Λύσεις — Κεφάλαιο 5: Ψυκτικός Κύκλος (σελ. 135) – ΨΥΞΗ – ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 5: Ψυκτικός Κύκλος

Λύσεις στις ερωτήσεις-δραστηριότητες του Κεφαλαίου 5 (Ψυκτικός Κύκλος) του σχολικού βιβλίου «Ψύξη - Κλιματισμός» Γ΄ ΕΠΑΛ.

Συσκευή μετατροπής ατμού σε υγρό

Ερώτηση: Σε ποια συσκευή μιας ψυκτικής εγκατάστασης με μηχανική συμπίεση ατμών, γίνεται μετατροπή του ψυκτικού μέσου από ατμό σε υγρό;

Απάντηση:

• §5.3. «Η υγροποίηση γίνεται στο συμπυκνωτή, όπου έχουμε πάλι συναλλαγή θερμότητας ανάμεσα στο ψυκτικό μέσο και το περιβάλλον. Συγκεκριμένα, στο συμπυκνωτή γίνεται αποβολή θερμότητας προς το περιβάλλον.»

Σύνοψη: Η μετατροπή του ψυκτικού μέσου από ατμό σε υγρό (υγροποίηση/συμπύκνωση) γίνεται στο συμπυκνωτή. Εκεί το ψυκτικό μέσο, αφού έχει συμπιεστεί από το συμπιεστή, αποβάλλει θερμότητα προς το περιβάλλον και υγροποιείται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Συμπυκνωτής — εκεί γίνεται η υγροποίηση (αποβολή θερμότητας προς το περιβάλλον)

Συσκευή πλευράς χαμηλής πίεσης

Ερώτηση: Αναφέρατε μια συσκευή που ανήκει στην πλευρά χαμηλής πίεσης μιας ψυκτικής εγκατάστασης.

Απάντηση:

• §5.3. «Ας θεωρήσουμε τώρα ότι χαράσσουμε μια νοητή οριζόντια γραμμή που χωρίζει τον κύκλο σε πάνω και κάτω μέρος. Τότε, στο πάνω μέρος επικρατεί χαμηλή πίεση και γι' αυτό ονομάζεται πλευρά χαμηλής πίεσης...» — ο ατμοποιητής βρίσκεται σε αυτό το τμήμα του κύκλου, ανάμεσα στο εκτονωτικό μέσο και την αναρρόφηση του συμπιεστή.

Σύνοψη: Ο ατμοποιητής (στοιχείο ατμοποίησης) ανήκει στην πλευρά χαμηλής πίεσης: εκεί το ψυκτικό μέσο, αφού έχει εκτονωθεί, βρίσκεται σε χαμηλή πίεση και ατμοποιείται απορροφώντας θερμότητα από τον ψυχόμενο χώρο. Δεκτή επίσης η σωλήνωση αναρρόφησης (γραμμή ατμού) από τον ατμοποιητή προς το συμπιεστή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ατμοποιητής (ή η γραμμή αναρρόφησης προς το συμπιεστή) — πλευρά χαμηλής πίεσης

Συσκευές που διαχωρίζουν τις δύο πλευρές πίεσης

Ερώτηση: Ποιες συσκευές μιας ψυκτικής εγκατάστασης με μηχανική συμπίεση ατμών, διαχωρίζουν την πλευρά υψηλής από την πλευρά χαμηλής πίεσης;

Απάντηση:

• §5.3. Ο συμπιεστής ανεβάζει την πίεση του ατμού (όριο χαμηλής→υψηλής), ενώ το εκτονωτικό μέσο ρίχνει την πίεση του υγρού (όριο υψηλής→χαμηλής): «Χωρίς τη συμπίεση δεν μπορεί να συμπυκνωθεί ο ατμός... Ανάλογο ρόλο έχει η εκτονωτική βαλβίδα.»

Σύνοψη: Οι δύο συσκευές που διαχωρίζουν την πλευρά υψηλής από την πλευρά χαμηλής πίεσης είναι ο συμπιεστής (ανεβάζει την πίεση του ατμού που έρχεται από τον ατμοποιητή, στέλνοντάς τον στο συμπυκνωτή) και το εκτονωτικό μέσο/βαλβίδα (ρίχνει την πίεση του υγρού που έρχεται από το συμπυκνωτή, στέλνοντάς το στον ατμοποιητή). Ο ατμοποιητής και ο συμπυκνωτής βρίσκονται ολόκληροι μέσα στη μία ή στην άλλη πλευρά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Συμπιεστής και εκτονωτικό μέσο (βαλβίδα εκτόνωσης) — τα δύο σημεία μεταβολής της πίεσης

Συσκευή απορρόφησης θερμότητας

Ερώτηση: Σε ποια συσκευή μιας ψυκτικής εγκατάστασης το ψυκτικό μέσο απορροφά θερμότητα;

Απάντηση:

• §5.1/§5.3. «Το ψυκτικό υγρό ατμοποιείται μέσα στο ψυκτικό στοιχείο απορροφώντας έτσι θερμότητα από τον ψυχόμενο χώρο.»

