Στο άρθρο θα επιχειρήσω να κάνω μια σύντομη αναφορά και μια περιληπτική καταγραφή στην ιστορική εξέλιξη της μηχανικής ψύξης, του κλάδου της Μηχανικής που άλλαξε ριζικά τη ζωή του ανθρώπου στον πλανήτη μας, έφερε σημαντικές βελτιώσεις στο βιοτικό επίπεδο και κατά τη γνώμη μου, αποτελεί ένα από τους βασικούς παράγοντες της επιμήκυνσης του ορίου της ζωής του ανθρώπου στη σύγχρονη εποχή.
Γράφει ο Δημήτρης Μενεγάκης, Μηχανολόγος Μηχανικός
Εγώ που γράφω το άρθρο, μαζί με όλους εσάς που έχω την τιμή να το διαβάζετε αυτή τη στιγμή, πρέπει να νιώθουμε υπερήφανοι που υπηρετούμε αυτό το θαυμάσιο κλάδο και σας καλώ όλους με την ευκαιρία αυτού του άρθρου, να κάνουμε μια θύμηση τιμής και ευγνωμοσύνης, δηλαδή ένα μνημόσυνο (χωρίς σιτάρι, σταφίδες, μαϊντανό και διάφορα άλλα εξαρτήματα) σε όλους εκείνους που εργάστηκαν, μόχθησαν, ξενύχτησαν, μελέτησαν, ανακάλυψαν, χάρηκαν απερίγραπτα με κάθε τους επιτυχία, απογοητεύτηκαν πολλές φορές με τις αποτυχίες τους, αλλά δεν το έβαλαν κάτω, δεν τα παράτησαν και τελικά έβαλαν τις βάσεις και μας έδωσαν τον κλάδο που πιστά υπηρετούμε, γιατί όχι μόνο βελτίωσε σε ύψιστο βαθμό την ανθρώπινη ζωή, αλλά και άνοιξε νέες προοπτικές και καινούργιους ορίζοντες. Από τα χρόνια της αρχαίας Ελλάδας, μεγάλοι φιλόσοφοι όπως ο Πλάτωνας και ο Αριστοτέλης, σπουδαίοι μαθηματικοί όπως ο Πυθαγόρας και ο Θαλής, σπουδαίοι φυσικοί όπως ο Δημόκριτος και λίγο αργότερα ο μηχανικός Αρχιμήδης, καταπιάστηκαν με τη μελέτη των αερίων, πάντα σε θεωρητικό επίπεδο και χωρίς αξιοσημείωτη επιτυχία. Οπωσδήποτε όμως είχε γίνει η αρχή.
Βασιζόμενοι σ’ αυτές τις πρώτες μελέτες των Ελλήνων, διάσημοι επιστήμονες και δάσκαλοι του μεσαίωνα μελέτησαν ακόμα πιο βαθιά και πιο συστηματικά τα αέρια και τη συμπεριφορά τους κάτω από ορισμένες συνθήκες. Ο ρυθμός όμως της επιστημονικής προόδου ήταν αργός και δεν ακολουθούσε τις απαιτήσεις της ζωής σε μια κοινωνία, που είχε αρχίσει να διαμορφώνεται με γρήγορους ρυθμούς. Έτσι φτάνουμε στα μέσα του 18ου αιώνα. Μέσα στη εκατονταετία 1750 – 1850 η πρόοδος στην επιστήμη ήταν αλματώδης.
Διάσημοι επιστήμονες και καθηγητές μελέτησαν ακόμα πιο συστηματικά τη συμπεριφορά των αερίων και των ατμών και διατύπωσαν τις αρχές που διέπουν τις αλλαγές καταστάσεως και τις ονόμασαν “Νόμους” που είναι απαραίτητοι για την κατανόηση της θερμοδυναμικής και για την επίλυση προβλημάτων που παρουσιάζονται κατά τη μελέτη των θερμικών μηχανών. Οι πιο σημαντικοί “Νόμοι” βαφτίστηκαν με το όνομα του καθηγητή που διατύπωσε τον καθένα απ’ αυτούς. Την πρωτοπορία έχουν ο Νόμος του Ιταλού Avogadro, που βοήθησε να γίνει κατανοητή η θερμοδυναμική, η οργανική Χημεία και η Ατομική θεωρία. Στο ίδιο μοτίβο κινήθηκαν ο Νόμος του Charles, ο Νόμος του Boyle, ο Νόμος του Gay Lussa, ο Νόμος του Joule, ο Νόμος του Mariette.
Η πρόοδος ήταν αξιόλογη και επέβαλε συνεργασίες. Αξιομνημόνευτη είναι η συνεργασία των φυσικών Boyle – Mariette, έφερε όμως και αντιδράσεις στο νόμο του Avogadro. Την τελική λύση έδωσε ο Ιταλός Canizzaro, καθηγητής του πανεπιστημίου του Palermo, που με τις πολύτιμες επιστημονικές του εργασίες επαλήθευσε το 1860 τους νόμους που προαναφέρθηκαν, καταδίκασε οριστικά τις αντιδράσεις και έβαλε γερά θεμέλια στη Θερμοδυναμική, στην Χημεία και στην Ατομική Φυσική. Οι νόμοι που προαναφέρθηκαν προκάλεσαν έντονα ερεθίσματα και ζωηρό ενδιαφέρον σε άλλους μελετητές, που έκαναν τις δικές τους μελέτες και τις δικές τους εφαρμογές. Έτσι την περίοδο 1800 – 1850 παρουσίασαν τους θεωρητικούς “κύκλους λειτουργίας” των θερμικών μηχανών με πιο σημαντικό τον κύκλο του Carnot, που διατυπώθηκε το 1824.
