε πώς θα μπορούσε να γίνει αυτή η αναστροφή του ψυκτικού κύκλου και αναζητήστε στη συνέχεια περισσότερες πληροφορίες για το πώς γίνεται αυτό στην πράξη.

Απάντηση:

§7.4, πρβλ. Κεφ.5-6. Η ερώτηση είναι ρητά διατυπωμένη ως δραστηριότητα φαντασίας/έρευνας («Φανταστείτε... και αναζητήστε στη συνέχεια περισσότερες πληροφορίες»), όχι ως ερώτηση με έτοιμη απάντηση στο κείμενο του κεφαλαίου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ερώτηση προσκαλεί σε σκέψη/έρευνα πριν δοθεί η τεχνική απάντηση. Ενδεικτική συλλογιστική: αφού ο ψυκτικός κύκλος βασίζεται στη ροή θερμότητας από τη χαμηλή προς την υψηλή πλευρά μέσω αλλαγής φάσης του ψυκτικού μέσου, «αναστροφή» του κύκλου σημαίνει ότι πρέπει να αντιστραφεί η φορά ροής του ψυκτικού μέσου μέσα στα δύο εναλλασσόμενα σημεία εξωτερικής μονάδας/εσωτερικής μονάδας, ώστε αυτό που το καλοκαίρι λειτουργεί ως εξατμιστής (απορροφά θερμότητα από το χώρο) να λειτουργεί το χειμώνα ως συμπυκνωτής (αποδίδει θερμότητα στο χώρο), και αντίστροφα το στοιχείο του εξωτερικού χώρου. Στην πράξη (όπως επιβεβαιώνει η αναζήτηση πρόσθετων πληροφοριών) αυτό επιτυγχάνεται με μια τετράοδη βαλβίδα αναστροφής (reversing valve), η οποία αλλάζει την κατεύθυνση ροής του ψυκτικού αερίου ανάμεσα στο συμπιεστή και τα δύο εναλλασσόμενα στοιχεία (εσωτερικό-εξωτερικό), χωρίς να χρειάζεται να αντιστραφεί η φορά περιστροφής του ίδιου του συμπιεστή· ο συμπιεστής συνεχίζει να αναρροφά πάντα ατμό χαμηλής πίεσης και να καταθλίβει ατμό υψηλής πίεσης, απλώς η τετράοδη βαλβίδα κατευθύνει αυτόν τον ατμό υψηλής πίεσης πότε στο εσωτερικό στοιχείο (χειμώνας/θέρμανση) και πότε στο εξωτερικό στοιχείο (καλοκαίρι/ψύξη).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ανοιχτή/ερευνητική ερώτηση· ενδεικτικά: τετράοδη βαλβίδα αναστροφής αλλάζει ποιο στοιχείο λειτουργεί ως εξατμιστής/συμπυκνωτής, χωρίς αναστροφή του συμπιεστή

Θερμαντική έναντι ψυκτικής απόδοσης αντλίας θερμότητας (β)

Ερώτηση: Η ικανότητα του μηχανήματος περιγράφεται με δύο τιμές, συνήθως σε Btu/h (π.χ. Εικόνα 7.2). Η μια τιμή αναφέρεται σε χειμερινή λειτουργία (θέρμανση) και η άλλη σε θερινή λειτουργία (ψύξη). Γιατί η τιμή που αναφέρεται σε θέρμανση είναι πάντοτε μεγαλύτερη από αυτή που αναφέρεται σε ψύξη;

Απάντηση:

§7.4, πρβλ. Κεφ.2 (ενεργειακό ισοζύγιο) και Κεφ.5. Στον κύκλο ψύξης, η θερμότητα που αποβάλλεται στο συμπυκνωτή ισούται με τη θερμότητα που απορροφάται στον εξατμιστή συν το έργο συμπίεσης (h3−h5 = (h2−h1) + (h3−h2), όπου h3−h5 η αποβαλλόμενη θερμότητα και h2−h1 η απορροφούμενη· βλ. αριθμητικό παράδειγμα §7.4: 47,8 = 33,3 + 14,5 kcal/kg).

