Στην πολύχρονη καριέρα μου έχω ασχοληθεί αρκετά και με την Κρυογενική Ψύξη, τόσο σε επίπεδο τεχνικών εφαρμογών, όσο και εφαρμογών για επιστημονικά, ερευνητικά και πειραματικά εργαστήρια. Ποτέ όμως δε σκέφθηκα να γράψω δύο λόγια στο περιοδικό μας, γιατί πίστευα, ότι αυτό το είδος της ψύξης, είναι έξω από τα ενδιαφέροντα του Έλληνα ψυκτικού.
Γράφει ο Δημήτρης Μενεγάκης, Μηχανολόγος Μηχανικός
Στο σημερινό μου άρθρο θα γράψω σε συντομία δύο λόγια, θα κάνω ένα σύντομο αφιέρωμα, για να συστήσω την κρυογενική ψύξη στους αναγνώστες μου ψυκτικούς, αφού όμως πρώτα τους εξομολογηθώ, ότι ο λόγος που μ’ έκανε ν’ αλλάξω γνώμη είναι τα ψυκτικά ρευστά και ο σάλος που ξεσπά, κατά καιρούς, γύρω απ’ αυτά.
Θεωρώ λοιπόν σκόπιμο, να κάνω μια σύντομη αναδρομή στο παρελθόν, σε σχέση με τη χρονολογική εξέλιξη των ψυκτικών ρευστών και την πορεία της καθιέρωσής τους και ύστερα να ασχοληθώ με την επικεφαλίδα του σημερινού μου άρθρου, την Κρυογενική ψύξη.
Τα ψυκτικά ρευστά του παρελθόντος
Με την επικράτηση της μηχανικής ψύξης, χρησιμοποιήθηκαν, αρχικά σαν ψυκτικά ρευστά: LS
- Το Διοξείδιο του Άνθρακα (CO2)
- Το Διοξείδιο του Θείου (SO2)
- To Χλωριούχο Μεθύλιο (CH3CI)
- Το Χλωριούχο Μεθυλένιο (CH2CI2)
- Το Βουτάνιο (C4H10), συστατικό των υγραερίων
καυσίμων - Το Προπάνιο (C3H8), επίσης συστατικό των υγραερίων και
- Η Αμμωνία (NH3)
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» ψυκτικά ρευστά που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η παγκόσμια παραγωγή καθιέρωσε τότε μια επαναστατική σειρά ψυκτικών ρευστών τους χλωριωμένους φθοριοάνθρακες, κύρια του μεθανίου και του αιθανίου, που χαρακτηρίζονται διεθνώς με τα γράμματα CFC, που είναι τα αρχικά του όρου «χλωριωμένοι φθοριοάνθρακες» στην Αγγλική γλώσσα. Είναι τα γνωστά μας FREON, που για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα έλυσαν ικανοποιητικά τα προβλήματα των ψυκτικών μηχανικών και των εργοστασίων κατασκευής ψυκτικών μηχανών, σ’ολόκληρο τον κόσμο. Από τη σειρά των FREON ξεχώρισαν, όπως ξέρετε:
- To R12 _ Διχλωρο-διφθορομεθάνιο (CF2CI2)
- To R22 _ Μονοχλωρο – διφθορομεθάνιο (CHF2CI) και
- To R502 _ (Μίγμα)
Αυτά ικανοποιούσαν τις απαιτήσεις των τεχνικών σε πολλούς τομείς. Δεν ήταν εύφλεκτα και εκρηκτικά, όπως το βουτάνιο και το προπάνιο. Δεν ήταν τοξικά, όπως η Αμμωνία. Είχαν χαμηλή πίεση και θερμοκρασία συμπύκνωσης, που σημαίνει εύκολη υγροποίηση και αποβολή θερμότητας, σε αντίθεση με το CO2. Εδώ πρέπει να αναφέρω, ότι το R22 έχει πίεση συμπύκνωσης 12kg/cm² στους +30°C ενώ η πίεση συμπύκνωσης του CO2, στην ίδια θερμοκρασία, είναι 73kg/cm². Τα FREON είχαν βαθμό απόδοσης 84% στον κύκλο λειτουργίας (κύκλος CARNOT),όταν το CO2 έχει 45% κάλυψαν για μεγάλο χρονικό διάστημα τις ανάγκες των τεχνικών, της βιομηχανίας και της αγοράς, μέχρι το 1995.
