Διβάθμια Κλιμακωτά Ψυκτικά Κυκλώματα και Διβάθμιοι Εμβολοφόροι Συμπιεστές

Τα διβάθμια ψυκτικά κυκλώματα, που λέγονται και κλιμακωτά (cascade), χρησιμοποιήθηκαν κατά το παρελθόν σε ψυκτικές εγκαταστάσεις χαμηλών θερμοκρασιών, δηλαδή θερμοκρασιών που είναι πιο χαμηλές από εκείνες που μπορούμε να πετύχουμε με τα γνωστά μας μονοβάθμια μηχανήματα. Για κάμποσα χρόνια ήταν η μοναδική λύση για να πετύχουμε θερμοκρασίες χώρων πιο χαμηλές από τους -40^οC, τους -60^οC ή ακόμη και τους -90^οC, με συμβατικά μονοβάθμια ψυκτικά μηχανήματα. Η χρησιμοποίησή τους περιορίστηκε αισθητά, όταν εμφανίστηκαν στην παγκόσμια αγορά οι διβάθμιοι συμπιεστές, που λύσανε οριστικά το πρόβλημα.

Τα διβάθμια ψυκτικά κυκλώματα, που λέγονται και κλιμακωτά (cascade), χρησιμοποιήθηκαν κατά το παρελθόν σε ψυκτικές εγκαταστάσεις χαμηλών θερμοκρασιών, δηλαδή θερμοκρασιών που είναι πιο χαμηλές από εκείνες που μπορούμε να πετύχουμε με τα γνωστά μας μονοβάθμια μηχανήματα. Για κάμποσα χρόνια ήταν η μοναδική λύση για να πετύχουμε θερμοκρασίες χώρων πιο χαμηλές από τους -40^οC, τους -60^οC ή ακόμη και τους -90^οC, με συμβατικά μονοβάθμια ψυκτικά μηχανήματα. Η χρησιμοποίησή τους περιορίστηκε αισθητά, όταν εμφανίστηκαν στην παγκόσμια αγορά οι διβάθμιοι συμπιεστές, που λύσανε οριστικά το πρόβλημα.

Στο σημερινό μου άρθρο θα ασχοληθώ και με τα δύο, αρχίζοντας πρώτα με τα διβάθμια κλιμακωτά ψυκτικά κυκλώματα, επειδή αυτά είναι οι πρόγονοι των διβάθμιων συμπιεστών και θα βοηθήσουν να γίνει πιο εύκολα κατανοητή η λειτουργία των τελευταίων. Φαίνεται όμως ότι και στο μέλλον θα παίξουν κάποιο ενεργό ρόλο, μιας και αναφέρονται στον κανονισμό της Ε.Ε.517/2014

Τα διβάθμια κλιμακωτά ψυκτικά κυκλώματα

Ένα τέτοιο ψυκτικό κύκλωμα φαίνεται σκαριφηματικά στο Σχ.1 και περιλαμβάνει:

• Ένα πλήρες μονοβάθμιο κύκλωμα, χωρίς συμπυκνωτή,• Ένα πλήρες μονοβάθμιο κύκλωμα, χωρίς εξατμιστή και
• Ένα αφυπερθερμαντή ή ενδιάμεσο ψύκτη (intercooler) που παίζει το ρόλο του συμπυκνωτή για το πρωτεύον κύκλωμα και του εξατμιστή για το δευτερεύον.

Ο συμπιεστής Χ.Π. της 1ης βαθμίδας αναρροφά ατμούς του ψυκτικού υγρού από τον εξατμιστή – αεροψυκτήρα του ψυκτικού θαλάμου και τους καταθλίβει μέσα στον αφυπερθερμαντή, με πίεση ελαφρά πιο χαμηλή από την πίεση συμπύκνωσης, σε υπέρθερμη κατάσταση. (Σχέδιο 1)