Ο κύκλος αυτός ήταν μόνο θεωρητικός και πρακτικά ανεφάρμοστος. Τα θεωρητικά του όμως συμπεράσματα βοήθησαν σημαντικά στην πρακτική εφαρμογή άλλων κύκλων, όπως ο κύκλος του Rankin στον οποίο βασίζονται οι Ατμολέβητες, οι Παλινδρομικές Ατμομηχανές, οι Ατμοστρόβιλοι και οι Ψυκτικές Μηχανές με συμπίεση ατμών. Στον κύκλο του Rankin βασίστηκαν ακόμη ο κύκλος του Otto (βενζινομηχανές) του Diesel (πετρελαιομηχανές) και οι αεριοστρόβιλοι. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε πως ο κύκλος λειτουργίας των ψυκτικών μηχανών είναι μια πιστή εφαρμογή του αναστρεφόμενου κύκλου Rankin. Οι θεωρητικοί θερμικοί κύκλοι που προαναφέρθηκαν προκάλεσαν νέα ερεθίσματα σε φυσικούς και μηχανικούς της εποχής, που είχαν ήδη καταπιαστεί με τη μελέτη και την κατασκευή παλινδρομικών ατμομηχανών και ατμοστροβίλων, άλλα αντιμετώπιζαν πολλά προβλήματα, άλυτα την εποχή εκείνη.
Αυτή η καινούργια σειρά επιστημόνων, έχοντας στα χέρια τους πολύτιμα εργαλεία τους Νόμους των αερίων, καθώς επίσης και τους θερμικούς κύκλους των ατμών, προχώρησαν ακόμη περισσότερο και συντάξανε πανέξυπνα Διαγράμματα, πάνω στα οποία μπορεί κάποιος ενδιαφερόμενος τεχνικός να βρει με μια απλή παρατήρηση τα χαρακτηριστικά αερίων και ατμών σε διάφορες καταστάσεις. Τα στοιχεία αυτά τους έλειπαν. Τώρα με τα Διαγράμματα είχαν στα χέρια τους μια σωστή ακτινογραφία της συμπεριφοράς των ατμών σε κάθε κατάσταση, δηλαδή τώρα είχαν σωστές και ξεκάθαρες απαντήσεις στα προβλήματα που αντιμετώπιζαν.
Το πιο σημαντικό για τους μηχανικούς των θερμικών μηχανών είναι ασφαλέστατα το Διάγραμμα του Mollier. Σαν φυσικό επακόλουθο ήλθαν οι πρώτες προσπάθειες για την κατασκευή μιας μηχανής “παραγωγής ψύχους” που ήταν το όνειρο και ο άπιαστος στόχος γενεών και γενεών. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε πως κάποιοι μηχανικοί προσπάθησαν να κατασκευάσουν αυτή τη πολυπόθητη μηχανή, πριν καλά – καλά γνωστοποιηθούν οι θερμικοί κύκλοι. Μια τέτοια μηχανή επινοήθηκε στη Βρετανία το 1755 από τον καθηγητή William Cullen που χρησιμοποιούσε νερό. Δημιουργώντας κενό στην ελεύθερη επιφάνεια του νερού, χαμήλωνε το σημείο βρασμού, δηλαδή έκανε το νερό να βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από τους 100°C και κατά κάποιο τρόπο να αποδίδει το ποθούμενο αποτέλεσμα.
Η ιδέα εγκαταλείφτηκε, χωρίς να πάει χαμένη. Δεν έδωσε μηχανή “παραγωγής ψύχους” έδωσε όμως την αρχή κατασκευής των βραστήρων κενού, που χρησιμοποιούν σήμερα τα καράβια για να παράγουν νερό αποστάζοντας θάλασσα. Πάνω στο ίδιο θεωρητικό υπόβαθρο κατασκευάστηκαν πειραματικά δύο ακόμη μηχανές. Μία από τον επίσης Βρετανό Valance το 1824 και μια από τον Γάλλο Edmund Care λίγο αργότερα. Οι δύο αυτές μηχανές χρησιμοποιούσαν νερό και θεϊκό οξύ, που απορροφούσε τους ατμούς του νερού, πετυχαίνοντας έτσι συνθήκες λειτουργίας πιο ικανοποιητικές από εκείνες της αντλίας κενού του Colleen. Τα αποτελέσματα πάλι δεν ήταν τα αναμενόμενα, η προσπάθεια εγκαταλείφτηκε και οι δύο μηχανές παρέμειναν σε πειραματικό στάδιο. Πάλι η προσπάθεια δεν πήγε χαμένη. Οι τρείς μηχανές έδωσαν το θεωρητικό υπόβαθρο των ψυκτικών μηχανών απορροφήσεως.
Η ιστορική μας αναφορά φτάνει στο 1834. Μια χρονιά ορόσημο για όλους μας. Τη Δευτέρα 16 Μαΐου αυτής της χρονιάς ο Βρετανός Jacob Perkins παρουσίασε στους φοιτητές του την πρώτη μηχανή “παραγωγής ψύχους”με συμπίεση ατμών που είχε κατασκευάσει πειραματικά και φαίνεται σε φωτογραφία στο Σχ.1.
Η μηχανή του Perkins είχε μια χειραντλία για συμπιεστή, ένα δοχείο γεμάτο νερό και μέσα σ΄αυτό μια βυθισμένη χάλκινη σερπαντίνα για συμπυκνωτή και ένα άλλο δοχείο με νερό που ήθελε να κρυώσει και μέσα στο νερό αυτό μια στεγανή βυθισμένη κάψα, για εξατμιστή, μέσα στην οποία εξάτμιζε αιθέρα.
Σχήμα 1
Η μηχανή ήταν ακόμη εξοπλισμένη με μια τροφοδοτική αντλία με μια απλή βαλβίδα που ρύθμιζε την ποσότητα του αιθέρα που περνά προς τον εξατμιστή. Αυτή η τροφοδοτική αντλία ήταν ουσιαστικά μια σύριγγα με βαλβίδα. Ο καθηγητής Perkins δούλεψε ο ίδιος τη μηχανή του μπροστά στους φοιτητές του.
Η χειραντλία από τη μια μεριά αναρροφούσε ατμούς από τον εξατμιστή και από την άλλη τους κατέθλιβε στη σερπαντίνα για να ψυχθούν με το νερό, να συμπυκνωθούν και να ξαναγίνουν υγρός αιθέρας. Ύστερα από κάμποσες τρομπαρισιές το νερό του δοχείου του εξατμιστή άρχισε να κρυώνει μέχρι που στο τέλος πάγωσε. Με απερίγραπτη συγκίνηση οι φοιτητές άκουγαν τον καθηγητή να τους εξηγεί με λεπτομέρεια τον κύκλο λειτουργίας της μηχανής του. Ύστερα από την παράδοση τον χειροκρότησαν, τον σήκωσαν στα χέρια και τον γύρισαν στους χώρους του Πανεπιστημίου, όπως συνηθίζονταν τότε.
Ναι αγαπητοί φίλοι αναγνώστες, κάτι σας θύμισε η μηχανή που ανακάλυψε ο Perkins και πολύ σωστά αυτή θεωρείται παγκόσμια σαν η πρώτη ψυκτική μηχανή με συμπιεστή ατμών που σκέφτηκε ανθρώπινο μυαλό και κατασκεύασε ανθρώπινο χέρι. Ήταν μια ψυκτική μηχανή που δεν της έλειπε τίποτα. Είχε συμπιεστή που δημιουργούσε κενό μέσα στον εξατμιστή, για να διευκολύνει την εξάτμιση του αιθέρα και να δίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα που ήταν η ψύξη του νερού. Είχε και συμπυκνωτή για να συμπυκνώνει τους ατμούς. Είχε ακόμη και εκτονωτική βαλβίδα (τη σύριγγα) που ψέκαζε τον υγρό αιθέρα μέσα στον εξατμιστή.
Ήταν δηλαδή μια ψυκτική μηχανή συμπίεσης, με όλα τα εξαρτήματα. Δεν της έλειπε τίποτα και δίκαια εκτίθεται στο Μουσείο Επιστημών του Λονδίνου, δίπλα στις άλλες θερμικές μηχανές. Πάνω στην ιδέα του Perkins βασίστηκαν όλοι εκείνοι που ξεκίνησαν να κατασκευάσουν ψυκτική μηχανή με συμπιεστή. Γύρω στο 1845 ένας άλλος καθηγητής, ο Αμερικανός John Gorier, με βάση τη μηχανή του Perkins κατασκεύασε κι αυτός μια πειραματική μηχανή παραγωγής με ψυκτικό ρευστό τον αέρα. Η μηχανή αυτή πάντα σε πειραματικό στάδιο συνεχίστηκε ύστερα από το θάνατο του Gorier από τους βοηθούς του Kirk και Pestle, χωρίς όμως επιτυχία, χωρίς αξιοπρόσεκτη συνέχεια και τελικά εγκαταλείφτηκε. Ας ξαναγυρίσουμε στη μηχανή του Perkins.
Ανακατασκευασμένη αυτή τη φορά από τον καθηγητή James Harrison το 1859, χρησιμοποιώντας κι αυτή αιθέρα και ατμοκίνητο συμπιεστή αυτή τη φορά λειτούργησε για κάμποσα χρόνια σε εργοστάσια παραγωγής μπύρας, σε αποστακτήρια, σε σφαγεία, σε παγοποιεία αλλά και σε ψυκτικούς θαλάμους διατήρησης ευπαθών προϊόντων. Ο ατμοκίνητος συμπιεστής του Harrison φαίνεται στο Σχ.2, σε φωτογραφία κι αυτός ήταν κατακόρυφος και θεωρείται ο πρόδρομος των σύγχρονων συμπιεστών.
Σχήμα 2
Η επιτυχία της μηχανής του Perkins με τον ατμοκίνητο συμπιεστή του Harrison, έδειξε ξεκάθαρα ότι η μηχανική ψύξη με συμπιεστή ατμών έγινε πραγματικότητα. Οι συμπιεστές που ακολούθησαν βασίστηκαν σε μελέτες και σχέδια του Βρετανού Ferguson, του Γερμανού Lined. Και του Γάλλου Verge, που ευδοκιμούσε στην Αμερική. Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειώσουμε ότι ο Lined σχεδίασε το 1873 τον πρώτο συμπιεστή αμμωνίας και λίγο αργότερα, το 1876 ο καθηγητής Raoul Picket μελέτησε και κατασκεύασε το συμπιεστή διοξειδίου του θείου (SO²) και για να αντιμετωπίσει τις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονταν, χρησιμοποίησε σύστημα κυκλοφορίας νερού για τη ψύξη των εμβόλων, των διωστήρων και των χιτωνίων των κυλίνδρων του συμπιεστή. Ήταν η πρώτη φορά που κατασκευάστηκε συμπιεστής τέτοιου τύπου. Τώρα πια φάνηκε ξεκάθαρα ο δρόμος για την επιτυχία. Την ίδια εποχή ένας άλλος μηχανικός στην Αμερική, ο James Coleman τοποθέτησε στη μηχανή του Perkins ένα ανασχεδιασμένο δικό του ατμοκίνητο συμπιεστή, με ανασχεδιασμένο εξατμιστή και τροποποιημένο συμπυκνωτή.
Η μηχανή αυτή πήρε την τελική της μορφή από τους αδελφούς John και Henry Bell το 1877. Με την επιτυχημένη λειτουργία των ψυκτικών μηχανών του Harrison και του Coleman, άρχισαν στην Αμερική να ξεφυτρώνουν το ένα μετά το άλλο εργοστάσια παραγωγής μπύρας, αποστακτήρια, συσκευαστήρια φρούτων, παγοποιεία, σφαγεία και ψυκτικοί θάλαμοι συντήρησης ευπαθών για εμπορική χρήση. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε, ότι οι ανάγκες για τη χρησιμοποίηση ψυγείων ήταν επιτακτικές όχι μόνο για μεγάλα εργοστάσια όπως αυτά που προαναφέρθηκαν, αλλά και για μικρότερες επιχειρήσεις και νοικοκυριά.
Η κατασκευή όμως μιας ψυκτικής εγκατάστασης ήταν εκ των πραγμάτων αδύνατη και περιορίζονταν μόνο για μεγάλα εργοστάσια, γιατί μόνο αυτά διέθεταν τους απαιτούμενους μεγάλους χώρους και τα απαραίτητα μέσα. Είναι ευκολονόητο, ότι για να λειτουργήσει μια ατμοκίνητη ψυκτική εγκατάσταση έπρεπε να διαθέτουν τα απαιτούμενα μέσα για τη μεταφορά του λιγνίτη ή του γαιάνθρακα, αποθηκευτικούς χώρους, ατμολέβητες για την παραγωγή του ατμού, εργάτες για να τροφοδοτούν αυτούς τους ατμολέβητες με το φτυάρι, εξειδικευμένους θερμαστές και ατμομηχανικούς και τεχνικούς για την επίβλεψη της ψυκτικής εγκατάστασης, γιατί ο αυτοματισμός της ήταν περιορισμένος μέχρι ανύπαρκτος.