Τα Ψυκτικά ρευστά του παρόντος
Έρευνες απέδειξαν ότι το χλώριο επηρεάζει το Όζον του φυσικού μας περιβάλλοντος. Πιο συγκεκριμένα το χλώριο «απωθεί» ή «εκτοπίζει» το όζον, προκαλώντας την πολυσυζητημένη «τρύπα του όζοντος» (OZON DEPLETION), μια επικίνδυνη κατάσταση, που προκαλεί έλλειψη οξυγόνου, με ότι αυτό συνεπάγεται για τους ανθρώπους. Το όζον εμποδίζει την υπεριώδη ακτινοβολία να φθάσει στη Γή και με τον τρόπο αυτό προστατεύει τον άνθρωπο, σαν ένα φίλτρο. Οι κίνδυνοι αυτοί ανάγκασαν τα πιο πολλά κράτη να πάρουν κατεπείγοντα μέτρα και να υπογράψουν στις 31 Δεκεμβρίου 1995 το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ, που τέθηκε σε ισχύ από την επόμενη κιόλας ημέρα, την 1 Ιανουαρίου 1996. Με τη συμφωνία αυτή απαγορεύτηκε η παραγωγή προϊόντων που περιέχουν χλώριο, οπότε διακόπηκε και η παραγωγή των χλωριωμένων φθοριοανθράκων, ακόμη και των ψυκτικών ρευστών μεγάλου φάσματος, όπως ήταν το R12, το R22, και το R502. Όπως ασφαλώς θυμάστε δόθηκε μια περίοδος χάριτος μόνο στο R22, γιατί αυτό επηρέαζε το περιβάλλον 20 φορές λιγότερο από τα άλλα δύο. Με το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ θεσπίστηκαν νέα κριτήρια για τα Ψυκτικά ρευστά, που πρέπει να μην επηρεάζουν το περιβάλλον, γι αυτό τα ονομάζουν «οικολογικά». Οι βιομηχανίες παραγωγής ψυκτικών ρευστών άρχισαν να παράγουν και να διαθέτουν στην αγορά ψυκτικά ρευστά, αντικαταστάτες εκείνων που καταργήθηκαν, με τα ίδια θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά περίπου, αλλά με λιγότερο ή καθόλου χλώριο. Είναι τα FREON που χρησιμοποιούμε σήμερα που κυκλοφορούν σε 2 σειρές:
α/ Υδρογονωμένοι φθοριοάνθρακες (HFC), όπως το R404A, το R407A και το R407B.
β/ Υδρογονωμένοι – χλωριωμένοι – φθοριοάνθρακες (HCFC), όπως το R134A, το R401A, το R402B, το R407C, το R408A, το R409Aκ.α. Η σειρά αυτή σαν προϊόντα είναι τα ίδια με τα προηγούμενα, αλλά περιέχουν ίχνη χλωρίου.
Για τα FREON που χρησιμοποιούμε σήμερα άρχισε μια «οικολογική γκρίνια» από το 2005, που έβαλε στόχο αυτή τη φορά, όχι μόνο τα ίχνη χλωρίου των HCFC, αλλά και το φθόριο που περιέχουν τόσο τα HCFC, όσο και τα HFC, δηλαδή και οι δύο σειρές των ψυκτικών ρευστών, που χρησιμοποιούμε σήμερα. Σιγά – σιγά η «γκρίνια» αυτή πήρε την επίσημη μορφή του Κανονισμού 517/2014 της Ευρωπαϊκής Ένωσης, βάσει του οποίου:
α/ Μειώνεται σταδιακά η παραγωγή των ψυκτικών ρευστών που χρησιμοποιούμε σήμερα, στο 21%, από το 2020 μέχρι το 2030. Κατά συνέπεια περιορίζεται η εισαγωγή, η διακίνηση και η χρήση.
