Οι Ψυκτικές Διατάξεις και ο τρόπος λειτουργίας τους

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Οι Ψυκτικές Διατάξεις και ο τρόπος λειτουργίας τους Του φοιτητή Βαλωμένου Ευάγγελου, του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θες/νίκης 2010 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1)Εισαγωγή 2)Η θερμική άνεση στην ανθρώπινη ζωή 3)Ψυκτική διάταξη και τρόπος λειτουργίας 4)Επίδραση ψυκτικών διατάξεων στο περιβάλλον 5)Η ψυκτική διάταξη μέσα από τα μάτια ενός τεχνικού 6)Επίλογος 7)Βιβλιογραφία 2

Εισαγωγή Η προσπάθεια να προστατευθεί κάθε ζωντανός οργανισμός από ακραίες(και επομένως επικίνδυνες ή έστω ενοχλητικές) θερμοκρασιακές μεταβολές, είναι αναπόσπαστα συνδεδεμένη με τη φυσική βιολογική προσπάθεια για επιβίωση. Γι αυτό ο άνθρωπος από πανάρχαια χρόνια προσπαθούσε να εξασφαλίσει μια ευχάριστη, ή έστω ανεκτή κατάσταση περιβάλλοντος, στους χώρους και τις περιοχές παραμονής, διαμονής και απασχολήσεώς του. Η επιλογή περιοχών και χώρων εγκαταστάσεως των ανθρώπων, αλλά και η όλη οικονομική, κοινωνική, πολιτική και πολιτιστική διαμόρφωση της ζωής τους, είναι στενά συνδεδεμένη με το κλίμα και τις συνθήκες που επικράτησαν(και επικρατούν) στο άμεσο φυσικό περιβάλλον τους. Η σπηλιά του πρωτόγονου ανθρώπου ήταν η πρώτη κατοικία που τον προστάτευε από την παγωνιά του χειμώνα και τον θερινό καύσωνα. Στη συνέχεια η φωτιά, πηγή και αφετηρία του πολιτισμού αλλά και βασικός παράγοντας αναπτύξεως για πολλές χιλιάδες χρόνια, έδωσε την πρώτη δυνατότητα στον άνθρωπο να μεταβάλλει, με τη δική του πρωτοβουλία και δράση τη θερμοκρασία του άμεσου περιβάλλοντος του, διαφοροποιώντας την τεχνητά από τον υπόλοιπο περίγυρο. Στη συνέχεια η βιομηχανική επανάσταση επέτρεψε στον άνθρωπο να διευκολύνει την ζωή του σε πολλούς τομείς. Ένα παράδειγμα αυτών των ευκολιών είναι και η δυνατότητα που απέκτησε, με την βοήθεια ειδικών μηχανών, να διατηρεί χώρους σε θερμοκρασίες που αυτός επιθυμεί. Οι μηχανές αυτές ονομάζονται ψυκτικές και βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς τις καθημερινής μας ζωής αλλά και τις βιομηχανικής παραγωγής. Δύσκολα μπορούμε πλέον να φανταστούμε την ζωή μας χωρίς τις ψυκτικές μηχανές. Στην εργασία μου αυτή θα αναφερθούμε στην επίτευξη άνεσης με τη βοήθεια των ψυκτικών μηχανών, θα αναλύσουμε τον τρόπο λειτουργίας αυτών των μηχανών και τέλος θα μιλήσουμε για την επίπτωση που έχουν αυτές οι μηχανές στο περιβάλλον. 3

Η θερμική άνεση στην ανθρώπινη ζωή Ο πρωταρχικός σκοπός των συστημάτων κλιματισμού είναι να διατηρούν σε όλη τη διάρκεια του έτους τη θερμική άνεση και την υγεία των ανθρώπων μέσα στους χώρους διαβίωσης και εργασίας, με αξιοπιστία, επάρκεια και ανεκτό κόστος. Οι συνθήκες θερμικής άνεσης εξαρτώνται κυρίως από τις συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασίας και κίνησης του αέρα ενός χώρου ενώ η υγεία των ανθρώπων εξασφαλίζεται και από την καθαρότητα του αέρα. Στο σημείο αυτό πρέπει να επισημανθεί η διάκριση ανάμεσα στις ιδανικές, επιθυμητές και εφικτές συνθήκες ανέσεως. Ιδανικές συνθήκες ανέσεως είναι εκείνες που ικανοποιούν κατά άριστο τρόπο το σύνολο των κλιματικών παραγόντων ενός χώρου και προσαρμόζονται κατά ιδανικό τρόπο στις απαιτήσεις ή τους στόχους των χρηστών. Επιθυμητές είναι οι συνθήκες ανέσεως που επιλέγονται για ένα χώρο και προσεγγίζουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις ιδανικές συνθήκες ανέσεως, χωρίς όμως να παραγνωρίζουν λογικούς παράγοντες κόστους και τεχνολογικών δυνατοτήτων. Εφικτές είναι οι τελικές συνθήκες περιβάλλοντος που επιτυγχάνονται από μια συγκεκριμένη εγκατάσταση που λειτουργεί με αποδεκτά τεχνοοικονομικά δεδομένα, σε συγκεκριμένες(πραγματικές) συνθήκες εξωκλίματος. Δηλαδή για κάθε χώρο μπορούν να προσδιοριστούν κάποιες ιδανικές συνθήκες ανέσεως, που θα προσαρμοστούν ρεαλιστικά για να προκύψουν οι επιθυμητές. Από τις επιθυμητές παίρνοντας υπόψη τις πραγματικές συνθήκες εξωκλίματος θα προκύψουν οι εφικτές. Οι συνθήκες θερμικής άνεσης δεν είναι μοναδικές αλλά εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες. Οι συνθήκες αυτές καθορίζονται στους κανονισμούς και πρότυπα που ισχύουν σε κάθε χώρα. Ο καθοριστικός παράγοντας συνήθως είναι το είδος και η χρήση των χώρων στους οποίους εγκαθίσταται το σύστημα κλιματισμού(π.χ. κατοικία, κτίριο γραφείων, θέατρο, ξενοδοχείο κλπ.). Οι εγκαταστάσεις άνεσης διατηρούν τον αέρα των χώρων τόσο το χειμώνα όσο και το καλοκαίρι σε μία θερμοκρασία από 20 0 C έως 26 0 C και σε μία σχετική υγρασία μεταξύ 35% και 65%. Στις συνθήκες αυτές ο άνθρωπος αισθάνεται κατά κανόνα άνετα και αποδίδει περισσότερο στην εργασία του. Σε ειδικές κατηγορίες 4