Ψυκτικό υγρό έρχεται από το δοχείο υγρού προς τον αφυπερθερμαντή και διανέμεται σε δύο κλάδους. Ο ένας οδηγεί μια μικρή ποσότητα σε μια βαλβίδα με πλωτήρα (φλωτεροβαλβίδα) και ο άλλος σε μια χάλκινη σερπαντίνα, τοποθετημένη μέσα στο κέλυφος του αφυπερθερμαντή. Η φλωτεροβαλβίδα εκτονώνει με στραγγαλισμό το υγρό που περνά μέσα απ’ αυτή, δηλαδή το μετατρέπει σε υγρό ατμό (νέφος) χαμηλής θερμοκρασίας και το ψεκάζει μέσα στον αφυπερθερμαντή. Μέσα στον αφυπερθερμαντή (intercooler) γίνεται τώρα μια εναλλαγή θερμότητας ανάμεσα στους ψυχρούς ατμούς της φλωτεροβαλβίδας και τους υπέρθερμους, που καταθλίβει ο συμπιεστής Χ.Π της 1ης βαθμίδας. Η εναλλαγή αυτή έχει σαν αποτέλεσμα τη συμπύκνωση ενός μικρού μέρους των ατμών και την ελαφρά ψύξη των υπολοίπων, οι οποίοι αναρροφούνται από το συμπιεστή Υ.Π. της 2ης βαθμίδας, ο οποίος τους συμπιέζει και σε υπέρθερμη κατάσταση τους καταθλίβει μέσα στο συμπυκνωτή με πίεση συμπύκνωσης, όπου οι ατμοί συμπυκνώνονται ψυχόμενοι με αέρα ή με νερό, ανάλογα με το είδος του συμπυκνωτή που θα χρησιμοποιείται. Το συμπύκνωμα καταλήγει στο δοχείο υγρού, απ’ όπου ξεκινά πάλι, για να επαναλάβει τον κύκλο του.

Τέλος το ψυκτικό υγρό, που μπήκε μέσα στη σερπαντίνα του intercooler θα υποστεί μια ελαφρά υπόψυξη και μέσω φίλτρου και ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας θα οδηγηθεί σε μια θερμοεκτονωτική βαλβίδα, η οποία το εκτονώνει, το μετατρέπει σε υγρό (νέφος) και το ψεκάζει μέσα στον εξατμιστή – αεροψυκτήρα του ψυκτικού θαλάμου, όπου θα μετατραπεί σε υπέρθερμο ατμό, απορροφώντας θερμότητα από το χώρο του ψυκτικού θαλάμου και τα αποθηκευμένα ευπαθή προϊόντα. Ύστερα από την απόδοση του ωφέλιμου έργου θα απορροφηθούν από το συμπιεστή Χ.Π. της 1ης βαθμίδας και θα καταθλιβούν στο intercooler, για να επαναλάβουν τον κύκλο τους.

Πρέπει να σημειώσουμε, ότι με μια ελαφρά τροποποίηση του intercooler, τα κλιμακωτά κυκλώματα μπορούν να χρησιμοποιήσουν διαφορετικά ψυκτικά υγρά στις δύο βαθμίδες. Έτσι κατά το παρελθόν χρησιμοποιήθηκε R12 και R22 για θερμοκρασίες μέχρι -50^οC, R22 και R502 για θερμοκρασίες μέχρι -70^οC ή R22 και R13 B1 για θερμοκρασίες μέχρι -90^οC.Θα πρέπει ακόμη να σημειώσουμε, ότι ο κανονισμός 517/2014 της Ε.Ε. προβλέπει τη χρησιμοποίηση του R134A και του R32 στα κλιμακωτά ψυκτικά κυκλώματα, στη 2η βαθμίδα Υ.Π. με την προϋπόθεση ότι στην 1η βαθμίδα θα χρησιμοποιούν R744 (CO2 ), R290 (προπάνιο), R600 (βουτάνιο), πέρα του 2030, που θα διακοπεί οριστικά η χρήση υδροφθοριοανθράκων.