β/ Ορισμένα ψυκτικά ρευστά δεν καταργούνται, αλλά εύκολα καταλαβαίνει οποιοσδήποτε, ότι αυτά θα είναι δυσεύρετα και ασφαλώς ακριβά, λόγω της περιορισμένης παραγωγής.
γ/ Επιβάλλονται απαγορεύσεις χρήσης στις περισσότερες περιπτώσεις γνωστών μας εφαρμογών από το 2020 μέχρι το 2030.
δ/ Ο κανονισμός 517/2014 επιτρέπει χωρίς κανένα περιορισμό τη χρήση της υγρής Αμμωνίας (NH3), ιδιαίτερα στις ψυκτικές εγκαταστάσεις μεγάλης ισχύος. Η Αμμωνία είναι ένα άριστο ψυκτικό ρευστό, υψηλής απόδοσης και χαμηλού κόστους, αλλά είναι πολύ τοξική και απαιτείται καλή γνώση της τεχνολογίας της.
ε/ Ο κανονισμός 517/2014, ανασύρει από την αφάνεια του παρελθόντος και επιτρέπει τη χρήση χωρίς κανένα περιορισμό σε ψυκτικά ρευστά, όπως το Βουτάνιο και το Προπάνιο που είναι, όπως προαναφέρθηκε, εκρηκτικά και εύφλεκτα. Είναι τα γνωστά μας υγραέρια.
Στ/ Ο κανονισμός 517/2014, ανασύρει από την αφάνεια του παρελθόντος και το Διοξείδιο του άνθρακα και επιτρέπει τη χρήση του, χωρίς κανένα περιορισμό, σαν ψυκτικό ρευστό. Το CO2 χρησιμοποιήθηκε κατά το παρελθόν σε κάποιες ψυκτικές εγκαταστάσεις, αλλά έχει αρκετές σημαντικές διαφορές από τα άλλα ψυκτικά ρευστά, που πρέπει να τις αναφέρουμε.
Το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ το είχε καταδικάσει το 1995 επειδή αυξάνει τη μέση θερμοκρασία της Γής. Κατά τη λειτουργία του αναπτύσσει υψηλές πιέσεις. Για παράδειγμα η πίεση συμπύκνωσης στους +30οC είναι 73kg/cm², όταν η αντίστοιχη πίεση του R22 είναι 12kg/cm². Αυτές οι πιέσεις (1040 psi) απαιτούν συμπιεστές ισχυρής κατασκευής και με ειδικά εξαρτήματα στεγάνωσης, δηλαδή υδραυλικούς λαβύρινθους κ.α. που σημαίνουν υψηλό κόστος. Έχει χαμηλή κρίσιμη θερμοκρασία, μόλις +31οC, που σημαίνει χαμηλή λανθάνουσα θερμότητα, με αποτέλεσμα να αναπτύσσει χαμηλό βαθμό απόδοσης, ενώ απαιτεί μεγάλη ισχύ ηλεκτροκινητήρα, λόγω των υψηλών πιέσεων λειτουργίας.
Μέσα σ’αυτό το λαβύρινθο των συγκρουόμενων απόψεων για τα ψυκτικά ρευστά, που καθιερώνονται τη μια μέρα και αρχίζει η αμφισβήτησή του από την επόμενη.
Μέσα στον κυκεώνα των κανονισμών, που καταδικάζουν ένα ψυκτικό ρευστό και ύστερα από κάμποσο καιρό το ανασύρουν και το ξανακαθιερώνουν με την ίδια ευκολία, που το είχαν καταδικάσει, σκέφθηκα κι εγώ να αλλάξω τη γνώμη μου, να ανασκευάσω την αποφασή μου και να γράψω δύο λόγια για την κρυογενική ψύξη. Όλα πια μπορεί να τα περιμένει κανείς, ακόμη και μια «προφητική» αλλαγή γνώμης.