Τα μεγάλα εργοστάσια διέθεταν αυτά τα μέσα. Οι μικρότερες επιχειρήσεις και τα νοικοκυριά εξυπηρετούσαν τις ανάγκες τους με παγοκολόνες. Τα μεγάλα εργοστάσια που διέθεταν ψυκτικές εγκαταστάσεις, είχαν συνήθως και μια εγκατάσταση παραγωγής πάγου σε κολώνες για επαγγελματική και οικιακή χρήση. Τότε τα νοικοκυριά άρχισαν να εξοπλίζονται με ψυγεία πάγου για τις δικές τους ανάγκες. Οι επαγγελματίες είχαν κι αυτοί ψυγεία πάγου, αλλά σε πολλές περιπτώσεις χρειάζονταν πιο χαμηλές θερμοκρασίες συντήρησης.
Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιούσαν ξηρό πάγο, δηλαδή παγοκολόνες φτιαγμένες από διοξείδιο του άνθρακα (CO2), που είχαν άφθονο, αφού το μάζευαν από τα φουγάρα των ατμολεβήτων με ειδικές εγκαταστάσεις απορρόφησης CO2 από τα καυσαέρια. Η Ευρώπη δεν έμεινε με τα χέρια σταυρωμένα. Η επιτυχία της Αμερικής έδειχνε το δρόμο ξεκάθαρα. Έτσι το 1869 οι Γερμανοί μηχανικοί Windhausen και Nerlich έβαλαν κι αυτοί ένα δικό τους ατμοκίνητο συμπιεστή στη μηχανή του Perkins. Την ίδια εποχή, δηλαδή το 1869 στην Αγγλία ο μηχανικός Ferguson έβαλε κι αυτός στη μηχανή του Perkins ένα δικό του ατμοκίνητο συμπιεστή.
Έτσι σε λίγο καιρό τα μηχανουργεία του Manchester και του Αμβούργου δεν προλάβαιναν να κατασκευάζουν συμπιεστές και παλινδρομικές ατμομηχανές. Η μελέτη κατασκευής αυτών των συμπιεστών βασίστηκε στα πρότυπα των αεροσυμπιεστών. Ήταν χαμηλόστροφοι με 50 – 60 στροφές ανά λεπτό, ήταν μεγάλης ισχύος αφού προορίζονταν για μεγάλες εγκαταστάσεις και όπως καταλαβαίνετε ήταν μεγάλου εκτοπίσματος και διαστάσεων. Αξίζει να σημειώσουμε ότι το 1896 κατασκευάστηκε στην Αμερική ο πιο μεγάλος παλινδρομικός ατμοκίνητος συμπιεστής ψυκτικής εγκατάστασης που αναφέρεται στην ιστορία. Είχε δύο κατακόρυφους κυλίνδρους με διάμετρο 27″ (686 mm), διαδρομή εμβόλου 48″(1220 mm) και ψυκτική ισχύ 1000 ψυκτικών τόνων (3.000.000 kcal/ώρα ή 12.000.000 BTU/ώρα).
Ήταν χιλιάδες οι ψυκτικές μηχανές που λειτουργούσαν μέχρι το 1890 στην Αμερική και στην Ευρώπη, με τα ίδια κύρια χαρακτηριστικά δηλαδή ατμοκίνητοι παλινδρομικοί συμπιεστές, χαμηλόστροφοι, μεγάλης ισχύος αφού προορίζονταν για συγκεκριμένες μεγάλες βιομηχανίες και με πάμπτωχο αυτοματισμό. Κατά τα μέσα της δεκαετίας 1890 – 1900 η ατμοκίνητη κινητήρια μηχανή του συμπιεστή αντικαταστάθηκε από μηχανή εσωτερικής καύσης.
Οι μηχανές αυτές ήταν σίγουρα πιο εύχρηστες και απαιτούσαν μικρότερους χώρους για την εγκαταστασή τους, όπως γίνεται εύκολα κατανοητό. Με τη χρησιμοποίηση της πετρελαιομηχανής και της βενζινομηχανής άρχισε η ζήτηση ψυκτικών μηχανών μικρής ισχύος, για μικρότερες εγκαταστάσεις βιομηχανιών και επαγγελματικούς χώρους συντήρησης, μεγάλης σχετικά ισχύος. Έτσι φθάνουμε στη δεκαετία 1900 – 1910 μέσα στην οποία έγινε μια νέα επανάσταση στις ψυκτικές εγκαταστάσεις. Η κινητήρια μηχανή εσωτερικής καύσης αντικαταστάθηκε από τον ηλεκτροκινητήρα, που άλλαξε ριζικά τα δεδομένα. Αυξήθηκε κατακόρυφα η ζήτηση ψυκτικών μηχανών μικρής ισχύος και ταυτόχρονα εμφανίστηκε στον τεχνικό ορίζοντα και ο πρώτος αυτοματισμός. Ιδρύθηκαν νέες βιομηχανίες παραγωγής συσκευών αυτοματισμού, που κι αυτές έδωσαν τη δική τους συμβολή και έβαλαν τη δική τους σφραγίδα στην εξέλιξη της ψύξης.
Αναζητώντας συμπιεστές με βελτιωμένη ογκομετρική ικανότητα τη λύση έδωσαν οι περιστροφικοί συμπιεστές. Ο πρώτος περιστροφικός συμπιεστής, που μελετήθηκε, κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε ήταν ο πτερυγιοφόρος, που φαίνεται στο Σχ. 3.
Σχήμα 3
Το στροφείο του ήταν ένα κυλινδρικό τύμπανο, τοποθετημένο εκκεντρικά μέσα σ’ ένα κυλινδρικό κέλυφος. Το στροφείο είχε αυλακώσεις μέσα στις οποίες ήταν τοποθετημένα τα πτερύγια. Οι συμπιεστές αυτοί χρησιμοποιήθηκαν κύρια σε συστήματα κλιματισμού μεγάλης ισχύος, όπως σε κρουαζιερόπλοια και υπερωκεάνια μεταφοράς επιβατών, εκείνου του καιρού. Ο δεύτερος τύπος περιστροφικού συμπιεστή που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο γραναζωτός, που κατασκευάστηκε στα πρότυπα της γραναζωτής αντλίας. Ο συμπιεστής αυτός χρησιμοποιήθηκε σε μεγάλη έκταση σε ψυκτικές εγκαταστάσεις που λειτουργούσαν με διοξείδιο του θείου (S02) και με χλωριούχο μεθύλιο. Ο τρίτος κατά σειρά περιστροφικός συμπιεστής ήταν ο φυγοκεντρικός, που το στροφείο του κατασκευάστηκε στο πρότυπο του στροφείου του ατμοστρόβιλου και φαίνεται στο Σχ.4.
Σχήμα 4
Αυτός ήταν ο κατά βάση πολυβάθμιος συμπιεστής, που χρησιμοποιήθηκε στην Αμερική, σχεδιασμένος από τον μηχανικό W.H.Carrier. Ο συμπιεστής αυτός έλυσε πάμπολλα προβλήματα, καθώς κατασκευάζονταν για μεγάλες ισχείς και για θερμοκρασία εξάτμισης μέχρι – 100°F (- 73°C). Είχε ρυθμιστή ισχύος (capacity control) με απλά ρύθμιση της βάνας κατάθλιψης. Ο τέταρτος κατά σειρά εφαρμογής είναι ο γνωστός σε όλους μας περιστροφικός με ατέρμονες κοχλίες (screw compressor) που κατασκευάζεται συνήθως για εγκαταστάσεις μεγάλης ισχύος και χρησιμοποιείται σε μεγάλη έκταση σε ναυτικές εγκαταστάσεις πλοίων ψυγείων και αλιευτικών.
Εφευρέτης του ο Σουηδός Lysholm. Πιο πρόσφατης εφαρμογής θεωρείται ο γνωστός σε όλους μας σπειροειδής συμπιεστής (SCROLL) που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο σε κλιματιστικά μηχανήματα, μικρής και μέσης ισχύος. Τα πιο δυνατά χαρακτηριστικά αυτού του συμπιεστή είναι ότι κατά τη λειτουργία του δεν αναπτύσσει ενοχλητικό θόρυβο, είναι απλός στην κατασκευή του, δεν έχει πολλά κινούμενα εξαρτήματα, που υπολογίζονται στο 60% εκείνων των εμβολοφόρων παλινδρομικών, πράγμα που σημαίνει λιγότερη απαιτούμενη συντήρηση και μειωμένες περιπτώσεις βλαβών. Έχει υψηλό βαθμό απόδοσης, υψηλό βαθμό ασφάλειας αφού δεν επηρεάζεται από την παρουσία σταγόνων ψυκτικού υγρού, εφ’ όσον δεν είναι δυνατό να αναπτυχθούν υδραυλικές πιέσεις κατά τη λειτουργία, ούτε το λιπαντέλαιο έρχεται σε επαφή με το ψυκτικό υγρό.
Η συνεχής βελτίωση των συμπιεστών είχε σαν φυσικό επακόλουθο τη συνεχή βελτίωση και των υπόλοιπων συγκροτημάτων της ψυκτικής εγκατάστασης από τις αντίστοιχες βιομηχανίες παραγωγής εξατμιστών, συμπυκνωτών και συσκευών αυτοματισμού. Από πολύ νωρίς φάνηκε ξεκάθαρα πως ένα άλλο σημείο με τεράστιο ενδιαφέρον ήταν το θέμα των ψυκτικών υγρών, καθώς η συνεχής βελτίωση των συμπιεστών έκανε επιτακτική την ανάγκη βελτίωσης και των ψυκτικών υγρών, που χρησιμοποιούσαν οι εγκαταστάσεις. Αυτό έγινε ολοφάνερο από το 1873, που ο Γερμανός καθηγητής linde, εφεύρε τον συμπιεστή αμμωνίας και περίπου την ίδια εποχή η λίγο αργότερα το 1876, όταν ο καθηγητής Raoul Pictet μελέτησε και καθιέρωσε το συμπιεστή διοξειδίου του θείου (SO2). Εύκολα βγαίνει το συμπέρασμα ότι η συνεχής βελτίωση των συμπιεστών προκάλεσε αντίστοιχα και τη συνεχή βελτίωση των ψυκτικών ρευστών. Υπάρχουν μάλιστα δύο απόψεις πάνω σ’ αυτό το θέμα.
Η μια υποστηρίζει ότι η βελτίωση των συμπιεστών επέβαλε και τη συνεχή βελτίωση των ψυκτικών ρευστών. Η άλλη άποψη υποστηρίζει ακριβώς το αντίθετο, ότι δηλαδή η συνεχής αναζήτηση νέων ψυκτικών ρευστών προκάλεσε και την αναζήτηση νέων συμπιεστών που θα τα χρησιμοποιούσαν. Εμένα προσωπικά αυτή η διαμάχη μου φέρνει στο μυαλό το γρίφο «η κότα έκανε τα’ αυγό ή το αυγό την κότα». Όπως και να χει το πράγμα, τώρα στη συνεχή βελτίωση της ψυκτικής εγκατάστασης, μπήκαν στο χορό και τεράστιες χημικές βιομηχανίες της Βρετανίας, της Αμερικής, της Γερμανίας και όχι μόνο. Χρονολογικά η ιστορική εξέλιξη των ψυκτικών ρευστών μπορεί να καταγραφεί συνοπτικά σε επτά περιόδους, όπως αναφέρονται παρακάτω. Την πρώτη περίοδο 1755 – 1875 σαν ψυκτικό ρευστό χρησιμοποιήθηκε το νερό στις πειραματικές μηχανές του William Cullen το 1755, του Vallance το 1824 και του Edmund Carre το 1850.