κτιρίων, ο στόχος δεν είναι μόνο η θερμική άνεση των ανθρώπων αλλά και η δημιουργία ειδικού περιβάλλοντος που ευνοεί είτε κάποια χημική ή βιολογική εξέλιξη(π.χ. εργαστήρια), είτε κάποια μηχανική κατεργασία(π.χ. βιομηχανία) ή τέλος την προστασία κάποιων αντικειμένων από την απαξίωση(π.χ. ιστορικά κτίρια, μουσεία, βιβλιοθήκες). Εδώ οι συνθήκες του αέρα καθορίζονται από διάφορους κανονισμούς, από παρατηρήσεις, εμπειρία κλπ. Στον πίνακα που ακολουθεί υπάρχουν τιμές θερμοκρασίας και υγρασίας που ανταποκρίνονται στις ιδανικές συνθήκες θερμοκρασιακής ανέσεως για χειμώνα και καλοκαίρι. Οι ιδανικές συνθήκες ανέσεως ανταποκρίνονται στις στατιστικά διαπιστωμένες προτιμήσεις μεγάλου αριθμού ανθρώπων. Οι τιμές του πίνακα 1 που ακολουθεί βασίζονται σε έγκυρες πηγές και συγκεκριμένα σε εμπεριστατωμένη έρευνα της ASHRAE* Πίνακας 1 ΕΙΔΟΣ ΧΩΡΟΥ ΧΕΙΜΩΝΑΣ ΚΑΛΟΚΑΙΡΙ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ ΧΩΡΙΣ ΥΓΡΑΝΣΗ ΥΨΗΛΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ ΘΕΡ/ΣΙΑ ΣΧΕΤΙΚΗ ΘΕΡ/ΣΙΑ ΘΕΡ/ΣΙΑ ΣΧΕΤΙΚΗ ΘΕΡ/ΣΙΑ ΣΧΕΤΙΚΗ Ξ.Θ. ΥΓΡΑΣΙΑ Ξ.Θ. Ξ.Θ. ΥΓΡΑΣΙΑ Ξ.Θ. ΥΓΡΑΣΙΑ (σε C) (%) (σε C) (σε C) (%) (σε C) (%) Κατοικίες, Γραφεία, Σχολεία, 23 24 30 35 24 25 25 26 45 50 23 24 45 50 Ξενοδοχεία, Νοσοκομεία 23 24 30 35 24 25 25 26 45 50 23 24 45 50 Τράπεζες(χώρος επισκεπτών) 22 23 30 35 23 24 26 27 45 50 25 26 45 50 Καταστήματα Θέατρα, Κινηματογράφοι, 22 23 35 40 23 24 26 27 50 60 25 26 50 55 Εκκλησίες, Εστιατόρια Βιομηχανικοί χώροι 20 22 30 35 21 23 27 30 45 55 25 26 45 55 ASHRAE= American Society of Heating, Refrigeration and Air-Condition Engineers 5

Ψυκτική διάταξη και ο τρόπος λειτουργίας Υπάρχουν πολλές διατάξεις παραγωγής ψύξης, όμως μία έχει σχεδόν επικρατήσει, αυτή με μηχανική συμπίεση και συγκεκριμένα με αντλία θερμότητας. Στη χώρα μας η ψύξη γίνεται ως επί το πλείστον με μηχανική συμπίεση ατμού και εφαρμόζεται σε ψυκτικές εγκαταστάσεις ισχύος 40W έως 17,5ΜW ανά μονάδα. Βεβαίως για να λειτουργήσουν απαιτείται μηχανική ενέργεια ώστε να τεθεί σε κίνηση ο συμπιεστής. Υπάρχουν βεβαίως και άλλες ψυκτικές διατάξεις, συμπεριλαμβανομένου και του κύκλου ψύξης με απορρόφηση, στις οποίες δεν υπάρχει συμπιεστής αλλά μία πηγή θερμότητας (συνήθως υγραέριο). Οι διατάξεις αυτές δεν έχουν επικρατήσει λόγω υψηλού λειτουργικού κόστους σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Οι διατάξεις αυτού του τύπου μονοπωλούν σχεδόν την αγορά στο χώρο αυτό και, σ αυτό τον τύπο κλιματιστικής μονάδας, με τίτλο αντλία θερμότητας, οφείλεται η τεράστια διάδοση του κλιματισμού τα τελευταία χρόνια. Γι αυτό και θα αναφερθώ αναλυτικά στις αντλίες θερμότητας. Αντλία θερμότητας Σύμφωνα με τα ιστορικά δεδομένα, η πρώτη αντλία θερμότητας κατασκευάστηκε από τον Perkins το 1820. Τέσσερα χρόνια αργότερα ο Carnot πέτυχε τη θεωρητική της θεμελίωση. Ο Kelvin ήταν ο πρώτος που το 1852 διαπίστωσε στην πράξη ότι μια ψυκτική μηχανή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για θέρμανση. Πέρασε μια μακρά περίοδος που η λειτουργία της αντλίας θερμότητας θεωρήθηκε ασύμφορη. Μετά το 1950 άρχισαν πάλι να ασχολούνται με το θέμα και έγιναν πολλές βελτιώσεις στον σχεδιασμό και τα συστήματα ελέγχου, οπότε οι αντλίες θερμότητας άρχισαν να χρησιμοποιούνται εκτεταμένα, ειδικά σε χώρες με ήπιο κλίμα που η αποδοτικότητα τους αναμένετε αυξημένη. Τα τεράστια προβλήματα που παρουσιάστηκαν κατά την ενεργειακή κρίση του 1973, στις βιομηχανικές κυρίως χώρες, προώθησαν διατάξεις όπως οι αντλίες θερμότητας, με τις οποίες επιτυγχάνεται όχι μόνο εξοικονόμηση ενέργειας, αλλά και αξιοποίηση της διαθέσιμης ενέργειας που είναι διάχυτη στη φύση. Σήμερα η αντλία θερμότητας αποτελεί συσκευή κλιματισμού ή απλής ψύξεως με μεγάλο εύρος εφαρμογών στη βιομηχανία και τα κτίρια κατοικίας, εργασίας κ.λπ. 6

