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 (το εκτονωτικό μέσο είναι τριχοειδής σωλήνας, ήδη σημειωμένος στο σχήμα μαζί με το συμπιεστή). α. Συμπληρώστε τα ονόματα των κύριων μερών 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 (τα τέσσερα κύρια μέρη του ψυκτικού κύκλου: ατμοποιητής, συμπιεστής, συμπυκνωτής, εκτονωτικό μέσο· πλευρά χαμηλής/υψηλής πίεσης· Σχήμα 5.3: παχιές γραμμές=ατμός, λεπτές γραμμές=υγρό) και εξέταση του ίδιου του Σχήματος 5.7, όπου φαίνονται ήδη σημειωμένα μόνο το «Εκτονωτικό Μέσο» και ο «Συμπιεστής».

Σύνοψη: α. Από τα τέσσερα βασικά μέρη ενός ψυκτικού κύκλου (ατμοποιητής, συμπιεστής, συμπυκνωτής, εκτονωτικό μέσο), στο Σχήμα 5.7 είναι ήδη σημειωμένα το «Εκτονωτικό Μέσο» και ο «Συμπιεστής» — άρα λείπουν οι ενδείξεις «Ατμοποιητής» (το τμήμα μέσα στο επάνω/εσωτερικό ερμάριο του ψυγείου, εκεί όπου βρίσκεται ο ψυχόμενος χώρος/κατάψυξη) και «Συμπυκνωτής» (η σωλήνωση που απλώνεται στα εξωτερικά τοιχώματα/ράχη του ερμαρίου, μέσω της οποίας αποβάλλεται θερμότητα στο δωμάτιο). β. Η πλευρά χαμηλής πίεσης περιλαμβάνει τη διαδρομή από την έξοδο του τριχοειδούς σωλήνα (εκτονωτικό μέσο), μέσα από τον ατμοποιητή, μέχρι την αναρρόφηση (είσοδο) του συμπιεστή· η πλευρά υψηλής πίεσης περιλαμβάνει τη διαδρομή από την κατάθλιψη (έξοδο) του συμπιεστή, μέσα από το συμπυκνωτή, μέχρι την είσοδο του τριχοειδούς σωλήνα. γ. Σύμφωνα με τη γενική σύμβαση του βιβλίου (Σχήμα 5.3), οι σωληνώσεις ατμού ψυκτικού απεικονίζονται με παχιές γραμμές, ενώ οι σωληνώσεις υγρού ψυκτικού με λεπτές γραμμές — η αντίστοιχη χρωματική διάκριση στο συγκεκριμένο έγχρωμο Σχήμα 5.7 πρέπει να επιβεβαιωθεί από το ίδιο το τυπωμένο σχήμα του βιβλίου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λείπουν: Ατμοποιητής, Συμπυκνωτής· χαμηλή πλευρά=εκτονωτικό μέσο→ατμοποιητής→αναρρόφηση συμπιεστή· υψηλή πλευρά=κατάθλιψη συμπιεστή→συμπυκνωτής→εκτονωτικό μέσο· ατμός=παχιά γραμμή, υγρό=λεπτή γραμμή (επιβεβαίωση χρώματος από το σχήμα)

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; [Π1 — ερώτημα κρίσεως/ομαδικής επεξεργασίας]

Απάντηση:

• §5.6. Η υπόψυξη συμπυκνώματος είναι επιθυμητή γιατί βελτιώνει το COP και μειώνει την πρόωρη ατμοποίηση στο στραγγαλισμό. Το βιβλίο σημειώνει την ερώτηση με το σύμβολο Π1, δηλώνοντας ρητά ότι πρόκειται για ανοιχτό ερώτημα κρίσεως προς συζήτηση/ομαδική επεξεργασία (βλ. πρόλογος βιβλίου), χωρίς μία τυπική «σωστή» αριθμητική απάντηση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πρόκειται για ερώτημα κρίσεως (σημειωμένο με Π1 στο βιβλίο), χωρίς μοναδική τυπική απάντηση — ενδεικτική αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου: Η μέθοδος αυτή (εναλλάκτης υπέρθερμου ατμού/υγρού συμπυκνώματος) κρίνεται θετικά, για δύο συνδυασμένους λόγους. Πρώτον, το υγρό συμπύκνωμα ψύχεται επιπλέον (υπόψυξη πέραν της «φυσιολογικής» που γίνεται στο συμπυκνωτή), κάτι που —όπως αναλύθηκε στο κεφάλαιο— μειώνει την πρόωρη ατμοποίηση (φυσαλίδες) κατά το στραγγαλισμό στο εκτονωτικό μέσο, αυξάνοντας το ποσοστό υγρού που φτάνει στον ατμοποιητή και άρα την ωφέλιμη ψυκτική ισχύ. Δεύτερον, ο υπέρθερμος ατμός που εξέρχεται από τον ατμοποιητή ψύχεται κι αυτός πριν εισέλθει στο συμπιεστή, μειώνοντας τη θερμοκρασία αναρρόφησης — κάτι που συνήθως ωφελεί τη λειτουργία και τη διάρκεια ζωής του συμπιεστή. Ως πιθανό μειονέκτημα προς συζήτηση, θα μπορούσε να αναφερθεί ότι απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός (ο εναλλάκτης), με κόστος κατασκευής και πρόσθετη πτώση πίεσης στις σωληνώσεις, ενώ το τελικό ενεργειακό όφελος (η επίδραση στο COP) πρέπει να επαληθευτεί πειραματικά/υπολογιστικά για κάθε συγκεκριμένη εγκατάσταση και ψυκτικό μέσο. Δεκτή κάθε τεκμηριωμένη κρίση των μαθητών που στηρίζεται στις παραπάνω αρχές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ερώτημα κρίσεως (Π1) χωρίς μοναδική απάντηση· ενδεικτικά θετικά: μείωση πρόωρης ατμοποίησης στο στραγγαλισμό, ψύξη αναρρόφησης συμπιεστή· προς συζήτηση: επιπλέον κόστος/πτώση πίεσης εναλλάκτη