Σύνοψη: Το ψυκτικό μέσο απορροφά θερμότητα στον ατμοποιητή (στοιχείο ατμοποίησης): εκεί, καθώς το υγρό ψυκτικό ατμοποιείται, απορροφά θερμότητα από τον ψυχόμενο χώρο — αυτή η απορροφούμενη θερμότητα στη μονάδα του χρόνου είναι ακριβώς η ψυκτική ισχύς της εγκατάστασης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ατμοποιητής — απορρόφηση θερμότητας από τον ψυχόμενο χώρο κατά την ατμοποίηση

Σχήμα 5.7 — μέρη ψυκτικής εγκατάστασης οικιακού ψυγείου

Ερώτηση: Στο Σχήμα 5.7 βλέπουμε τα μέρη της ψυκτικής εγκατάστασης ενός οικιακού ψυγείου. Οι κόκκινες γραμμές παριστάνουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα του συστήματος. Το εκτονωτικό μέσο είναι τριχοειδής σωλήνας: α. Συμπληρώστε τα ονόματα των κύριων μερών της ψυκτικής εγκατάστασης που δεν είναι σημειωμένα. β. Σημειώστε ποια είναι η πλευρά χαμηλής και ποια η πλευρά υψηλής πίεσης. γ. Ποιο χρώμα αντιστοιχεί στις σωληνώσεις υγρού ψυκτικού μέσου και ποιο στις σωληνώσεις ατμού;

Απάντηση:

• §5.3, Σχήμα 5.7. Τα τέσσερα κύρια μέρη του ψυκτικού κύκλου είναι ατμοποιητής, συμπιεστής, συμπυκνωτής και εκτονωτικό μέσο. Στο Σχήμα 5.7 είναι σημειωμένα μόνο το «Εκτονωτικό Μέσο» και ο «Συμπιεστής»· οι δύο κενές ενδείξεις δείχνουν το θάλαμο στο πάνω μέρος του ψυγείου και τη σωλήνωση με πτερύγια στη βάση του, δίπλα στο συμπιεστή. Πλευρά χαμηλής πίεσης είναι το τμήμα από το εκτονωτικό μέσο, μέσω του ατμοποιητή, μέχρι την αναρρόφηση του συμπιεστή· πλευρά υψηλής πίεσης είναι το τμήμα από την κατάθλιψη του συμπιεστή, μέσω του συμπυκνωτή, μέχρι το εκτονωτικό μέσο.

Σύνοψη: α. Τα δύο μέρη που δεν είναι σημειωμένα είναι ο ατμοποιητής (ο θάλαμος στο πάνω μέρος του ψυγείου, μέσα στον ψυχόμενο χώρο) και ο συμπυκνωτής (η σωλήνωση στη βάση του ψυγείου, δίπλα στο συμπιεστή, από όπου αποβάλλεται θερμότητα στο δωμάτιο). β. Η αριστερή κατακόρυφη σωλήνωση, που οδηγεί το υγρό ψυκτικό μέσο από το συμπυκνωτή προς το εκτονωτικό μέσο (τριχοειδή σωλήνα), ανήκει στην πλευρά υψηλής πίεσης (μαζί με την κατάθλιψη του συμπιεστή και το συμπυκνωτή). Η δεξιά κατακόρυφη σωλήνωση, που οδηγεί τον ατμό από τον ατμοποιητή προς την αναρρόφηση του συμπιεστή, ανήκει στην πλευρά χαμηλής πίεσης (μαζί με τον ατμοποιητή). γ. Στο σχήμα, οι σωληνώσεις υγρού ψυκτικού μέσου έχουν μπλε χρώμα (έξοδος συμπυκνωτή, γραμμή υγρού, είσοδος ατμοποιητή), ενώ οι σωληνώσεις ατμού έχουν πράσινο-κίτρινο χρώμα (έξοδος ατμοποιητή, γραμμή αναρρόφησης, είσοδος συμπυκνωτή). Οι κόκκινες γραμμές είναι τα ηλεκτρικά κυκλώματα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λείπουν: ατμοποιητής (πάνω θάλαμος) και συμπυκνωτής (βάση, δίπλα στο συμπιεστή)· αριστερά = πλευρά υψηλής πίεσης (γραμμή υγρού), δεξιά = πλευρά χαμηλής πίεσης (γραμμή αναρρόφησης)· μπλε = υγρό, πράσινο-κίτρινο = ατμός, κόκκινο = ηλεκτρικά κυκλώματα

Υπολογισμός COP και απορριπτόμενης ισχύος

Ερώτηση: Ο ψύκτης μιας κλιματιστικής εγκατάστασης έχει κινητήρα ισχύος 35 PS και ψυκτική ισχύ 28 RT. Υπολογίστε το συντελεστή συμπεριφοράς και την απορριπτόμενη θερμική ισχύ.

Απάντηση:

• §2.4, εξ. (2.3): 1 kW = 1,36 PS. §2.5, εξ. (2.6)-(2.7): 1 kcal/h = 1,161 W, 1 kcal/h ≈ 4 Btu/h, 1 RT = 12000 Btu/h. §5.3, εξ. (5.1): Απορριπτόμενη Θερμική Ισχύς = Ψυκτική Ισχύς + Ισχύς Συμπιεστή. §5.5, εξ. (5.2): COP = Ψυκτική Ισχύς / Ισχύς Συμπιεστή.

Σύνοψη: Μετατρέπουμε πρώτα τα δύο μεγέθη σε Watt. Ισχύς συμπιεστή: 1 kW = 1,36 PS ⇒ 1 PS = 1000/1,36 ≈ 735,3 W, άρα 35 PS ≈ 35 × 735,3 ≈ 25.735 W ≈ 25,7 kW. Ψυκτική ισχύς: 1 RT = 12000 Btu/h· με 1 kcal/h ≈ 4 Btu/h ⇒ 1 Btu/h ≈ 1,161/4 ≈ 0,290 W, άρα 1 RT ≈ 12000 × 0,290 ≈ 3.483 W· οπότε 28 RT ≈ 28 × 3.483 ≈ 97.524 W ≈ 97,5 kW. Συντελεστής συμπεριφοράς: COP = Ψυκτική Ισχύς / Ισχύς Συμπιεστή ≈ 97.524 / 25.735 ≈ 3,8. Απορριπτόμενη θερμική ισχύς: Ψυκτική Ισχύς + Ισχύς Συμπιεστή ≈ 97.524 + 25.735 ≈ 123.259 W ≈ 123,3 kW.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ισχύς συμπιεστή ≈25,7 kW· Ψυκτική ισχύς ≈97,5 kW· COP≈3,8· Απορριπτόμενη θερμική ισχύς≈123,3 kW — προσοχή στις μονάδες (PS→W, RT→W) πριν τη διαίρεση/πρόσθεση

Ψυγείο σε μονωμένο δωμάτιο με ανοιχτή πόρτα

Ερώτηση: Ένα οικιακό ψυγείο βρίσκεται σε ένα δωμάτιο θερμικώς μονωμένο. Αφήνουμε ανοιχτή την πόρτα του ψυγείου, το ψυγείο συνεχίζει να λειτουργεί και εμείς φεύγουμε και κλείνουμε το δωμάτιο. Όταν επιστρέψουμε μετά από αρκετές ώρες, η θερμοκρασία του δωματίου θα είναι μεγαλύτερη, μικρότερη ή ίση με τη θερμοκρασία που είχε το δωμάτιο πριν φύγουμε;

Απάντηση:

• §5.2-5.3, εξ. (5.1). Απορριπτόμενη Θερμική Ισχύς = Ψυκτική Ισχύς + Ισχύς Συμπιεστή — ο συμπυκνωτής αποβάλλει πάντα περισσότερη θερμότητα από όση απορροφά ο ατμοποιητής, κατά το ακριβές ποσό της ισχύος του συμπιεστή.

Σύνοψη: Η θερμοκρασία του δωματίου θα είναι μεγαλύτερη. Επειδή η πόρτα του ψυγείου είναι ανοιχτή, ο ατμοποιητής απορροφά θερμότητα από τον ίδιο αέρα του δωματίου (όχι από ξεχωριστό μονωμένο θάλαμο), ενώ ο συμπυκνωτής αποβάλλει πάλι στον ίδιο αέρα του δωματίου την απορριπτόμενη θερμική ισχύ, η οποία είναι πάντα μεγαλύτερη από την ψυκτική ισχύ κατά το ποσό της ισχύος του συμπιεστή (Απορριπτόμενη = Ψυκτική + Ισχύς Συμπιεστή). Αφού το δωμάτιο είναι θερμικά μονωμένο (καμία θερμότητα δε φεύγει έξω), το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι στο δωμάτιο προστίθεται συνεχώς ενέργεια ίση με την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει ο συμπιεστής — άρα η θερμοκρασία του δωματίου ανεβαίνει, αντί να πέφτει.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μεγαλύτερη — το ψυγείο δεν μπορεί να 'ψύξει' το δωμάτιο μέσα στο οποίο βρίσκεται· η ισχύς του συμπιεστή μετατρέπεται τελικά όλη σε θερμότητα μέσα στο μονωμένο δωμάτιο

Κρίση μεθόδου υπόψυξης με εναλλάκτη υπέρθερμου ατμού

Ερώτηση: Προκειμένου να γίνει υπόψυξη συμπυκνώματος σε έναν κύκλο ψύξης με μηχανική συμπίεση ατμών, έχει προταθεί να γίνεται εναλλαγή θερμότητας ανάμεσα στον υπέρθερμο ατμό της εξόδου του στοιχείου ατμοποίησης και το συμπύκνωμα ψυκτικού μέσου. Να ψύχεται δηλαδή κι' άλλο, το υγρό που εξέρχεται από το συμπυκνωτή από τον υπέρθερμο ατμό εξόδου του ατμοποιητή (στον εναλλάκτη, Σχήμα 5.8). Πώς κρίνετε αυτή τη μέθοδο υπόψυξης;

Απάντηση:

• §5.6, Παράρτημα 1. Η υπόψυξη συμπυκνώματος είναι επιθυμητή, γιατί επιδρά θετικά στο συντελεστή συμπεριφοράς της εγκατάστασης. Κρίσιμο είναι να συγκρίνουμε τις θερμοκρασίες: το υπόψυκτο υγρό εξόδου του συμπυκνωτή βρίσκεται στην πλευρά υψηλής πίεσης, ενώ ο υπέρθερμος ατμός εξόδου του ατμοποιητή στην πλευρά χαμηλής πίεσης. Π.χ. για το R22 μπορούμε να έχουμε υπέρθερμο ατμό θερμοκρασίας −15 °C και υπόψυκτο υγρό θερμοκρασίας 20 °C.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μέθοδος θεωρείται καλή, πετυχαίνει εξοικονόμηση ενέργειας και χρησιμοποιείται πολύ συχνά στην πράξη. Οι λέξεις «υπέρθερμος ατμός» μπορεί να μας κάνουν να σκεφτούμε ότι ο ατμός είναι θερμότερος από το υγρό και άρα δεν μπορεί να το ψύξει. Αυτό όμως ισχύει μόνο όταν ατμός και υγρό βρίσκονται στην ίδια πίεση. Στην ψυκτική εγκατάσταση το υπόψυκτο υγρό εξόδου του συμπυκνωτή βρίσκεται στην πλευρά υψηλής πίεσης (π.χ. για το R22 στους 20 °C), ενώ ο υπέρθερμος ατμός εξόδου του ατμοποιητή βρίσκεται στην πλευρά χαμηλής πίεσης και έχει πολύ χαμηλή θερμοκρασία (π.χ. −15 °C). Επομένως ο ατμός είναι ψυχρότερος από το υγρό και στον εναλλάκτη η θερμότητα ρέει από το υγρό προς τον ατμό: το υγρό υποψύχεται περισσότερο (λιγότερη ατμοποίηση κατά το στραγγαλισμό, μεγαλύτερη ωφέλιμη ψύξη ανά kg ψυκτικού μέσου), ενώ ο ατμός υπερθερμαίνεται λίγο ακόμη πριν φτάσει στο συμπιεστή, γεγονός που μειώνει και τον κίνδυνο να φτάσουν σταγόνες υγρού στο συμπιεστή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η μέθοδος είναι καλή και εφαρμόζεται συχνά· ο «υπέρθερμος» ατμός της πλευράς χαμηλής πίεσης είναι ψυχρότερος από το υπόψυκτο υγρό της πλευράς υψηλής πίεσης, άρα μπορεί να το ψύξει (και ο ίδιος θερμαίνεται)