Θεωρητική αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας Για την κατανόηση της λειτουργίας μιας αντλίας θερμότητας, μπορεί να γίνει παραλληλισμός με τη λειτουργία μιας κοινής αντλίας(νερού π.χ.). Έτσι, ενώ είναι παράδοξο για ένα σώμα, π.χ. υδάτινες μάζες που βρίσκονται σε κάποια στάθμη του πεδίου βαρύτητας της γης, να μετακινείται από κάτω προς τα επάνω, με τη δαπάνη ποσού ενέργειας που προσφέρεται μέσω της αντλίας, αυτό γίνεται εφικτό. Μάλιστα ξέρουμε ότι ο ενεργειακός ισολογισμός στην περίπτωση αυτή δίνει mgh 1 +W=mgh 2 (1) Δηλαδή η ενεργειακή κατάσταση του σώματος στο αρχικό(χαμηλότερο επίπεδο( mgh 1 ), αθροίζεται(θεωρητικά τουλάχιστον) με το προσφερόμενο από την αντλία έργο Wκαι δίνει την τελική ενεργειακή κατάσταση του σώματος(mgh 2 ) όταν αυτό βρεθεί στο τελικό(υψηλότερο) επίπεδο. Αντίστοιχα γνωρίζουμε από το 2 0 θερμοδυναμικό αξίωμα ότι η θερμότητα μεταδίδεται μόνη της από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας σε ένα σώμα χαμηλότερης και ποτέ προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και εδώ όμως, η αντιστροφή της φυσικής αυτής κινήσεως είναι δυνατή με την κατανάλωση κάποιας μορφής ενέργειας, π.χ. ηλεκτρικής και την προσφορά αυτής μέσω της αντλίας θερμότητας. Έτσι με τη βοήθεια μιας πηγής ηλεκτρικού ρεύματος και ενός ψυκτικού κύκλου συμπιέσεως ατμού(σχήμα 1), επιτυγχάνεται η μεταφορά(προς ένα χώρο ή από ένα χώρο) ποσού ενέργειας διπλάσιου ή και τριπλάσιου της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Το έργο που παράγεται(στον συμπιεστή) W προστίθεται στη θερμότητα που μεταφέρεται Q 1 και έτσι έχουμε Q 1 +W=Q 2 (2) Δηλαδή με την αντλία θερμότητας παίρνουμε μεγαλύτερο ποσό ενέργειας από το έργο που καταναλώνουμε και αυτό είναι φυσικό, αφού τη θερμότητα δεν την παράγουμε με το έργο που δαπανάμε αλλά την αποσπούμε από το περιβάλλον(εξωτερικό) ή από το χώρο και τη μεταφέρουμε αντίστοιχα στον χώρο(θέρμανση) ή στο περιβάλλον(δροσισμός). Η αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας στηρίζεται στην θεωρητική αρχή της μηχανής Carnot, με αντίθετη φορά. Για τη λειτουργία της μηχανής Carnot απαιτούνται, όπως φαίνεται στο σχήμα 2, δύο θερμοδοχεία. Ένα θερμοδοχείο υψηλής(τ 1 ) και ένα χαμηλής θερμοκρασίας(τ 2 ). Κατά τη λειτουργία της μηχανής αυτής 7

έχουμε την παραγωγή έργου με παροχή θερμότητας. Σε ιδανικές συνθήκες πλήρους αντιστρεψιμότητας και χωρίς απώλειες θερμότητας ο συντελεστής αποδόσεως του κύκλου αυτού δίνεται από τη σχέση n = (T 1 -T 2 )/T 1 (3) Η αντιστροφή της λειτουργίας του παραπάνω κύκλου(σχήμα 2), αποδίδει τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας. Σχήμα 1 (7.2.2) Σχήμα 2(7.2.3) Εδώ έχουμε την παραγωγή ψυκτικής(θερμαντικής) ισχύος με κατανάλωση μηχανικού έργου. Ο συντελεστής αποδόσεως της αντλίας θερμότητας σε ιδανικές συνθήκες, ο οποίος χαρακτηρίζει και την ποιότητά της, δίνεται από τον αντίστροφο συντελεστή n, που αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως COP 8

COP=T 1 / (T 1 -T 2 ) (4) Ο ειδικός αυτός βαθμός αποδόσεως χαρακτηρίζεται με τον όρο συντελεστής λειτουργίας και κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 2,5 και 3,5. Σύμφωνα με τη σχέση (4), COP της αντλίας θερμότητας εξαρτάται μόνο από τις θερμοκρασίες των δύο θερμοδοχείων, ιδιότητα η οποία γενικεύεται και σε μη ιδανικές συνθήκες, όπου ο συντελεστής δίνεται από τη σχέση COP=Q Θ / (Q Θ -Q Ψ ) (5) Και αυτό λόγω της σημαντικής σχέσεως που προκύπτει από τον κύκλο Carnot Q Θ /Τα Θ +Q Ψ /Τα Ψ =0 (6) Η σχέση (4) δείχνει ότι αποφασιστικής σημασίας στοιχεία που καθορίζουν τον βαθμό αποδόσεως και επομένως το κατά πόσον η λειτουργία της αντλίας θερμότητας είναι συμφέρουσα οικονομικά, είναι η θερμοκρασία της πηγής από την οποία αντλείται η θερμότητα, η θερμοκρασία με την οποία αποβάλλεται η θερμότητα και το έργο που καταναλώνουμε. Έτσι, όσο μικρότερη είναι η διαφορά μεταξύ των δύο θερμοκρασιών, τόσο λιγότερο έργο καταναλώνουμε, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται ο βαθμός αποδόσεως (COP) της αντλίας θερμότητας. Το γεγονός αυτό κάνει την αντλία θερμότητας πιο συμφέρουσα οικονομικά σε χώρες με ήπια κλίματα. Η τελευταία παρατήρηση έχει ιδιαίτερη σημασία για τη χώρα μας, λόγω των ειδικών κλιματικών συνθηκών που παρατηρούνται στο μέγιστο των περιοχών της. Ο ήπιος χειμώνας και το θέρος με ελάχιστες μέρες καύσωνα, επιτρέπουν τη χρήση αντλιών θερμότητας τόσο για θέρμανση, όσο και για δροσισμό, υπό εξαιρετικά ευνοϊκούς λειτουργικούς και οικονομικούς όρους. Τεχνολογία της αντλίας θερμότητας Η αντλία θερμότητας αποτελείται από το εσωτερικό τμήμα της, το οποίο τοποθετείται στον κλειστό χώρο(δωμάτιο, γραφείο) και το εξωτερικό(που αποτελεί τον κύριο μηχανισμό της), το οποίο βρίσκεται στο εξωτερικό περιβάλλον που είναι διαθέσιμη και ανεξάντλητη(ή έστω πολύ μεγάλη) ενεργειακή δεξαμενή, όπως ο αέρας, το έδαφος ή το νερό. Οι φυσικές ενεργειακές δεξαμενές θεωρούνται πρακτικά ότι βρίσκονται 9

σε σταθερή θερμοκρασία(σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή). Η πιο απλή μορφή αντλίας θερμότητας φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα (σχήμα 7.2.6) Σχήμα 3(7.2.6) Αποτελείται από ένα συμπιεστή(1), ένα συμπυκνωτή(2), ένα εξατμιστή(3) και τους ανεμιστήρες συμπυκνωτή και εξατμιστή, το σύστημα ελέγχου(αυτοματισμοί), τη στραγγαλιστική διάταξη και τέλος τον μηχανισμό αντιστροφής της λειτουργίας της. Η απορρόφηση και απόδοση θερμότητας γίνονται με μεταβολή φάσεων(από υγρό σε αέριο και από αέριο σε υγρό) ρευστού, κατάλληλων θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών, του ψυκτικού ρευστού. Θα αναφέρω τώρα τη ροή του ρευστού από τα διάφορα στοιχεία της αντλίας όταν αυτή χρησιμοποιείται για ψύξη, δηλαδή κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Μέσα από τον συμπιεστή, ο οποίος παίρνει κίνηση από τον κινητήρα, περνά το ψυκτικό ρευστό σε αέρια κατάσταση σε χαμηλή πίεση. Στην έξοδο του συμπιεστή η πίεση και η θερμοκρασία του αέρα έχουν ανέβει σημαντικά. Περνώντας από τον συμπυκνωτή-εναλλάκτη έρχεται σε έμμεση επαφή με τη χαμηλότερη θερμοκρασία του αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και αποβάλλει θερμότητα προς το περιβάλλον υπό σταθερή σχεδόν 10

θερμοκρασία. Η αποβολή θερμότητας έχει σαν αποτέλεσμα τη μεταβολή του αερίου υψηλής πιέσεως σε κορεσμένο υγρό ή και υπέρκορο. Στη συνέχεια το υγρό υψηλής πιέσεως περνά μέσα από τη βαλβίδα εκτονώσεως, όπου και υποβιβάζεται ως προς την πίεση και τη θερμοκρασία, σε χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Η αέρια και υγρή φάση του ψυκτικού ρευστού συνυπάρχουν στο σημείο αυτό και σε αναλογία που εξαρτάται κάθε φορά από τις αρχικές και τελικές συνθήκες. Η θερμοκρασία του ρευστού είναι χαμηλότερη τώρα από τη θερμοκρασία εσωτερικού χώρου που περιβάλλει τον εξατμιστή - εναλλάκτη, ώστε αέρας του χώρου κατά την επαφή του με ψυκτικό ρευστό απορροφά θερμότητα, κάτω από σχεδόν σταθερή θερμοκρασία. Το αποτέλεσμα της διεργασίας αυτής είναι να φτάσει το ρευστό την κατάσταση κορεσμένου ή και υπέρθερμου αερίου. Η αποβολή και απορρόφηση θερμότητας που πραγματοποιείται στον συμπυκνωτή και εξατμιστή αντίστοιχα, υποβοηθείται από ειδικούς ανεμιστήρες, οι οποίοι συντελούν στην ταχύτερη κυκλοφορία του περιβάλλοντος αέρα. Θερμοδυναμική εξέταση της αντλίας θερμότητας(θεωρητικός κύκλος) Ο θερμοδυναμικός κύκλος που αναφέρεται στη διαδοχική ατμοποίηση και υγροποίηση ενός ρευστού, αποτελεί την αφετηρία μελέτης(και λειτουργίας) της αντλίας θερμότητας. Η διαδικασία λειτουργίας μοιάζει σημαντικά με την ανάδρομη μηχανή του Carnot. Οι θερμοδυναμικές μεταβολές σε διάγραμμα εντροπίας φαίνονται στο διάγραμμα του σχήματος 4. 11

Σχήμα 4(7.2.11) Μεταβολή 1-2 Ο συμπιεσμένος και υπέρθερμος ατμός εισέρχεται στον συμπυκνωτή, ψύχεται μέχρι την κατάσταση κορεσμού και αποδίδει θερμότητα. Η πίεση παραμένει σταθερή, ενώ έχουμε μικρή πτώση της θερμοκρασίας του ατμού. Μεταβολή 2-3 Ο κορεσμένος ατμός που βρίσκεται μέσα στον συμπυκνωτή, αρχίζει να υγροποιείται υπό σταθερή πίεση, ενώ συγχρόνως αποδίδει τη μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας. Μεταβολή 3-4 Το υγροποιημένο ρευστό εγκαταλείπει τον συμπυκνωτή, περνάει από την εκτονωτική βαλβίδα και ελαττώνεται η πίεση του. Η μεταβολή αυτή είναι ισενθαλπική, μη αντιστρεπτή και συνοδεύεται από μεγάλη πτώση της θερμοκρασίας. Μεταβολή 4-5 Το υγρό εισέρχεται στον εξατμιστή, παίρνει θερμότητα από την ψυχρή πηγή και ατμοποιείται με σταθερή πίεση και θερμοκρασία. Η αύξηση της ενθαλπίας είναι ισοβαρής. 12

Μεταβολή 5-1 Ο ατμός, που βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμού, εισέρχεται στον συμπιεστή. Με τη συμπίεση, η οποία θεωρητικά είναι ισεντροπική, ενώ στη πράξη περίπου ισεντροπική και αρκετά αδιαβατική, λόγω ταχύτητας, ανεβαίνει η θερμοκρασία, η ενθαλπία και η πίεση του ατμού. Πραγματικός θερμοδυναμικός κύκλος Οι αναγκαστικές τροποποιήσεις του θεωρητικού κύκλου είναι οι εξής Α) Επειδή υπάρχει κίνδυνος να σχηματιστούν σταγόνες υγρού μέσα στον κύλινδρο συμπιέσεως, ο ατμός οδηγείται υπερθερμασμένος στο συμπιεστή.(σημείο 5 στο σχήμα 5) Β) Επειδή ο συμπιεστής δεν μπορεί να εκτελέσει μια καθαρή ισεντροπική συμπίεση, απαιτείται περισσότερο μηχανικό έργο. Το επί πλέον W γίνεται θερμότητα που ανεβάζει τη θερμοκρασία εξόδου του ρευστού(σημείο 1 στο σχήμα 5). Γ) Στους εναλλάκτες θερμότητας, οι μεταβολές είναι θεωρητικά ισοβαρείς και ισόθερμες. Στην πράξη όμως, λόγω της ταχύτητας που διατηρείται αρκετά μεγάλη, υπάρχει πτώση πιέσεως η οποία εμφανίζεται στο σχήμα 5 με τις κεκλιμένες ευθείες 1-3 -4-5. Δ) Επειδή υπάρχει κίνδυνος να σχηματιστεί ατμός πριν από την εκτονωτική βαλβίδα(από απρόβλεπτη θέρμανση ή πτώση πιέσεως), πρέπει οπωσδήποτε να γίνει απόψυξη του υγρού(σημείο 3 στο σχήμα 5) με τη βοήθεια ενός ενδιάμεσου ψύκτη. 13

Σχήμα 5(7.2.13) Κατασκευαστικά στοιχεία της αντλίας θερμότητας Έχω ήδη αναφέρει τα στοιχεία που αποτελείται μια αντλία θερμότητας. Στη συνέχεια παραθέτω κάποιες πληροφορίες για τα σημαντικότερα μέρη της αντλίας. Εναλλάκτες θερμότητας Οι εναλλάκτες θερμότητας είναι απλές συσκευές συναλλαγής θερμότητας ανάμεσα σε δύο ρευστά. Τα δύο ρευστά χωρίζονται με ευθερμαγωγό τοίχωμα (από χαλκό, αλουμίνιο ή χάλυβα), το οποίο επιτρέπει την απρόσκοπτη ροή θερμότητας από το θερμότερο προς το λιγότερο θερμό ή ψυχρό. Για την αύξηση της επιφάνειας συναλλαγής, χρησιμοποιούνται οφιοειδείς σωλήνες ή σωλήνες με πτερύγια. Ανάλογα με τη φυσική κατάσταση των ρευστών, έχουμε εναλλάκτες υγρού, υγρού αερίου-αερίου, υγρού-αερίου. 14

Ο συμπιεστής Ο συμπιεστής εξασφαλίζει τη ροή του ψυκτικού ρευστού στο ψυκτικό κύκλωμα. Οι συμπιεστές διακρίνονται σε παλινδρομικούς, περιστροφικούς, φυγοκεντρικούς και κοχλιωτούς. Το ψυκτικό υγρό και οι θερμοκρασίες λειτουργίας που χρειάζονται για την άντληση της θερμότητας απαιτούν ένα συμπιεστή ικανό να δίνει μεγάλη διαφορά πιέσεως για μέσες τιμές παροχής. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι εμβολοφόροι(παλινδρομικοί) συμπιεστές, οι οποίοι πλεονεκτούν στην προσαρμογή σε μεταβαλλόμενες συνθήκες και στην καλή ισεντροπική απόδοση. Αδυναμίες εμφανίζουν στη λίπανση και στις βαλβίδες, οι οποίες στραγγαλίζουν τη ροή και είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία. Ο κινητήρας Όλες οι μικρές και κάποιες από τις μεγάλες αντλίες θερμότητας, χρησιμοποιούν σήμερα ηλεκτρικούς κινητήρες για την κίνηση των συμπιεστών. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν κινητήρες υγρών καυσίμων που διακρίνονται σε μηχανές εσωτερικής καύσεως και μηχανές με διάφορους κύκλους λειτουργίας. Τέλος, στον υπολογισμό του μεγέθους του κινητήρα, πρέπει να λαμβάνουμε υπ όψη μας το μέγιστο φορτίο συμπιέσεως και στη συνέχεια ένα περιθώριο ισχύος(περίπου 25%) για τον κινητήρα. Το ψυκτικό ρευστό Βασικό κριτήριο κατά την εκλογή του ψυκτικού ρευστού, είναι να υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ του κρίσιμου σημείου και της θερμοκρασίας συμπυκνώσεως. Ένα δεύτερο κριτήριο, που έχει σχέση με το είδος του συμπιεστή, είναι ο ειδικός όγκος του ρευστού στις συνθήκες λειτουργίας. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει επίσης να δοθεί στο γεγονός ότι η μέγιστη θερμοκρασία του κύκλου, που βρίσκεται στη βαλβίδα εξόδου του συμπιεστή, πρέπει να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία ασφαλείας του ρευστού. Τα σπουδαιότερα από τα κλασικά ψυκτικά μέσα που χρησιμοποιήθηκαν κατ αποκλειστικότητα μέχρι το έτος 1920 στη βιομηχανία ψύχους, είναι η αμμωνία, το διοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του θείου. 15

Επίδραση ψυκτικών διατάξεων στο περιβάλλον Δυστυχώς οι ψυκτικές μηχανές ή αλλιώς συστήματα ψύξης είχαν και έχουν σοβαρή επίδραση στο φυσικό περιβάλλον. Τα ψυκτικά συστήματα επηρεάζουν το περιβάλλον κυρίως με τους ακόλουθους δύο τρόπους: Α)Μέσω τις κατανάλωσης ενέργειας Β)Μέσω των ψυκτικών μέσων που χρησιμοποιούνται Α)Μέσω της κατανάλωσης ενέργειας Για την λειτουργία τους τα συστήματα ψύξης απαιτούν την παροχή μηχανικού έργου στον συμπιεστή. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων το μηχανικό έργο αποδίδεται από ηλεκτροκινητήρες που με την σειρά τους καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια και ακριβώς εδώ είναι που δημιουργείται το πρόβλημα καθώς το 95,7% τις ενέργειας στην Ελλάδα προέρχεται από μη ανανεώσιμες πηγές όπως πετρέλαιο, λιγνίτη, φυσικό αέριο κ.α. Ένας μέσος ψυγειοκαταψύκτης καταναλώνει περίπου 1 Κιλοβατώρα (Kwh) την ημέρα που οικονομικά αντιστοιχεί σε 6 στον λογαριασμό της Δ.Ε.Η. (0,1 /ΚWh). Η παραγωγή ενέργειας από μη ανανεώσιμες πηγές οδηγεί σε περιβαλλοντικά ζητήματα όπως: Κλιματικές αλλαγές Ενεργειακό Ρύπανση του περιβάλλοντος Τα παραπάνω ζητήματα που προκύπτουν οδηγούν σε μια πληθώρα περιβαλλοντικών ζητημάτων που θέτουν σε κίνδυνο την ποιότητα ζωής του ανθρώπου και των υπόλοιπων κατοίκων του πλανήτη. 16

Β)Τα ψυκτικά μέσα επιδρούν στο περιβάλλον με δύο κυρίως τρόπους Στην καταστροφή του στρώματος του όζοντος Στην δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου και άρα στις κλιματικές αλλαγές. Φαινόμενο του θερμοκηπίου Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι μια φυσική διαδικασία. Το χρειαζόμαστε για να διατηρούμε τη Γη μας ζεστή, ώστε να υπάρχει ζωή και ανάπτυξη. Δίχως αυτό, η Γη θα ήταν κρύα περίπου -20 o C, και δεν θα μπορούσε να υπάρχει ζωή. Αντιθέτως, η μέση θερμοκρασία της Γης διατηρείται στο επίπεδο των 15 o C, χάρις στο φαινόμενο αυτό. Τα αέρια του θερμοκηπίου (που περιλαμβάνουν κυρίως το CO2 και τους υδρατμούς) σχηματίζουν ένα 'στρώμα' πάνω από το έδαφος της Γης σε ένα ορισμένο ύψος, ώστε αφού επιτρέψουν να εισέλθει η υπέρυθρη ακτινοβολία του ήλιου, αυτή απορροφάται κατά ένα μέρος από τη Γη και την ατμόσφαιρα. Η Γη δέχεται συνολικά ηλιακή ακτινοβολία, που αντιστοιχεί σε ροή περίπου 1366 βατ ανά τετραγωνικό μέτρο, στο όριο της ατμόσφαιρας. Ένα μέρος αυτής απορροφάται από το σύστημα Γης-ατμόσφαιρας, ενώ το υπόλοιπο διαφεύγει στο διάστημα. Περίπου το 30% της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας ανακλάται, σε ποσοστό 6% από την ατμόσφαιρα, 3% από τα νέφη και 4% από την επιφάνεια της Γης. Το 70% της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται, κατά 16% από την ατμόσφαιρα (συμπεριλαμβανομένου και του στρατοσφαιρικού στρώματος του όζοντος), κατά 3% από τα νέφη και κατά το μεγαλύτερο ποσοστό (51%) από την επιφάνεια και τους ωκεανούς. Ένα μέρος λοιπόν της ηλιακής ακτινοβολίας κατά την είσοδο της, περνά αναλλοίωτη στην ατμόσφαιρα, φτάνει στην επιφάνεια του εδάφους και ακτινοβολείται προς τα πάνω με μεγαλύτερο μήκος κύματος. Ένα μέρος αυτής απορροφάται από την ατμόσφαιρα, τη θερμαίνει και επανεκπέμπεται στην επιφάνεια του εδάφους. Το στρώμα των αερίων λοιπόν, επιτρέπει τη διέλευση της ακτινοβολίας αλλά ταυτόχρονα την εγκλωβίζει, μοιάζει με τη λειτουργία ενός θερμοκηπίου και ο Γάλλος μαθηματικός Fourier το ονόμασε το 1822 φαινόμενο του θερμοκηπίου. Περίπου το 86% της κατακρατούμενης από την ατμόσφαιρα γήινης ακτινοβολίας, οφείλεται στην παρουσία υδρατμών (H2O), διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και 17

νεφών. Οι υδρατμοί αποτελούν το πλέον ενεργό συστατικό, κατά ποσοστό 60%, ενώ μικρότερη συνεισφορά έχουν και τα αέρια μεθανίου (CH4), οξειδίου του νατρίου (N2O) και όζοντος (O3) (περίπου 8%). Αποτελεί λοιπόν μια φυσική διεργασία που εξασφαλίζει στη Γη μια σταθερή θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους γύρω στους 15οC. Όμως τα τελευταία χρόνια λέγοντας φαινόμενο Θερμοκηπίου δεν αναφερόμαστε στη φυσική διεργασία, αλλά στην έξαρση αυτής, λόγω της ρύπανσης της ατμόσφαιρας από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Οι τελευταίες, συμβάλλουν στην αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου καθώς και στην έκλυση άλλων ιχνοστοιχείων, όπως οι χλωροφθοράνθρακες (CFC's). Τα τελευταία χρόνια, καταγράφεται μία αύξηση στη συγκέντρωση αρκετών αερίων του θερμοκηπίου, ενώ ειδικότερα στην περίπτωση του διοξειδίου του άνθρακα, η αύξηση αυτή ήταν 31% την περίοδο 1998. Τα τρία τέταρτα της ανθρωπογενούς παραγωγής διοξειδίου του άνθρακα, οφείλεται σε χρήση ορυκτών καυσίμων, ενώ το υπόλοιπο μέρος προέρχεται από αλλαγές που συντελούνται στο έδαφος, κυρίως μέσω της αποδάσωσης. Περιγραφή φαινομένου Οι υδρατμοί, το διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο σχηματίζουν ένα φυσικό διαχωριστικό γύρω από τη Γη. Πάντως η καύση ορυκτών καυσίμων έχει οδηγήσει στην αύξηση του ποσού του CO 2 αλλά και άλλων αερίων όπως το μεθάνιο και οξείδια του αζώτου, που εκλύονται στην ατμόσφαιρα. Η επιφάνεια της Γης θερμαίνεται από τον ήλιο. Καθώς θερμαίνετε, ανακλά πίσω προς την ατμόσφαιρα θερμότητα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η Γη να διατηρείται θερμή και να εμφανίζεται το φαινόμενο της ζωής. Αλλά οι αυξημένες ποσότητες των εκπομπών των αερίων, αλλάζουν την ισορροπία του σύνθετου αυτού συστήματος, προξενώντας την παγκόσμια άνοδο της θερμοκρασίας. 18

Σχήμα 6.Απεικόνιση φαινομένου του θερμοκηπίου Σημερινή Κατάσταση Τα τελευταία χρόνια οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες (βιομηχανίες, αυτοκίνητα κ.ά.) έχουν αυξήσει σημαντικά τις συγκεντρώσεις των αερίων των κατώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας (αέρια θερμοκηπίου) με αποτέλεσμα την αύξηση της απορροφούμενης ακτινοβολίας και την επακόλουθη θερμοκρασιακή μεταβολή. Υπολογίζεται ότι η μέση θερμοκρασία της Γης έχει αυξηθεί κατά 0,5 με 0,6οC από το 1880, λόγω της έξαρσης του φαινομένου και μέχρι το έτος 2100, εάν δεν ληφθούν μέτρα, η αύξηση της θερμοκρασίας θα είναι από 1,5 έως 4,5οC. Τα αέρια του θερμοκηπίου είναι περίπου 20 και έχουν όγκο μικρότερο από 1% του συνολικού όγκου της ατμόσφαιρας. Τα σημαντικότερα είναι οι υδρατμοί (H2O), το διοξείδιο του άνθρακα 19

(CO2), το μεθάνιο (CH4), το υποξείδιο του αζώτου (N2O), οι χλωροφθοράνθρακες (CFCs) και το τροποσφαιρικό όζον (O3). Κάθε μεταβολή στις συγκεντρώσεις αυτών των αεριών, διαταράσσει το ενεργειακό ισοζύγιο, προκαλεί μεταβολή της θερμοκρασίας και ως εκ τούτου κλιματικές αλλαγές. Οι υδρατμοί, αν και απορροφούν το 65% της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δεν φαίνεται να έχουν επηρεαστεί άμεσα από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Αντίθετα, οι συγκεντρώσεις των υπόλοιπων αερίων έχουν μεταβληθεί σημαντικά με σημαντικότερη τη μεταβολή του CO 2, καθώς αποτελεί αέριο που διαφεύγει στην ατμόσφαιρα με την καύση του πετρελαίου, του κάρβουνου και άλλων ορυκτών καυσίμων. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες όχι μόνο εκπέμπουν υψηλές συγκεντρώσεις CO 2 στην ατμόσφαιρα, αλλά βλάπτουν και την ικανότητα της γης να απορροφά το CO 2 και να το ενσωματώνει στους φυσικούς κύκλους ροής ενέργειας και ύλης, με την καταστροφή των δασών και του φυτοπλαγκτού των ωκεανών. Το πλαγκτόν αποτελεί τον κύριο «απορροφητή» CO 2 του πλανήτη, καθώς πρόκειται για φυτικούς οργανισμούς που χρησιμοποιούν το CO 2 κατά τη φωτοσύνθεση. 20

Διάγραμμα 1. Άνοδος της θερμοκρασίας 1880-2000. Στρώμα του όζοντος Το όζον είναι ένα μόριο οξυγόνου που περιέχει τρία άτομα του οξυγόνου (Ο3). Αν και το όζον βρίσκεται γύρω μας, είναι σπάνιο. Σε κάθε εκατομμύριο μόρια του αέρα, λιγότερα από δέκα από αυτά τα μόρια είναι όζον. Ο αέρας που αναπνέουμε έχει μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε μόρια αζώτου και οξυγόνου. Το μόριο του οξυγόνου που αναπνέουμε αποτελείται από δυο άτομα. Επίσης και όλα τα φυτά και τα ζώα χρησιμοποιούν το οξυγόνο αυτής της μορφής. Επίσης αυτή η μορφή του οξυγόνου δίνει δυστυχώς ζωή και στις πυρκαγιές που κατακαούν τα δάση μας. Το όζον τι άραγε να προσφέρει στην ατμόσφαιρά μας; 21

Σχήμα 7. Δημιουργία και Καταστροφή του Όζοντος. Το όζον βρίσκεται στα ανώτερα στρώματα της στρατόσφαιρας σε ένα στρώμα πάχους 7 χιλιομέτρων. Το στρώμα του όζοντος απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της βλαβερής υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας, εμποδίζοντάς την να φτάσει στη Γη. Οι επιστήμονες λένε ότι: χωρίς αυτό το ηλιακό φως θα προκαλούσε εγκαύματα, καρκίνο του δέρματος και καταρράκτη στα μάτια μας. Σχήμα 8. Απεικόνιση της τρύπας του όζοντος Το 1985, Βρετανοί επιστήμονες ανακάλυψαν ότι είχε εξαφανιστεί σχεδόν το μισό στρώμα του όζοντος πάνω από την Ανταρκτική. Αυτό 22

προκάλεσε σοκ στον κόσμο. Η τρύπα που δημιουργήθηκε από την εξαφάνιση του όζοντος στην ατμόσφαιρα οφείλεται σε κάποια αέρια, τους χλωροφθοράνθρακες που είχαν συσσωρευτεί στην στρατόσφαιρα και σύμφωνα με κάποιες απόψεις αυτά τα αέρια θα συνεχίσουν να καταστρέφουν την ατμόσφαιρα για 100 ακόμα χρόνια. Οι χλωροφθοράνθρακες χρησιμοποιούνταν ως προωθητικά σε σπρέι και ως ψυκτικό στα ψυγεία μας και στα κλιματιστικά. Σήμερα δεν τους χρησιμοποιούμε καθόλου. Οι επιστήμονες λένε ότι τα νέα είναι ευχάριστα. Η τρύπα του όζοντος κλείνει και μέχρι το 2050 θα έχει κλείσει τελείως. Αυτό έγινε γιατί όλες οι χώρες του κόσμου συνεργάστηκαν για να αποτρέψουν το κίνδυνο από την τρύπα του όζοντος που είχε δημιουργήθηκε και ήταν αποτέλεσμα ανθρώπινης δραστηριότητας. 23

Η ψυκτική διάταξη μέσα από τα μάτια ενός τεχνικού Για τη καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας ενός κλιματιστικού απευθύνθηκα σε έναν ειδικό με σκοπό να μου εξηγήσει καλύτερα τι διαδικασίες πραγματοποιούνται όταν θέτουμε σε λειτουργία το κλιματιστικό. Με βάση την εμπειρία του και τις γνώσεις του πάνω στο θέμα μου έδωσε να καταλάβω τι γίνεται όταν πατάμε το «on» στο κλιματιστικό και πως τελικά καταφέρνουμε να ψύχουμε ή να θερμαίνουμε ένα χώρο. Όσα λοίπον συζητήσαμε τα παραθέτω στη συνέχεια με απλές, κατανοητές λέξεις και έννοιες ώστε να μπορούν και άνθρωποι λιγότερο σχετικοί με το αντικείμενο να καταλάβουν πως λειτουργούν αύτα τα μαγικά κουτιά που είναι κρεμασμένα στους τοίχους! Έτσι λοιπόν οι αρχές λειτουργίας των συστημάτων κλιματισμού σε κάθε περίπτωση είναι οι ακόλουθες: «απορρόφηση ενέργειας από ένα σημείο και απελευθέρωσή της σε άλλο σημείο» Για τη διαδικασία αυτή απαιτείται μια εσωτερική μονάδα, μια εξωτερική μονάδα και σωληνώσεις από χαλκό για τη μεταξύ τους σύνδεση. Το ψυκτικό ρέει από τη μια μονάδα προς την άλλη διαμέσου των σωληνώσεων. Το ψυκτικό είναι αυτό που απορροφά την ενέργεια στη μια μονάδα και την απελευθερώνει στην άλλη. Σχήμα 9 24

Πρόγραμμα ψύξης 1. Εσωτερική μονάδα Ένα ανεμιστήρας περνάει τον ζεστό αέρα του εσωτερικού χώρου από έναν εναλλάκτη θερμότητας όπου ρέει ψυκτικό υγρό. Το ψυκτικό απορροφά τη θερμότητα από τον αέρα και ψυχρός αέρας διοχετεύεται στο χώρο. 2.Σωληνώσεις από χαλκό Το ψυκτικό κυκλοφορεί μέσα στις μονάδες και στις σωληνώσεις και μεταφέρει τη θερμότητα από την εσωτερική στην εξωτερική μονάδα. 3. Εξωτερική μονάδα Μέσω συμπίεσης το ψυκτικό αέριο θερμαίνεται και αυξάνει το σημείο βρασμού του. Στην εξωτερική μονάδα τη θερμότητα που επιτυγχάνεται μέσω της συμπίεσης απελευθερώνεται στον εξωτερικό αέρα, μέσω ενός ανεμιστήρα που βγάζει τον εξωτερικό αέρα από έναν εναλλάκτη θερμότητας. 4. Ψυκτικό υγρό Το ψυκτικό υγρό επιστρέφει στην εσωτερική μονάδα. 5. Εσωτερική μονάδα Στην εσωτερική μονάδα το ψυκτικό αποσυμπιέζεται, πράγμα που του επιτρέπει να εξάγει θερμότητα από τον αέρα του εσωτερικού χώρου. Ένα κλιματιστικό λειτουργεί παρόμοια με ένα ψυγείο. Το ψυκτικό κυκλοφορεί μέσα στο σύστημα ενώ αλλάζει η μορφή του ή η κατάστασή του. Τέσσερα είναι τα στάδια στον "κύκλο του ψυκτικού": 25