Σύνοψη: Στη λειτουργία θέρμανσης (χειμώνας), η «ωφέλιμη» θερμότητα είναι αυτή που αποδίδεται στο εσωτερικό στοιχείο (που λειτουργεί τώρα ως συμπυκνωτής), ενώ στη λειτουργία ψύξης (καλοκαίρι) η ωφέλιμη θερμότητα είναι αυτή που αφαιρείται στο εσωτερικό στοιχείο (που λειτουργεί ως εξατμιστής). Από το ενεργειακό ισοζύγιο του ψυκτικού κύκλου, η θερμότητα που αποβάλλεται στο συμπυκνωτή ισούται πάντοτε με το άθροισμα της θερμότητας που απορροφάται στον εξατμιστή και του μηχανικού έργου που προσφέρεται στο ψυκτικό μέσο κατά τη συμπίεση: Qσυμπυκνωτή = Qεξατμιστή + Wσυμπιεστή (όπως φαίνεται και στο αριθμητικό παράδειγμα του §7.4: 47,8 kcal/kg αποβαλλόμενη θερμότητα = 33,3 kcal/kg ψυκτική ικανότητα + 14,5 kcal/kg έργο συμπίεσης). Επειδή ο συμπιεστής προσθέτει πάντα ένα θετικό ποσό ενέργειας (μηχανικό έργο, το οποίο μετατρέπεται τελικά σε θερμότητα μέσα στο ψυκτικό κύκλωμα), η θερμότητα που αποδίδεται στο συμπυκνωτή (δηλαδή η θερμαντική ικανότητα, όταν το μηχάνημα λειτουργεί ως αντλία θερμότητας) είναι πάντοτε μεγαλύτερη από τη θερμότητα που αφαιρείται στον εξατμιστή (η ψυκτική ικανότητα) — και η διαφορά τους ισούται ακριβώς με τη μηχανική ισχύ που καταναλώνει ο συμπιεστής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Qθέρμανσης(συμπυκνωτής)=Qψύξης(εξατμιστής)+Wσυμπιεστή· η ισχύς συμπιεστή προστίθεται πάντα, άρα η θερμαντική τιμή είναι πάντα μεγαλύτερη

Ψυκτική διάταξη R134a με υπερθέρμανση-υπόψυξη — 1) χάραξη κύκλου στο p-h

Ερώτηση: Ψυκτική διάταξη μηχανικής συμπίεσης ατμού ψυκτικού μέσου R134a εργάζεται με αναρρόφηση υπέρθερμου ατμού και υπόψυξη συμπυκνώματος. Η θερμοκρασία και η πίεση στην είσοδο του συμπιεστή είναι 10 °C και 0,5 bar (μανομετρική) αντίστοιχα. Ο βαθμός ξηρότητας του ατμού μετά την εκτόνωση είναι 0,2, η ψυκτική ισχύς 3 RT και η πίεση συμπύκνωσης 10 bar (μανομετρική). Η ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 bar. Ζητούνται: 1) Η χάραξη του κύκλου σε διάγραμμα p-h.

Απάντηση:

§7.4. Μέθοδος χάραξης όπως στο αριθμητικό παράδειγμα του §7.4 (κύκλος R22, 2RT): μετατροπή μανομετρικών σε απόλυτες πιέσεις, εντοπισμός των ισόθλιπτων στο διάγραμμα p-h του R134a, τοποθέτηση των σημείων 1,2,3 και της υποψυγμένης υγρής κατάστασης πριν την εκτόνωση.