Οι διβάθμιοι συμπιεστές

Ύστερα από μακρόχρονες μελέτες οι κατασκευαστές ψυκτικών μηχανών μας έδωσαν το διβάθμιο συμπιεστή, που είναι ουσιαστικά η ενσωμάτωση των δύο μονοβάθμιων συμπιεστών του Σχ.1, δηλαδή του συμπιεστή Χ.Π. της 1ης βαθμίδας και του συμπιεστή Υ.Π. της 2ης βαθμίδας. Ο διβάθμιος συμπιεστής έχει ένα αριθμό κυλίνδρων που λειτουργούν σαν κύλινδροι Χ.Π. (1η βαθμίδα) και ένα αριθμό κυλίνδρων που λειτουργούν ταυτόχρονα σαν κύλινδροι Υ.Π. (2η βαθμίδα). Αν συγκρίνουμε το διβάθμιο κλιμακωτό ψυκτικό κύκλωμα (cascade) του Σχ.1 με το ψυκτικό κύκλωμα του Σχ2, που είναι εξοπλισμένο με διβάθμιο συμπιεστή, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η διαφορά τους είναι η χρησιμοποίηση δύο μονοβάθμιων συμπιεστών από το πρώτο και ενός διβάθμιου συμπιεστή από το δεύτερο. Οι διβάθμιοι συμπιεστές είναι αισθητά υψηλότερου κόστους από τους αντίστοιχους μονοβάθμιους, διότι στην κατασκευή τους χρησιμοποιούνται ακριβότερα μέταλλα, για να αντιμετωπιστούν οι υψηλές καταπονήσεις τους, ιδιαίτερα οι θερμικές. Πράγματι κατά τη λειτουργία τους αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες, γι’ αυτό απαιτείται ψύξη με ατμούς, ιδιαίτερα των κεφαλών των κυλίνδρων.

Με τους διβάθμιους συμπιεστές και με ψυκτικά υγρά ομότιμα του R22πετυχαίνουμε θερμοκρασία εξάτμισης -40^οC με αερόψυκτους συμπυκνωτές και -50^οC με υδρόψυκτους ή με εξατμιστικούς συμπυκνωτές. Με αντίστοιχους συμπυκνωτές πετυχαίνουμε θερμοκρασίες εξάτμισης -55^οC και -65^οC με ομότιμα ψυκτικά υγρά του R502, ενώ με τη χρησιμοποίηση του R13 B1 και των ομότιμων ψυκτικών υγρών φθάνουμε σε θερμοκρασία εξάτμισης -90^οC, με την προυπόθεση όμως, ότι θα χρησιμοποιήσουμε υδρόψυκτο συμπυκνωτή ή εξατμιστικό συμπυκνωτή.

Οι διβάθμιοι συμπιεστές κατασκευάζονται ανοιχτού ή ημίκλειστου τύπου, με intercooler ή χωρίς intercooler. Παρακάτω θα περιγράψουμε τη λειτουργία ενός διβάθμιου με intercooler (Σχ2) και ενός χωρίς intercooler (Σχ3)

Διβάθμιος συμπιεστής  με intercooler

Οι κύλινδροι Χ.Π. της 1ης βαθμίδας αναρροφούν ατμούς από τον εξατμιστή (5) μέσω της παγίδας υγρών (accumulator) (12) και του φίλτρου αναρρόφησης (18). Ο εξατμιστής (5) είναι ο αεροψυκτήρας του ψυκτικού θαλάμου. Οι ατμοί αυτοί συμπιέζονται και με πίεση πιο χαμηλή από την πίεση συμπύκνωσης, καταθλίβονται στον οχετό (20) του συμπιεστή. Ο οχετός αυτός είναι στην ουσία η αναρρόφηση των κυλίνδρων Υ.Π. (2). Ο αφυπερθερμαντής (intercooler) (4) είναι ένας χαλκοσωλήνας U, τοποθετημένος μέσα σ’ ένα άλλο του ιδίου σχήματος. Το intercooler τροφοδοτείται με ψυκτικό υγρό από το δοχείο υγρού με δύο δίκτυα σωληνώσεων. Το ένα δίκτυο παρέχει υγρό στην εκτονωτική βαλβίδα (24) του intercooler μέσω του υαλοδείκτη (21), της ηλεκτρομαγνητικής (23) και του φίλτρου (22). Το υγρό αυτό εξατμίζεται και οι ατμοί του ψύχουν το intercooler και καταλήγουν στον οχετό (20) του συμπιεστή. Το δεύτερο δίκτυο παρέχει ψυκτικό υγρό στο intercooler, που ψύχεται και τροφοδοτεί την εκτονωτική βαλβίδα του εξατμιστή – αεροψυκτήρα (5), μέσω του φίλτρου (17), της ηλεκτρομαγνωτικής (15) και του υαλοδείκτη (16).

