Ψύξη με εκτόνωση Η ψύξη ενός αερίου ρεύματος είναι δυνατή με αδιαβατική εκτόνωση του. Μπορεί να συμβεί: A. Mε ελεύθερη εκτόνωση σε βαλβίδα στραγγαλισμού: ισενθαλπική διεργασία σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι θερμοκρασία των περισσότερων πραγματικών αερίων μειώνεται με μείωση της πίεσης υπό σταθερή ενθαλπία Συντελεστής Joule-Thompson Αέριο μ JT (K/atm) @ 1 atm, 298 K Αέρας 0.189 CO2 1.11 (300K) He -0.062 H2-0..03 N2 0.27 O2 0.31
Ψύξη με εκτόνωση B. Mε εκτόνωση σε στροβιλο (turboexpander) Ισεντροπική διεργασία Η μείωση της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη για την ίδια πτώση πίεση σε σχέση με τη βαλβίδα JT [ T/ P s > T/ P H ] Ταυτόχρονα παράγεται έργο που αξιοποιείται για την λειτουργία συμπιεστή
Ψύξη με εκτόνωση Η ψύξη μέσω βαλβίδας εκτόνωσης ή στροβίλου χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές διεργασίες για την ανάκτηση των Natural Gas Liquids (NGL, C2+) από το φυσικό αέριο, αλλά και για την υγροποίηση αερίων όπως Ο2, Ν2 κλπ.
Ψυκτικό κύκλο με απορρόφηση ατμών (Absorption Refrigeration System, ARS) Ο συμπιεστής αντικαθίσταται από σύστημα απορρόφησης-αναγέννησης Το ψυκτικό ρευστό διαλύεται σε έναν υγρό στον απορροφητή σε χαμηλή θερμοκρασία και πίεση και διαχωρίζεται από αυτόν στον αναγεννητή σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση Αντί της συμπίεσης ατμών, στην ARS γίνεται συμπίεση του υγρού μίγματος ψυκτικού-απορροφήτη, η οποία απαιτεί πολύ λιγότερη ενέργεια (έργο συμπίεσης W = P Δv) Απαιτείται θερμική ενέργεια στον αναγεννητή Weak NH 3 solution Strong NH 3 solution
Ψυκτικό κύκλο με απορρόφηση ατμών (Absorption Refrigeration System, ARS) 1) Εξατμιστής: Στον εξατμιστή η περίπου καθαρή αμμωνία (NH3) σε υγρή κατάσταση παράγει το αποτέλεσμα ψύξης. Απορροφά τη θερμότητα από την ουσία που πρόκειται να ψυχθεί και εξατμίζεται. Η αμμωνία περνά στον απορροφητή στην αέρια κατάσταση. 2) Απορροφητής: Στον απορροφητή υπάρχει ήδη ασθενές διάλυμα αμμωνίας-νερού. Το νερό, που χρησιμοποιείται ως απορροφητικό στο διάλυμα, είναι ακόρεστο και έχει την ικανότητα να απορροφά περισσότερη αέρια αμμωνία. Καθώς η αμμωνία από τον εξατμιστή εισέρχεται στον απορροφητή, σχηματίζεται ισχυρό διάλυμα αμμωνίαςνερού. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απορρόφησης απελευθερώνεται θερμότητα η οποία μπορεί να μειώσει την ικανότητα απορρόφησης σε αμμωνία του νερού. Επομένως ο απορροφητής ψύχεται από νερό ψύξης. 3) Αντλία: Το ισχυρό διάλυμα αμμωνίας/νερού αντλείται από την αντλία στην υψηλή πίεση του αναγεννητή.
Ψυκτικό κύκλο με απορρόφηση ατμών (Absorption Refrigeration System, ARS) 4) Αναγεννητής: Το ισχυρό διάλυμα αμμωνίας/νερού από εξωτερική πηγή θερμότητας όπως ατμός ή το ζεστό νερό. Μπορεί επίσης να θερμανθεί από άλλες πηγές όπως φυσικό αέριο, ηλεκτρικό θερμαντήρα, απόρριψη θερμότητας κλπ. Λόγω της θέρμανσης του ψυκτικού, η αμμωνία εξατμίζεται και φεύγει από την κορυφή. Ωστόσο, κάποιο νερό παρασύρεται επίσης με την αμμωνία. 5) Συμπυκνωτής και βαλβίδα εκτόνωσης: Το καθαρό ψυκτικό μέσο (αμμωνία) σε κατάσταση ατμού και υπό υψηλή πίεση εισέρχεται στον ψυκτήρα όπου ψύχεται με νερό. Η αμμωνία μετατρέπεται σε υγρή κατάσταση και στη συνέχεια διέρχεται μέσω της βαλβίδας εκτόνωσης όπου η θερμοκρασία και η πίεση πέφτει. 6) Εναλλάκτης θερμότητας: Το ασθενές θερμό διάλυμα αμμωνίας/νερού από τον αναγεννητή θερμαίνει το ψυχρό ισχυρό διάλυμα αμμωνίας/νερού στον εναλλάκτη. Αυτό το διάλυμα εκτονώνεται σε βαλβίδα εκτόνωσης και μεταφέρεται πίσω στον απορροφητή.
Ψύξη με απορρόφηση ατμών vs. ψύξης με συμπίεση ατμών Βασικό Πλεονέκτημα: Η ενέργεια που απαιτείται είναι θερμική, συνήθως σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας (80-150 C). Συνεπώς σε μια βιομηχανική μονάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ενέργεια που απορρίπτεται από κάποιο άλλο σύστημα.
Εργαζόμενα μέσα ψύξης με απορρόφηση Αμμωνία/Νερό Νερό/Διάλυμα βρωμιούχου λιθίου (LiBr) HFO ή άλλα ψυκτικά/ιοντικά υγρά o Hydrofluoroolefins (HFO) Θεωρούνται ότι έχουν μηδενικό ODP και χαμηλό GWP και συνεπώς είναι πιο φιλικά προς το περιβάλλον συγκριτικά με τα CFC, HCFC και HFC o Ιοντικά υγρά Νέα τάξη διαλυτών, Άλατα τα οποία βρίσκονται σε υγρή κατάσταση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Θεωρούνται ως πράσινοι διαλύτες (αμελητέα τάση ατμών) Εξετάζεται η χρήση τους σε μεγάλος εύρος εφαρμογών που καλύπτει όλο τα φάσμα της χημικής μηχανικής
Θερμοδυναμικές ιδιότητες μίγματος Διάγραμμα φάσεων T-xy NH 3 /H2O
Θερμοδυναμικές ιδιότητες μίγματος Διάγραμμα φάσεων T-xy NH 3 /H2O
Θερμοδυναμικές ιδιότητες μίγματος Διάγραμμα ειδικού όγκου για κορεσμένο υγρό και κορεσμένο ατμό NH 3 /H2O
Άσκηση Για την ψύξη χώρου σε θερμοκρασία 18 C εξετάζεται η χρήση ψυκτικού συστήματος συμπίεσης με αμμωνία και ψυκτικού συστήματος απορρόφησης με μίγμα αμμωνίας/νερό. Η ζητούμενη ψυκτική ισχύς του συστήματος είναι 100 kw. Να υπολογιστεί σε κάθε περίπτωση η ροή του ψυκτικού, η απαιτούμενη ενέργεια (θερμική ή ηλεκτρική), η ψυκτική ικανότητά του μέσου και ο COP του συστήματος. Πρόσθετα δεδομένα Στο σύστημα απορρόφησης P high =15 bar, P low =5 bar και θερμοκρασία λειτουργίας του αναγεννητή Τ gen =100 C. Η συγκέντρωση του πυκνού διαλύματος είναι 50% κβ NH 3. Και στις δύο περιπτώσεις χρησιμοποιείται αερόψυκτος συμπυκνωτήρας (θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος T env =30 C) Στους εναλλάκτες να θεωρηθεί διαφορά θερμοκρασίας των ρευμάτων εξόδου ίση με 10 C
Θερμοκρασία, oc Θερμοδυναμικές ιδιότητες μίγματος 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 T-xy αμμωνία/νερό σε P=5 bar 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 x,y NH3 Διάγραμμα φάσεων T-xy NH 3 /H2O
Θερμοκρασία, oc Θερμοδυναμικές ιδιότητες μίγματος 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 T-xy αμμωνία/νερό σε P=15 bar 30 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 x,y NH3 Διάγραμμα φάσεων T-xy NH 3 /H2O
Άσκηση Ψυκτικό σύστημα απορρόφησης με εργαζόμενο μέσο μίγμα αμμωνίας/νερό έχει ψυκτική ισχύ 100 ΤR. Oι ιδιότητες του μίγματος στα διάφορες συνθήκες του κύκλου δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Θεωρώντας ότι ο ρυθμός απόρριψης θερμότητας στον συμπυκνωτήρα της στήλης αναγέννησης είναι 88 kw να βρεθούν: α) Οι παροχές του πυκνού διαλύματος, του αραιού διαλύματος και του ρεύματος του ψυκτικού στον εξατμιστήρα β) Οι τιμές ενθαλπίας που λείπουν από τον πίνακα γ) Οι ρυθμοί μεταφοράς θερμότητας στον συμπυκνωτήρα (Qc), στην απορρόφηση (Qa), στον αναβραστήρα της αναγεννησης (Qs) και το έργο της αντλίας (Wp). δ) Ο συντελεστής απόδοσης του κύκλου (COP)