Σύνοψη: Μετατρέπουμε πρώτα τις πιέσεις σε απόλυτες, προσθέτοντας την ατμοσφαιρική πίεση (1 bar): πίεση ατμοποίησης (αναρρόφησης) 0,5 + 1 = 1,5 bar (απόλυτη)· πίεση συμπύκνωσης 10 + 1 = 11 bar (απόλυτη). Από τον Πίνακα 6 του Παραρτήματος 2 (R134a), στα 150,78 kPa ≈ 1,5 bar αντιστοιχεί θερμοκρασία ατμοποίησης −17 °C και στα 1101,93 kPa ≈ 11 bar θερμοκρασία συμπύκνωσης 43 °C. Χαράσσουμε τον κύκλο στο διάγραμμα p-h του R134a (Παράρτημα 3) ως εξής: το σημείο 1 (είσοδος ατμοποιητή) βρίσκεται πάνω στην ισόθλιπτη 1,5 bar, μέσα στην καμπάνα, πάνω στη γραμμή σταθερής ξηρότητας 0,2. Ακολουθώντας την ισόθλιπτη 1,5 bar προς τα δεξιά, περνάμε τη γραμμή κορεσμένου ατμού και συνεχίζουμε στην περιοχή υπέρθερμου ατμού μέχρι την ισόθερμη των 10 °C: εκεί βρίσκεται το σημείο 2 (είσοδος συμπιεστή, υπέρθερμος ατμός με υπερθέρμανση 10 − (−17) = 27 °C). Από το σημείο 2 ακολουθούμε την ισεντροπική γραμμή μέχρι την ισόθλιπτη 11 bar, όπου βρίσκεται το σημείο 3 (έξοδος συμπιεστή, υπέρθερμος ατμός). Από το 3 ερχόμαστε οριζόντια (συμπύκνωση υπό 11 bar) μέχρι τη γραμμή κορεσμένου υγρού και συνεχίζουμε στην περιοχή υπόψυκτου υγρού μέχρι το σημείο 5, που βρίσκεται κατακόρυφα πάνω από το σημείο 1 (η εκτόνωση 5→1 γίνεται με σταθερή ενθαλπία, άρα h5 = h1). Η θέση του σημείου 5 δείχνει ότι το συμπύκνωμα έχει υποψυχθεί περίπου στους 14 °C.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Απόλυτες πιέσεις: 1,5 bar (−17 °C) και 11 bar (43 °C)· σημείο 1: x = 0,2 στα 1,5 bar· σημείο 2: υπέρθερμος ατμός 1,5 bar/10 °C· σημείο 3: ισεντροπική έως 11 bar· σημείο 5: υπόψυκτο υγρό με h5 = h1 (κατακόρυφη εκτόνωση 5→1)

Ψυκτική διάταξη R134a — 2) παροχή μάζας ψυκτικού μέσου

Ερώτηση: Ψυκτική διάταξη μηχανικής συμπίεσης ατμού ψυκτικού μέσου R134a εργάζεται με αναρρόφηση υπέρθερμου ατμού και υπόψυξη συμπυκνώματος. Η θερμοκρασία και η πίεση στην είσοδο του συμπιεστή είναι 10 °C και 0,5 bar (μανομετρική) αντίστοιχα. Ο βαθμός ξηρότητας του ατμού μετά την εκτόνωση είναι 0,2, η ψυκτική ισχύς 3 RT και η πίεση συμπύκνωσης 10 bar (μανομετρική). Η ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 bar. Ζητούνται: 2) Η παροχή μάζας του ψυκτικού μέσου.

Απάντηση:

§7.4. «Η ψυκτική ικανότητα (δηλαδή πόση θερμότητα απορροφάται στον ατμοποιητή ανά kg ψυκτικού μέσου) βρίσκεται από το διάγραμμα ως διαφορά ενθαλπιών: h2-h1... Διαιρώντας την ψυκτική ισχύ δια την ψυκτική ικανότητα, βρίσκουμε... την παροχή μάζας» — ίδια μέθοδος με το παράδειγμα R22.

Σύνοψη: Η ψυκτική ισχύς είναι 3 RT = 36000 Btu/h = 9000 kcal/h (με 1 kcal/h ≈ 4 Btu/h, όπως στο παράδειγμα της §7.4), δηλαδή 9000 × 1,161 ≈ 10.450 W. Ενθαλπία του σημείου 1: από τον Πίνακα 6 του Παραρτήματος 2, στους −17 °C (1,5 bar) η ενθαλπία κορεσμένου υγρού είναι hf = 177,6 kJ/kg και η λανθάνουσα θερμότητα hfg = 211,0 kJ/kg, οπότε h1 = hf + x·hfg = 177,6 + 0,2 × 211,0 ≈ 219,8 kJ/kg. Ενθαλπία του σημείου 2 (υπέρθερμος ατμός 1,5 bar, 10 °C), από το διάγραμμα p-h: h2 ≈ 411 kJ/kg. Ψυκτική ικανότητα: h2 − h1 ≈ 411 − 219,8 = 191,2 kJ/kg. Παροχή μάζας: ṁ = Ψυκτική ισχύς / (h2 − h1) = 10,45 kW / 191,2 kJ/kg ≈ 0,0547 kg/s ≈ 197 kg/h.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Qψ = 3 RT = 9000 kcal/h ≈ 10,45 kW· h1 = 177,6 + 0,2·211,0 ≈ 219,8 kJ/kg· h2 ≈ 411 kJ/kg· ṁ = 10,45/191,2 ≈ 0,0547 kg/s ≈ 197 kg/h