Την ίδια περίοδο σαν ψυκτικό ρευστό χρησιμοποιήθηκε ο αέρας στην Πειραματική μηχανή του John Gorrie το 1845 καθώς επίσης και στις βελτιώσεις αυτής της ίδιας μηχανής από τον Kirk το 1861, τον Postle το 1868, τους Windhausen και Nehrlich το 1869, τον James Coleman το 1876 και τους αδελφούς John και Henry Bell, το 1877. Όλες αυτές οι μηχανές παρέμειναν σε πειραματικό στάδιο, χωρίς εξέλιξη, επειδή η επιτυχία τους δεν ήταν κάτι το αξιοσημείωτο. Τη δεύτερη περίοδο 1834 – 1880, σαν ψυκτικό ρευστό χρησιμοποιήθηκε ο αιθέρας στην πειραματική μηχανή του Jacomb Perkins το 1834, καθώς επίσης και στην ανακατασκευή αυτής της μηχανής από τον James Harrison το 1857, που ήταν και η πρώτη με ατμοκίνητο συμπιεστή.
Μέσα στην ίδια περίοδο ο καθηγητής Linde εφεύρε τον συμπιεστή αμμωνίας το 1873 και λίγο αργότερα, το 1876, ο καθηγητής Raoul Pictet, τον συμπιεστή διοξειδίου του θείου (SO2). Την Τρίτη περίοδο 1880 – 1910 χρησιμοποιήθηκαν σαν ψυκτικά ρευστά η αμμωνία, το αιθυλένιο, το χλωριούχο μεθύλιο, ο αιθέρας, η ασετυλίνη, η νάφθα και η κηροζίνη σε μεγάλο αριθμό ατμοκίνητων συμπιεστών, των εργοστασίων De La Vergne, Frick, York, Victer, Ball, Wolf κ.α. Την τέταρτη περίοδο 1910 – 1930 χρησιμοποιήθηκαν σαν ψυκτικά ρευστά, η αμμωνία, το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το διοξείδιο του θείου (SO2), το χλωριούχο μεθύλιο (CH³CL), το χλωριούχο μεθυλένιο (CH2Cl2), το βουτάνιο (C4 H10) και το προπάνιο (C3H8) Αυτά τα ρευστά χαρακτηρίζονται σαν «αρχικά ψυκτικά ρευστά» μια και εφαρμόστηκαν στους πρώτους συμπιεστές που λειτούργησαν με ηλεκτροκινητήρα και αυτοματισμό. Την Πέμπτη περίοδο 1930 – 1995 που χαρακτηρίζεται και περίοδος των CFC.
Η γρήγορη εξέλιξη της τεχνολογίας της ψύξης και των ψυκτικών μηχανών επέβαλε τη μελέτη και την παραγωγή νέων ψυκτικών ρευστών, λόγω των σοβαρών μειονεκτημάτων που παρουσίαζαν κατά τη χρήση τους τα «αρχικά» δηλαδή εκείνα της προηγούμενης περιόδου. Η παγκόσμια παραγωγή καθιέρωσε τότε μια επαναστατική σειρά συνθετικών ψυκτικών ρευστών, τους χλωριωμένους φθοριοάνθρακες, που είναι παράγωγα κυρίως του μεθανίου και του αιθανίου και χαρακτηρίζονται διεθνώς με τα γράμματα CFC, που είναι τα αρχικά του όρου «χλωριωμένοι φθοριάνθρακες» στην Αγγλική γλώσσα. Είναι τα γνωστά μας FREON R11, R12, R13, R113, R114, R22, R500, R502, R503, και R13Bi. Αυτά τα ψυκτικά ρευστά για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα έλυσαν πάρα πολύ ικανοποιητικά τα προβλήματα των ψυκτικών μηχανικών και των εργοστασίων παραγωγής ψυκτικών συγκροτημάτων σ’ ολόκληρη την υφήλιο. Ιστορικά πρέπει να αναφέρω ότι έρευνες που έγιναν στη δεκαετία του 1990 απέδειξαν ότι το χλώριο που περιέχουν οι χλωριωμένοι φθοριοάνθρακες – τα CFC – «απωθεί» και «εκτοπίζει» το όζον της γήινης ατμόσφαιρας, προκαλώντας έτσι την πολυσυζητημένη «τρύπα του όζοντος» (ozon depletion).
Είναι μια πραγματικά επικίνδυνη κατάσταση, που θα μπορούσε με το χρόνο να αφανίσει τη ζωή στον πλανήτη μας από έλλειψη οξυγόνου, ή να προκαλέσει σημαντικές βλάβες στον άνθρωπο από την ενέργεια της υπεριώδους ακτινοβολίας του ήλιου. Πρέπει να σημειώσουμε ότι το όζον ενεργεί και σαν φίλτρο της υπεριώδους ακτινοβολίας, εμποδίζοντας την να φθάσει στην επιφάνεια της Γης με όλη την έντασή της, με καταστρεπτικές συνέπειες. Μπροστά σ’ αυτό τον κίνδυνο αναγκάστηκαν τα πιο πολλά ανεπτυγμένα κράτη να πάρουν κατεπείγοντα μέτρα και να υπογράψουν στις 31 Δεκεμβρίου 1995 το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ, που τέθηκε σε ισχύ την επόμενη κιόλας μέρα. Διακόπηκε η παραγωγή των CFC σε όλες τις ανεπτυγμένες χώρες και αναφέρονταν ρητά οι ημερομηνίες – στόχοι για την οριστική κατάργησή τους.
Ειδικά για το R22, όπως όλοι γνωρίζουμε δόθηκε τότε μια χρονική παράταση στη χρήση του, επειδή αυτό είχε την πιο μικρή επίδραση στο όζον απ’ όλα τα υπόλοιπα, αλλά ήταν και ρευστό πολύ μεγάλου φάσματος παγκόσμια. Με νέα οδηγία απαγορεύτηκε η κυκλοφορία του πρωτογενούς R22 από την 1.1.2010 και επιτρέπονταν η χρήση μόνο του ανακυκλούμενου, μέχρι το 2015. Την περίοδο αυτή καθιερώθηκε σαν μονάδα μέτρησης ο δείκτης ODP (Ozon Depletion potential) που σημαίνει δυναμικής εκτόπισης του όζοντος. Την έκτη περίοδο 1996 – 2014 καταργηθέντα CFC αντικαταστάθηκαν από μια νέα σειρά ψυκτικών ρευστών τα HCFC, τους υδρογονωμένους χλωριοφθοράνθρακες, που είναι κι αυτοί συνθετικά παράγωγα του μεθανίου και του αιθανίου, αλλά περιέχουν λιγότερο χλώριο. Η σειρά αυτή περιλαμβάνει το ανακυκλωμένο R22, το R401A,το R401B, το R402A, το R402B, το R403B, το R406A, το R408A και το R409A.
Ουσιαστικά προτού προλάβει να κυκλοφορήσει αυτή η νέα σειρά τέθηκε από τους θεσμούς υπό διωγμό. Οι οικολογικές οργανώσεις γκρίνιαζαν και πάλι. Κατηγορήθηκαν ότι έχουν μεν χαμηλό δείκτη ODP και επομένως μικρότερη επίδραση στο ΟΖΟΝ, αλλά το φθόριο που περιέχουν απελευθερώνεται και συσσωρεύεται στη γήινη ατμόσφαιρα όπου διατηρείται επί αιώνες και συμβάλει στην αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη μας, μέσω του φαινομένου του θερμοκηπίου (Fgases), εφ όσον δεν επιτρέπει την επιστροφή στο διάστημα με αντανάκλαση μιας σημαντικής ποσότητας ηλιακής ακτινοβολίας. Τώρα καθιερώθηκε ένας καινούργιος δείκτης, ο GWP, που είναι τα αρχικά του όρου Global Warming Potential στην Αγγλική και σημαίνει Δυναμικό θέρμανσης του Πλανήτη.
Είναι το μέτρο της νέας όχλησης, συγκρινόμενο με την όχληση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2), που πάρθηκε σαν μονάδα. Οι βιομηχανίες παραγωγής ψυκτικών ρευστών έκαναν δραστικές αλλαγές στη σύνθεση και σε σύντομο διάστημα κυκλοφόρησαν μια καινούργια σειρά συνθετικών ψυκτικών ρευστών, τα HFC, τους υδρογονωμένους φθοριοάνθρακες ή φθοριωμένους υδρογονάνθρακες, που δεν περιέχουν χλώριο και στη σύνθεσή τους περιέχουν λιγότερο φθόριο. Την έβδομη περίοδο 2014 μέχρι σήμερα. Αυτή η περίοδος δεν ανήκει στο παρελθόν, που εξιστορώ στο σημερινό μου άρθρο, αλλά στη σημερινή επικρατούσα κατάσταση.
Αξίζει τον κόπο λοιπόν να περιγράψουμε πολύ – πολύ συνοπτικά, την κατάσταση που σήμερα βιώνουμε. Σαν ψυκτικά ρευστά χρησιμοποιούνται σήμερα οι φθοριωμένοι υδρογονάνθρακες που είναι συνθετικά παράγωγα του μεθανίου και του αιθανίου, τα HFC, που θα αναφερθούν σε ένα πίνακα με τις ιδιότητες τους στο τέλος του άρθρου. Δεν περιέχουν χλώριο, επομένως δεν έχουν αρνητική επίδραση στην απώθηση του όζοντος, τη λεγόμενη «τρύπα του όζοντος». Περιέχουν μικρή ποσότητα φθορίου και κατά συνέπεια προκαλούν μικρότερη όχληση στο περιβάλλον από τα προηγούμενα.
Είναι πάντως γεγονός ότι η μικρή ποσότητα του φθορίου που περιέχουν δεν μηδένισε το πρόβλημα των αερίων του θερμοκηπίου και έτσι συνεχίζονται οι γκρίνιες και τα παράπονα των οικολόγων. Γι’ αυτό η Ευρωπαϊκή Ένωση έθεσε σε ισχύ τον κανονισμό 517/2014, που έχει σαν σκοπό του να περιορίσει σταδιακά τη χρήση και τη διακίνηση των ψυκτικών ρευστών που περιέχουν φθόριο μέχρι και την πλήρη κατάργησή τους σε λίγα χρόνια, πάντα με στόχο να μειωθούν οι εκπομπές αερίων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την επακόλουθη αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη μας και την αναπόφευκτη αλλαγή του κλίματος.
Αγαπητοί φίλοι αναγνώστες μου, το σημερινό μου άρθρο, φθάνει στο τέλος του και εγώ πρέπει τώρα να γράψω τον επίλογο. Η μάνα ΦΥΣΗ τα έχει ρυθμίσει όλα με ΣΟΦΙΑ. Οι βαθύτατα θρησκευόμενοι την ονομάζουν ΘΕΟ. Οι λιγότεροι θρησκευόμενοι την ονομάζουν και την αγαπούν σαν ΜΑΝΑ. Εσείς πέστε την όπως θέλετε, θαυμάσετε όμως τη ΣΟΦΙΑ της στην πρόταση που ακολουθεί. Η ατμόσφαιρα της Γής είναι ένα φίλτρο που επιτρέπει να περνά προς αυτήν η ηλιακή ακτινοβολία, που διατηρεί τη θερμοκρασία του πλανήτη σε τέτοια όρια, ώστε να μην παγώσει.
Ένα μέρος αυτής της ακτινοβολίας περισσεύει και με αντανάκλαση πρέπει να φύγει πίσω στο διάστημα, απ’ όπου ήλθε. Αν μείνει θα θερμάνει λίγο περισσότερο τη Γή και αυτή η υπερθέρμανση θα είχε ολέθρια αποτελέσματα και ανάμεσα σ’ αυτά θα προκαλούσε και αλλαγή του κλίματος. Μια ακόμη σοφή ρύθμιση της μάνας ΦΥΣΗΣ. Η ηλιακή ακτινοβολία, που είναι ζωτικά χρήσιμη για τον πλανήτη περιέχει υπεριώδεις ακτίνες, που είναι πάρα πολύ επικίνδυνες για τον άνθρωπο, μα και γι αυτό φρόντισε σοφά η μάνα φύση.
Στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας τοποθέτησε το πολύτιμο όζον που μια προσφορά του από τις πολλές, είναι να περιορίζει την ισχύ της υπεριώδους ακτινοβολίας, εμποδίζοντας την να φθάσει στη Γη με όλη την έντασή της. Όμως διάφορα αέρια που προέρχονται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες και ανάμεσά τους το φθόριο των ψυκτικών ρευστών, μαζεύονται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και απορροφούν ένα μέρος της θερμότητας που η Γη διώχνει προς το διάστημα, οπότε αυξάνεται η μέση θερμοκρασία της, με αποτέλεσμα την καταστρεπτική αλλαγή, που αναφέρθηκε παραπάνω. Αυτά πάει να προλάβει ο κανονισμός 517/2014.
Ας βοηθήσουμε όλοι και ο καθένας χωριστά. Η κατάσταση που έχει δημιουργηθεί για τους τεχνικούς που ασχολούνται με τη ψύξη είναι αβάσταχτη και σκληρή στην καθημερινότητα της , αλλά θα βελτιωθεί. Εκείνο που πληγώνει πιο πολύ είναι η σκέψη ότι τα ψυκτικά ρευστά εκπέμπουν φθόριο, που πληγώνει έμμεσα τον πλανήτη, αλλά και οι κάθε είδους βόμβες και ρουκέτες εκπέμπουν θάνατο και θανατηφόρα αέρια που πληγώνουν άμεσα τον πλανήτη, χωρίς να υπάρχει δυνατότητα να τα περιορίσει κάποιος κανονισμός της Ευρωπαϊκής Ένωσης.
Αναπτύσσοντας την ιστορική εξέλιξη της μηχανικής ψύξης, είχα φθάσει στην έβδομη περίοδο της ιστορικής εξέλιξης των ψυκτικών ρευστών, που αναφέρεται στη σημερινή κατάσταση όπως έχει δημιουργηθεί, γνωστή σε όλους μας, αφού τη ζούμε κάθε μέρα. Η πολύπλοκη σημερινή κατάσταση έκανε κι εμένα να ξεφύγω λίγο και άθελά μου να βρεθώ από τον τραγέλαφο των ψυκτικών ρευστών σε αντιπολεμική κραυγή. Ζητώ συγνώμη και επανέρχομαι, αναφέροντας παρακάτω τον Πίνακα 1 στον οποίο αναφέρονται τα διαθέσιμα σήμερα συνθετικά ψυκτικά ρευστά HFC, δηλαδή οι υδρογονομένοι φθοριοάνθρακες, τους οποίους αφορά ο κανονισμός 517/2014 της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Τα ρευστά αναφέρονται κατά φθείνουσα τάξη του GWP, καθώς και τα κύρια θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά τους.
Με τον πίνακα 1 ολοκληρώνεται το άρθρο μου για την ιστορική εξέλιξη της μηχανικής ψύξης. Η ιστορία μας βοηθά πάντα να προβλέπουμε το μέλλον. Σας δίνω λοιπόν δύο ακόμη πίνακες που θα σας βοηθήσουν να προβλέψετε το μέλλον. Ο πίνακας 2 σας δίνει τα φυσικά ψυκτικά ρευστά και ο πίνακας 3 τα νέα συνθετικά ψυκτικά ρευστά HFO, δηλαδή τις υδροφθοροολεφίνες. Σε λίγα χρόνια θα καταργηθούν τα υγρά του πίνακα 1 και το παιχνίδι θα συνεχιστεί με τα υγρά των δύο άλλων πινάκων. Πάντως για τη μελλοντική σας ενημέρωση γύρω από τα ψυκτικά ρευστά σας παραπέμπω στα άρθρα δύο εκλεκτών συναδέλφων του Δημήτρη Δαλαβούρα στο τεύχος 60 (το μέλλον των ψυκτικών ρευστών) και Νίκου Χαριτωνίδη σε σειρά άρθρων του για τη ψύξη με CO2.
| Πίνακας 1 Διαθέσιμα σήμερα συνθετικά ψυκτικά ρευστά HFC (Υδρογονομένοι Φθοριοάνθρακες) |
||||
| Ρευστό | GWP* | Σημείο βρασμού °C |
Κρίσιμη θερμοκρασία °C |
Παρατηρήσεις |
| R508 B | 13396 | -87° | +12° |
Ο δείκτης GWP |
| R23 | 14800 | -82° | +26° | |
| R404A | 3922 | -46° | +72° | |
| R507A | 3985 | -47° | +71° | |
| R 422A | 3143 | -47° | +72° | |
| R422D | 2729 | -43° | +80° | |
| R417A | 2346 | -38° | +90° | |
| R423A | 2280 | -24° | +99° | |
| R438A | 2265 | -43° | +84° | |
| R452A | 2140 | -47° | +75° | |
| R407A | 2107 | -45° | +82° | |
| R410A | 2088 | -51° | +71° | |
| R407F | 1825 | -46° | +83° | |
| R437A | 1805 | -33° | +75° | |
| R407C | 1774 | -44° | +86° | |
| R134A | 1430 | -26° | +101° | |
| R449A | 1397 | -46° | +83° | |
| R448A | 1387 | -46° | +86° | |
| R32 | 675 | -52° | +78° | |
| R513A | 631 | -29° | +96° | |
| R450A | 605 | -23° | +106° | |
| R455A | 146 | -53° | +81° | |
| Πίνακας 2 Φυσικά Ψυκτικά Ρευστά |
|||
| Ρευστό | GWP | Σημείο βρασμού °C |
Κρίσιμη θερμοκρασία °C |
| R170 (Αιθάνιο) | 6 | -89° | 32° |
| R290 (Προπάνιο) | 3 | -42° | 97° |
| R600a (Βουτάνιο) | 3 | -12° | 135° |
| R717 (Αμμωνία) | 0 | -33° | 132° |
| R744 (Διοξ. άνθρακα) | 1 | -57° | 31° |
| R1270 (Προπυλένιο) | 2 | -48° | 92° |
| Πίνακας 3 Νέα Ψυκτικά Ρευστά HFC (Υδροφθοροολεφίνες) |
||||
| Ρευστό | GWP | Σημείο βρασμού °C |
Κρίσιμη θερμοκρασία °C |
Παρατηρήσεις |
| R1234yf | 4 | -29° | 94° | Σε πειραματικό στάδιο |
| R1234ze | 6 | -19° | 110° | |
| R1233zd | 4.5 | -19° | 157° | |
| R1233zzd | — | — | ||