Το υγρό αυτό εξατμίζεται και μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό μέσα στον εξατμιστή – αεροψυκτήρα του θαλάμου, αποδίδει το ωφέλιμο έργο του και στη συνέχεια αναρροφάται από τους κυλίνδρους Χ.Π. (1) της 1ης βαθμίδας, που το καταθλίβουν μέσα στον οχετό (20) του συμπιεστή.Μέσα στον οχετό αναμιγνύονται οι ψυχροί ατμοί του intercooler και οι θερμοί ατμοί, που σε υπέρθερμοι κατάσταση καταθλίβουν οι κύλινδροι (1) της 1ης βαθμίδας, με αποτέλεσμα να γίνεται μια ελεγχόμενη εναλλαγή θερμότητας, όπως δείχνει η τοποθέτηση του βολβού της θερμοεκτονωτικής. Αυτό το μίγμα των ατμών αναρροφάται από τους κυλίνδρους (2) Υ.Π. της 2ης βαθμίδας και με πίεση συμπύκνωσης καταθλίβονται στο συμπυκνωτή (3) μέσω του ελαιοδιαχωριστή (10). Πρέπει να σημειώσουμε ότι ο αφυπερθερμαντής (intercooler) μπορεί να είναι ένας μικρός πλακοειδής εναλλάκτης, αντί διπλός σωλήνας σχήματος U, όπως τον προτιμούν κάποιοι κατασκευαστές ψυκτικών μηχανημάτων.

Διβάθμιος συμπιεστής χωρίς intercooler

To Σχ.3 είναι ένα σκαρίφημα ενός διβάθμιου συμπιεστή χωρίς intercooler. Ο συμπιεστής είναι καθόλα όμοιος εκείνου του Σχ.2. Η μοναδική τους διαφορά είναι ότι ο ένας διαθέτει intercooler, ενώ ο άλλος όχι.Οι κύλινδροι Χ.Π.(1) της 1ης βαθμίδας αναρροφούν ατμούς από τον εξατμιστή (5) αεροψυκτήρα του ψυκτικού θαλάμου, μέσω του accumulator (12) και του φίλτρου (18). Οι ατμοί αυτοί συμπιέζονται σε πίεση πιο χαμηλή από την πίεση συμπύκνωσης και καταθλίβονται στον οχετό (20) του συμπιεστή. Έξω από τον οχετό υπάρχει η θερμοεκτονωτική (24), που τροφοδοτείται με ψυκτικό υγρό απευθείας από το δοχείο υγρού, μέσω του φίλτρου (22) και της ηλεκτρομαγνωτικής (23).

Το ψυκτικό υγρό εκτονώνεται, μετατρέπεται σε υγρό ατμό (νέφος) και στην κατάσταση αυτή ψεκάζεται μέσα στον οχετό του συμπιεστή και αναμιγνύεται με τους υπέρθερμους ατμούς που καταθλίβουν οι κύλινδροι της 1ης βαθμίδας, με αποτέλεσμα να γίνεται μια εναλλαγή θερμότητας. Το ψυχρό μίγμα των ατμών του οχετού αναρροφάται από τους κυλίνδρους Υ.Π. (2) της 2ης βαθμίδας και με πίεση συμπύκνωσης καταθλίβονται στο συμπυκνωτή (3), μέσω του ελαιοδιαχωριστή (10). Αυτός ο διβάθμιος συμπιεστής χωρίς intercooler αποδίδει περίπου το 72% της ψυκτικής ισχύος εκείνου, που έχει το intercooler. Αυτό σημαίνει πρακτικά ότι ο αφυπερθερμαντής (intercooler) αυξάνει την απόδοση του συμπιεστή και ολόκληρης της εγκατάστασης κατά 28%. Γίνεται εύκολα κατανοητό ότι οι διβάθμιοι συμπιεστές χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις φούρνων βαθιάς κατάψυξης προϊόντων, αλλά και σε ψυκτικούς θαλάμων πολύ χαμηλών θερμοκρασιών.