Ψυκτική διάταξη R134a — 3) παρεχόμενη μηχανική ισχύς συμπίεσης

Ερώτηση: Ψυκτική διάταξη μηχανικής συμπίεσης ατμού ψυκτικού μέσου R134a εργάζεται με αναρρόφηση υπέρθερμου ατμού και υπόψυξη συμπυκνώματος. Η θερμοκρασία και η πίεση στην είσοδο του συμπιεστή είναι 10 °C και 0,5 bar (μανομετρική) αντίστοιχα. Ο βαθμός ξηρότητας του ατμού μετά την εκτόνωση είναι 0,2, η ψυκτική ισχύς 3 RT και η πίεση συμπύκνωσης 10 bar (μανομετρική). Η ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 bar. Ζητούνται: 3) Η παρεχόμενη μηχανική ισχύς προς το ψυκτικό μέσο.

Απάντηση:

§7.4. «Το έργο που προσφέρεται στο ψυκτικό μέσο κατά τη συμπίεση, ανά kg ψυκτικού μέσου, υπολογίζεται από το διάγραμμα ως διαφορά ενθαλπιών... Πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό αυτό επί την παροχή μάζας, βρίσκουμε την προσφερόμενη μηχανική ισχύ» — ίδια μέθοδος με το παράδειγμα R22 (W=h3-h2).

Σύνοψη: Το έργο συμπίεσης ανά kg ψυκτικού μέσου είναι η διαφορά ενθαλπιών h3 − h2. Από το διάγραμμα p-h του R134a, ακολουθώντας την ισεντροπική γραμμή από το σημείο 2 (h2 ≈ 411 kJ/kg, 1,5 bar, 10 °C) μέχρι την ισόθλιπτη 11 bar, βρίσκουμε h3 ≈ 458 kJ/kg (θερμοκρασία κατάθλιψης περίπου 77 °C). Άρα W = h3 − h2 ≈ 458 − 411 = 47 kJ/kg. Πολλαπλασιάζοντας επί την παροχή μάζας (ṁ ≈ 0,0547 kg/s), βρίσκουμε την παρεχόμενη μηχανική ισχύ: P = ṁ·(h3 − h2) ≈ 0,0547 × 47 ≈ 2,57 kW. Η ισχύς αυτή είναι η θεωρητική ισχύς του συμπιεστή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

h3 ≈ 458 kJ/kg (ισεντροπική συμπίεση έως 11 bar)· W = h3 − h2 ≈ 47 kJ/kg· P = ṁ·W ≈ 0,0547 × 47 ≈ 2,57 kW

Ψυκτική διάταξη R134a — 4) συντελεστής συμπεριφοράς COP

Ερώτηση: Ψυκτική διάταξη μηχανικής συμπίεσης ατμού ψυκτικού μέσου R134a εργάζεται με αναρρόφηση υπέρθερμου ατμού και υπόψυξη συμπυκνώματος. Η θερμοκρασία και η πίεση στην είσοδο του συμπιεστή είναι 10 °C και 0,5 bar (μανομετρική) αντίστοιχα. Ο βαθμός ξηρότητας του ατμού μετά την εκτόνωση είναι 0,2, η ψυκτική ισχύς 3 RT και η πίεση συμπύκνωσης 10 bar (μανομετρική). Η ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 bar. Ζητούνται: 4) Ο συντελεστής συμπεριφοράς.

Απάντηση:

§7.4. «Για να υπολογίσουμε το συντελεστή συμπεριφοράς, θα διαιρέσουμε την ψυκτική ισχύ δια την ισχύ του συμπιεστή» — ίδια μέθοδος με το παράδειγμα R22 (COP=Qψ/P).

Σύνοψη: Ο συντελεστής συμπεριφοράς είναι ο λόγος της ψυκτικής ισχύος προς την ισχύ του συμπιεστή: COP = 10,45 kW / 2,57 kW ≈ 4,1. Ισοδύναμα, COP = (h2 − h1)/(h3 − h2) = 191,2/47 ≈ 4,07. Πρόκειται για θεωρητικό συντελεστή συμπεριφοράς (με τη θεωρητική ισχύ του συμπιεστή)· είναι αισθητά μεγαλύτερος από το COP = 2,3 του παραδείγματος της §7.4, γιατί εδώ η διαφορά ανάμεσα στη θερμοκρασία συμπύκνωσης (43 °C) και τη θερμοκρασία ατμοποίησης (−17 °C) είναι μικρότερη και υπάρχει υπόψυξη συμπυκνώματος.

Κριτήρια αξιολόγησης: