Οι ψυκτικές εγκαταστάσεις που δουλεύουν στους 0°C ή χαμηλότερα μπορούν να σχηματίσουν πάγο στον εξατμιστή τους. Αυτός ο πάγος προέρχεται από την υγρασία που υπάρχει στον αέρα του χώρου ο οποίος όταν έρχεται σε επαφή με την ψυχρή επιφάνεια του εξατμιστή παγώνει.
Γράφει ο Πέτρος Δαλαβούρας, Αρχιτέκτων μηχανικός Ε.Μ.Π., MSc W.S.A.
BREEAM assessor, ASHRAE BEMP Certified, nZEB Designer
Η αποτελεσματική απόψυξη αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό του συστήματος για τη διασφάλιση της συνολικής αποτελεσματικότητας της εγκατάστασης και της ποιότητας των προϊόντων. Είναι επίσης μια ουσιαστική παράμετρος στο λειτουργικό κόστος του συστήματος. Σε μια ιδανική απόψυξη, όλη η θερμότητα που προστίθεται θα χρησίμευε για την τήξη του πάγου στον εξατμιστή.
Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της απόψυξης πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα παρακάτω στοιχεία:
- Η ικανότητα αφαίρεσης όλου του πάγου/πάχνης από την επιφάνεια του εξατμιστή με την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας.
- Η ελαχιστοποίηση μεταφοράς θερμότητας στον ψυκτικό χώρο
- Η ελαχιστοποίηση μεταφοράς υγρασίας από την επιφάνεια του εξατμιστή στον ψυκτικό χώρο
- Η ελαχιστοποίηση του flash gas και του μη συμπυκνωμένου θερμού αερίου που περνάει μέσα από τον εξατμιστή
- Η κατανάλωση ενέργειας κατά τη διαδικασία απόψυξης
- Η διάρκεια του κύκλου απόψυξης
- Να είναι ασφαλής και αξιόπιστη διαδικασία
Ο πιο διαδεδομένος τύπος απόψυξης στην εμπορική ψύξη είναι αυτός με ηλεκτρικές αντιστάσεις. Σε αυτόν τον τρόπο έχουμε την τοποθέτηση των ηλεκτρικών αντιστάσεων μέσα στον εξατμιστή για την θέρμανση και την τήξη του πάγου.
Μια άλλη μέθοδος αποτελεί η απόψυξη με θερμό αέριο. Στην απόψυξη με αέριο η θερμότητα λαμβάνεται από το ψυκτικό σύστημα ως «δωρεάν» ενέργεια. Είναι σημαντικό ωστόσο να γίνει η σωστή επιλογή ελέγχου της παροχής του θερμού αερίου στον εξατμιστή ώστε να διασφαλιστεί η ελάχιστη απώλεια ενέργειας. Τυπικά αυτές οι απώλειες προέρχονται από το flash gas και το μη συμπυκνωμένο θερμό αέριο που περνάει μέσα από τον εξατμιστή. Το κύριο πλεονέκτημα της απόψυξης με θερμό αέριο είναι η εξοικονόμηση ενέργειας καθώς το 70% της θερμικής ενεργείας του θερμού αερίου χρησιμοποιείται για την τήξη του πάγου αφήνοντας ένα 30% της θερμικής ενέργειας να μεταφέρεται στον χώρο. Σε αντίθεση, για τις ηλεκτρικές αντιστάσεις τα ποσοστά είναι αντιστραμμένα καθώς περίπου το 30% της θερμότητας της αντίστασης είναι ωφέλιμο για τη διαδικασία της απόψυξης. Παραδοσιακά δύο μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της παροχής του θερμού αερίου στον εξατμιστή.
Έλεγχος της πίεσης
Η πίεση στον εξατμιστή κατά την απόψυξη ελέγχεται χρησιμοποιώντας μια βαλβίδα στη γραμμή υγρού της απόψυξης. Η μέθοδος με τον έλεγχο της πίεσης είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη, κυρίως λόγω του απλού σχεδιασμού, αλλά η απώλεια ενέργειας αποτελεί μια πρόκληση.
Αποστράγγιση υγρού
Το συμπυκνωμένο υγρό αποστραγγίζεται από τον εξατμιστή χρησιμοποιώντας ένα πλωτήρα στη γραμμή υγρού της απόψυξης. Αυτή η μέθοδος διασφαλίζει πως μόνο υγρό ψυκτικό ρευστό αποστραγγίζεται από τον εξατμιστή κατά την απόψυξη και με αυτόν τον τρόπο ελαχιστοποιείται η ροή θερμού μη συμπυκνωμένου αερίου.
Στην εικόνα 1 αποδίδεται σχηματικά η λειτουργία παροχής θερμού αερίου για την απόψυξη με έλεγχο της πίεσης και με αποστράγγιση υγρού.
Εικόνα 1. Έλεγχος με πίεση και έλεγχος με αποστράγγιση υγρού για συστήματα με περισσότερους από δύο αεροψυκτήρες
Συγκρίνοντας τις δύο μεθόδους, υπάρχει σημαντική διαφορά στη χρήση του θερμού αερίου. Μετά την εκκίνηση, η πίεση σταθεροποιείται περίπου στο ίδιο σημείο και για τις δύο μεθόδους. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος αποστράγγισης υγρού μόνο το συμπυκνωμένο ψυκτικό ρευστό αποστραγγίζεται με αποτέλεσμα η ροή της μάζας να μειώνεται όσο θερμαίνεται ο εξατμιστής και λιγότερο αέριο μπορεί να συμπυκνωθεί. Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται η κατανομή της ενέργειας για τις δύο μεθόδους ελέγχου. Στη μπλε επιφάνεια της εικόνας απεικονίζεται η ενέργεια του θερμού αερίου που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του εξατμιστή και την τήξη του πάγου, στην κόκκινη επιφάνεια απεικονίζεται η ποσότητα της ενέργειας που μεταφέρεται μέσω συναγωγής στο περιβάλλον και στην κίτρινη περιοχή απεικονίζεται η πρόσθετη ενέργεια που απαιτείται για την επανασυμπίεση του μη συμπυκνωμένου θερμού αερίου που διέρχεται από τον εξατμιστή κατά τη χρήση της μεθόδου ελέγχου πίεσης επομένως και το αντίστοιχο δυναμικό εξοικονόμησης ενέργειας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποστράγγισης υγρού.
Eικόνα 2. Παράδειγμα κατανομής ενέργειας στον έλεγχο με πίεση έναντι της αποστράγγισης υγρού
Διαστασιολόγηση
Ο προσδιορισμός της απόδοσης του θερμού αερίου στις γραμμές απόψυξης εξαρτάται από τη ροή της μάζας του ζεστού αερίου στην επιλεγμένη γραμμή. Συνήθως χρησιμοποιούνται εμπειρικοί κανόνες, οι οποίοι σχετίζονται με τη διαστασιολόγηση του εξατμιστή στον οποίο συνδέεται η γραμμή αερίου. Έτσι έχουμε:
Η διαστασιολογημένη ψυκτική απόδοση είναι η ψυκτική ικανότητα του εξατμιστή προς απόψυξη. Εμμέσως αυτή η τιμή είναι το μέγεθος του εξατμιστή. Η διαφορά ενθαλπίας απόψυξης είναι η ενέργεια του θερμού αερίου και ανταποκρίνεται στη διαφορά ενθαλπιών μεταξύ των σημείων C και D* στην εικόνα 3. Ο συντελεστής απόψυξης είναι μια τιμή που επιλέγεται εμπειρικά και είναι σημαντική για το μέγεθος των γραμμών του θερμού αερίου, των σωληνοειδών, των βαλβίδων αποστράγγισης και των γραμμών αποστράγγισης σε ένα σύστημα απόψυξης ωστόσο δεν πρέπει να χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ακριβούς ροής μάζας απόψυξης του συστήματος. Μία τυπική τιμή για το συντελεστή απόψυξης είναι 2 ωστόσο μπορεί να πάρει τιμή από 1 έως 3 ανάλογα τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.
Η ποιότητα διαστασιολόγησης χρησιμοποιείται ώστε να καθορίσει τη θέση του σημείου D στην είσοδο της γραμμής αποστράγγισης της απόψυξης. Ο όρος «ποιότητα» είναι ένας μέτρο της ροής της μάζας του αερίου σε σύγκριση με τη συνολική ροή μάζας του ψυκτικού ρευστού. Η ποιότητα της διαστασιολόγησης θα είναι αρκετά διαφορετική βάσει την επιλεγμένη μέθοδο ελέγχου αποστράγγισης
Για την μέθοδο αποστράγγισης υγρού η ποιότητα διαστασιολόγησης θα πρέπει πάντα να είναι 0,0 δηλαδή το ψυκτικό στο σημείο D είναι κορεσμένο υγρό. Η χρήση ενός πλωτήρα στην γραμμή υγρού της απόψυξης έχει το ρόλο να αποκόψει όσο το δυνατόν περισσότερο αέριο να περάσει.
Για την μέθοδο που η προσαγωγή θερμού αερίου γίνεται βάσει την πίεση, η διαδικασία απόψυξης θα είναι αρκετά διαφορετική. Αρχικά, όλο το θερμό αέριο που παρέχεται στον εξατμιστή θα συμπυκνωθεί και η βαλβίδα θα βλέπει μόνο υγρό στην έξοδο του εξατμιστή. Στη συνέχεια, ένα μέρος του αερίου δεν θα συμπυκνωθεί στον εξατμιστή και η βαλβίδα θα βλέπει ένα μείγμα υγρού και αερίου. Αυτή η διαδικασία είναι από το D έως το D* στην εικόνα 3. Η επιλογή της σωστής ποιότητας διαστασιολόγησης για αποστράγγιση με ελεγχόμενη πίεση είναι σημαντική για την σωστή επιλογή βαλβίδας. Εάν επιλεγεί μια ποιότητα διαστασιολόγησης 0,0 (κορεσμένο υγρό), τότε η βαλβίδα θα είναι μικρή, που αυτό σημαίνει ότι η απόψυξη θα είναι παρατεταμένη καθώς το αέριο δεν θα μπορεί να περάσει αποτελεσματικά από την βαλβίδα. Εάν επιλεγεί μια ποιότητα διαστασιολόγησης με τιμή 1,0 (κροεσμένο αέριο) τότε η βαλβίδα αντιστοίχως θα είναι μεγάλη τότε η προκύπτουσα βαλβίδα θα είναι μεγάλη με αποτέλεσμα ένα μεγάλο μέρος του αερίου θα παρακαμφθεί, και να αυξήσει την κατανάλωση ενέργειας, και η βαλβίδα μπορεί να είναι ασταθής όταν εισέρχεται καθαρό υγρό στην αρχή του κύκλου απόψυξης.
Η επιλογή μιας σχετικά χαμηλής τιμής ποιότητας διαστασιολόγησης ίσης με 0,05 διασφαλίζει ότι η βαλβίδα είναι σταθερή όταν εισέρχεται υγρό και ότι ελαχιστοποιείται η ποσότητα του παρακάμπτοντος αερίου.
Οι τιμές του συντελεστή απόψυξης και της ποιότητας διαστασιολόγησης επιλέγονται με βάσει την εμπειρία και είναι σημαντικά για το σχεδιασμό ενός κατάλληλου συστήματος απόψυξης όπως είναι επίσης η θερμοκρασία απόψυξης και η πτώση πίεσης σχεδιασμού στη γραμμή του θερμού αερίου.
Εικόνα 3. Η αρχή λειτουργίας της απόψυξης σε διάγραμμα p-h
(A) Κεντρική παροχή θερμού αερίου
(B) Μειωμένη πίεση παροχής θερμού αερίου
(C) Πίεση απόψυξης
(D) Διαστασιολόγηση αποστάγγισης, εξαρτάται από τη μέθοδο αποστράγγισης
(E) Έξοδος της αποστράγγισης στο διαχωριστή
Τυπικές τιμές είναι οι εξής:
- Συντελεστής απόψυξης = 2
- Ποιότητα διαστασιολόγησης: o= 0,00 για μέθοδο αποστράγγισης υγρού o= 0,05 για μέθοδο ελέγχου πιέσεως
- Θερμοκρασία απόψυξης = +10°C
- Ταχύτητα θερμού αερίου 25m/s
- Πτώση πίεσης 1 bar στο σύνολο της γραμμής του θερμού αερίου