Η Κρυογενική ψύξη
Ο όρος «κρυογενική» ψύξη, που χρησιμοποιείται διεθνώς, προέρχεται από την Ελληνική γλώσσα και σημαίνει «γένεση» ψύχους. Σε ελεύθερη μετάφραση σημαίνει «παραγωγή ψύχους». Σαν τεχνικός όρος αναφέρεται στην περιοχή των πιο χαμηλών θερμοκρασιών της φύσης, που αρχίζει από τους -90°C και φθάνει στο απόλυτο 0, δηλαδή στους -273°C, που είναι το 0 της κλίμακας Κέλβιν (0°Κ).
Στην κρυογενική ψύξη χρησιμοποιούνται ορισμένα υγρά, ή μάλλον υγροποιημένα αέρια και η θερμοκρασία, που μπορούμε να πετύχουμε εξαρτάται από το υγροποιημένο αέριο που θα χρησιμοποιήσουμε. Ο παρακάτω πίνακας δίνει τις θερμοκρασίες βρασμού και επομένως τις θερμοκρασίες που μπορούμε να πετύχουμε με τα πιο συνηθισμένα κρυογενικά υγροποιημένα αέρια, σε κανονικές συνθήκες:
- Αιθυλένιο _90°C (183οK)
- Μεθάνιο _161°C (112οK)
- Οξυγόνο _183°C (87οK)
- Αέρας _186°C (84οk)
- Άζωτο _196°C (74οk)
- Νέον _246°C (24οK)
- Υδρογόνο _253°C (17οK)
- Ήλιον _269°C (4οK)
Για τη μέτρηση των κρυογενικών θερμοκρασιών χρησιμοποιείται η κλίμακα, Κέλβιν, που έχει αρχή μετρήσεων το απόλυτο μηδέν, δηλαδή η θερμοκρασία στην οποία μηδενίζεται ο όγκος των αερίων, δηλαδή παύουν να υπάρχουν αέρια. Το 0 της κλίμακας Κέλβιν αντιστοιχεί στους _273°C και στους _460°F.
Η εξέλιξη της κρυογενικής
Η βάση της κρυογενικής μηχανικής ήταν η υγροποίηση του αζώτου (_196°C)από τον Linde και τον Dewar το 1898 και του ηλίου (_269°C) από τον Kemmerling Onnes, το 1908. Ήταν τεράστιο το επιστημονικό ενδιαφέρον, αλλά σχεδόν ανύπαρκτο το εμπορικό. Αυτό μέτρησε αρνητικά για την εξέλιξη της κρυογενικής. Μέχρι το 1940 η έρευνα στον τομέα αυτό γίνονταν μόνο σε λίγα πανεπιστήμια της Ευρώπης και της Αμερικής. Ένα μεγάλο άλμα έγινε το 1947, όταν το τεχνολογικό ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (Μ.Ι.Τ.) κατασκεύασε τον Υγροποιητή Ηλίου του Collins, με τον οποίο η έρευνα έφθασε στη θερμοκρασία βρασμού του ηλίου _269°C σε κανονικές συνθήκες. Λίγο αργότερα οι ίδιοι ερευνητές έφθασαν στην κρίσιμη θερμοκρασία του ηλίου, στους _272°C, που είναι η υψηλή θερμοκρασία της υγρής κατάστασης αυτού του αερίου και απέχει μόλις 1°C από το απόλυτο 0. Παράλληλα με τις έρευνες αυτές μελετήθηκε η συμπεριφορά των μετάλλων στις κρυογενικές θερμοκρασίες και προέκυψαν νέα κράματα. Έτσι αυξήθηκε το εμπορικό ενδιαφέρον για τις εφαρμογές των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών, που είναι κατά κύριο λόγο:
- η βιομηχανοποιημένη υγροποίηση αερίων, η ασφαλής αποθήκευσης και η μεταφορά τους με
ειδικά διασκευασμένα πλοία - η πολεμική βιομηχανία
- η βιομηχανία διαπλανητικών προγραμμάτων και
- η κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση
Η εγκατάσταση κρυογενικής ψύξης
Η κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση είναι πολύ απλή. Δεν χρησιμοποιούνται τα μηχανικά συγκροτήματα της συμβατικής ψύξης, δηλαδή δεν υπάρχει ο συμπιεστής, ούτε ο εξατμιστής (αεροψυκτήρας), ούτε ο συμπυκνωτής. Το «ψυκτικό ρευστό» δεν εξατμίζεται μέσα σε αεροψυκτήρες – εξατμιστές, απορροφώντας θερμότητα από το χώρο του ψυγείου και τα αποθηκευμένα ευπαθή προϊόντα. Ούτε συμπυκνώνεται σε συμπυκνωτές, απορρίπτοντας τη θερμότητα που περιέχει, ώστε να μετατραπεί πάλι σε υγρό, για να επαναλάβει τον κύκλο του, όπως γίνεται στη συμβατική ψυκτική εγκατάσταση. Δεν θα είναι υπερβολή να αναφέρουμε, ότι η κρυογενική ψύξη αγοράζεται «έτοιμη» από τις χημικές βιομηχανίες αερίων, συσκευασμένη σε ειδικές δεξαμενές, σε μορφή υγροποιημένου αερίου, που συνήθως είναι άζωτο. Το αέριο αυτό έχει καθιερωθεί, γιατί είναι φθηνό, πολύ ασφαλές στη χρήση του και αδρανές.
Το υγροποιημένο άζωτο από την ειδική δεξαμενή του οδηγείται στο χώρο του ψυγείου, ψεκάζεται σε μορφή νέφους μέσα στο ψυκτικό θάλαμο, πάνω στα αποθηκευμένα ευπαθή, διαχέεται και απορροφά θερμότητα για να φθάσει σε θερμοκρασία βρασμού. Έτσι ο χώρος και τα προϊόντα ψύχονται και μπορούν να φθάσουν γρήγορα (ταχεία ψύξη) στην επιθυμητή θερμοκρασία, που ρυθμίζει ένας θερμοστάτης χώρου και μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Η θερμοκρασία του χώρου μπορεί να πλησιάσει κοντά στους _196°C, που είναι η θερμοκρασία βρασμού του υγρού αζώτου. Ύστερα από την ενέργειά τους οι ατμοί του αζώτου απορρίπτονται στην ατμόσφαιρα, χωρίς να επαναλάβουν τον κρυογενικό ψυκτικό κύκλο τους.
Η κρυογενική ψυκτική εγκατάσταση είναι πιο απλή από τη συμβατική, χωρίς αυτό να σημαίνει, ότι δεν έχει κι αυτή τη δική της τεχνολογία. Η ψυκτική εγκατάσταση είναι πολύ πιο μικρού κόστους, αλλά το λειτουργικό κόστος είναι διπλάσιο της συμβατικής, με τα σημερινά δεδομένα. Ψυκτικές εγκαταστάσεις υγροποιημένου αζώτου χρησιμοποιούνται σε φούρνους βαθειάς κατάψυξης, σε αυτοκίνητα μεταφοράς ευπαθών, σε ψυκτικούς θαλάμους παράλληλα με τη συμβατική για λόγους ασφάλειας και στα Νοσοκομεία, για τη διατήρηση βιολογικού υλικού και μοσχευμάτων. Πρέπει να σημειωθεί, ότι ιδιαίτερα στους φούρνους βαθειάς κατάψυξης η κρυογενική εγκατάσταση παρουσιάζει μεγάλα πλεονεκτήματα, διότι η γρήγορη κατάψυξη των προϊόντων έχει σαν αποτέλεσμα τη διατήρηση του χρώματος, του αρώματος και των φυσικών συστατικών του προϊόντος. Επί πλέον οι κυτταρικές δομές παραμένουν ανέπαφες και τα φαινόμενα ενζυμάτων ή βακτηριακών αλλοιώσεων είναι ανύπαρκτα.
Σ’ αυτό βοηθά όχι μόνο η χαμηλή θερμοκρασία επεξεργασίας αλλά και η ουδέτερη ατμόσφαιρα που δημιουργούν οι ατμοί του κρυογενικού αερίου.
