Μια απλοποιημένη μέθοδος υπολογισμού της ψυκτικής ισχύος και της ενεργού επιφάνειας ενός ψυκτήρα υγρών (CHILLER)

Γράφει ο Δημήτρης Μενεγάκης, Μηχανολόγος – Μηχανικός

Πριν ακόμα ξεκινήσω την ανάπτυξη του σημερινού μου άρθρου οφείλω μια ειλικρινή εξήγηση στους φίλους αναγνώστες του περιοδικού μας, που έχει σχέση με την επιλογή του θέματος. Για την επιλογή αυτή είχα τρία ισχυρά ερεθίσματα. Το πρώτο είναι η τραγελαφική κατάσταση που διαμορφώνεται στη χρήση των φθοριούχων ψυκτικών υγρών, που όλοι βιώνουμε. Το δεύτερο ερέθισμά μου είναι η βεβαιότητα με την οποία οδηγούμαστε προς τη χρήση των φυσικών ψυκτικών ρευστών, αφού προς αυτά μας σπρώχνουν Νόμοι, Κανονισμοί και προφήτες. Το τρίτο μου ερέθισμα είναι τα άρθρα του συναδέλφου Νίκου Χαριτωνίδη στα πρόσφατα τεύχη του περιοδικού μας, που κάνουν πράξη τις προφητείες για τη χρήση των φυσικών ψυκτικών ρευστών.

Στο σημείο αυτό θα ζητήσω και μια συγνώμη, που θα ανοίξω μια παρένθεση, αναβάλλοντας για λίγο ακόμη το ξεκίνημα του σημερινού μου άρθρου. Η παρένθεση ανοίγεται  για να σας υπενθυμίσω κατ’ αρχάς ποια είναι τα φυσικά ρευστά. Αυτά είναι: τα ακόλουθα έξι:

•  Το R 290 (προπάνιο)
•  Το R 600 Α (βουτάνιο)
•  Το R 170 (αιθάνιο)
•  Το R 1270 (προπυλένιο)
•  Το R 744 (διοξείδιο του άνθρακα, το γνωστό μας CO₂)
•  Το R 717 (άνυδρη αμμωνία NH₃)

Από αυτά τα τέσσερα πρώτα, είναι υψηλής ευφλεξιμότητας και τοξικότητας, το πρώτο μάλιστα και το δεύτερο είναι γνωστά μας υγραέρια, στις φιάλες οικιακής χρήσης. Το πέμπτο στη σειρά το διοξείδιο του άνθρακα, όχι μόνο δεν είναι εύφλεκτο, αλλά χρησιμοποιείται σαν μέσο κατάσβεσης (CO₂). Και φθάνουμε στο έκτο και τελευταίο, το R 717, την αμμωνία, που έχει τις πιο καλές θερμοδυναμικές αποδόσεις, έχει GWP μηδενικό, είναι φθηνή και έχει χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη έκταση σε ψυκτικές εγκαταστάσεις μεγάλης ισχύος, τόσο στη στεριά, όσο και στη θάλασσα, έχει όμως τη ʺρετσινιάʺ του επικίνδυνου αερίου.

Υπό κανονικές συνθήκες είναι αέριο άχρωμο, πολύ τοξικό, πολύ βλαβερό για το αναπνευστικό μας σύστημα, με ισχυρή και δυσάρεστη μυρωδιά. Δεν αναφλέγεται εύκολα, όταν όμως θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία διασπάται στα ιόντα της, δηλαδή μετατρέπεται σε άζωτο και υδρογόνο, οπότε το παραγόμενο μίγμα αερίων είναι πολύ εκρηκτικό. Η αμμωνία προσβάλλει το χαλκό και τον ορείχαλκο, όχι όμως το χάλυβα, ούτε το σίδηρο. Λόγω της έντονης και τοξικής μυρωδιάς της δεν πρέπει να χρησιμοποιείται στις ψυκτικές εγκαταστάσεις σαν ψυκτικό υγρό άμεσης εκτόνωσης, γιατί σε περίπτωση διαρροής προσβάλλει ανεπανόρθωτα και καταστρέφει τελείως τα αποθηκευμένα προϊόντα. Ενδείκνυται πάντα σε ψυκτικές εγκαταστάσεις έμμεσης εκτόνωσης, στις οποίες χρησιμοποιείται και ένα δευτερεύον υγρό, που είναι συνήθως, το νερό, η άλμη, η γλυκόλη και η προπυλενογλυκόλη, για να μεταφέρει τη ψύξη στους αεροψυκτήρες των ψυκτικών θαλάμων. Έναντι όλων αυτών των μειονεκτημάτων, η αμμωνία παρουσιάζει τα παρακάτω τρία σοβαρά πλεονεκτήματα:

• έχει την πιο υψηλή θερμοδυναμική απόδοση και την πιο υψηλή λανθάνουσα θερμότητα, χωρίς να είναι περισσότερο επικίνδυνη από τα υπόλοιπα πέντε φυσικά υγρά
• ανταγωνίζεται πλήρως τα φθοριούχα ψυκτικά υγρά
• και είναι πολύ φθηνή.

Στο σημείο αυτό κρίνω σκόπιμο να αναφέρω τα κύρια θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά της αμμωνίας, που πλησιάζουν τη μέση τιμή των φθοριούχων, την οποία θα αναφέρω μέσα σε παρένθεση, για να κάνετε τη δική σας σύγκριση:

σημείο βρασμού	_33˚C (_42)
πίεση εξάτμισης στους 15˚C	2,4 kg/cm2 (3)
πίεση συμπύκνωσης στους 30˚C	12 kg/cm2 (12)
κρίσιμη θερμοκρασία	132˚C (115)
κρίσιμη πίεση	116 kg/cm2 (118)
ενθαλπία ατμών στους  _15˚C	398 kcal/kg  (400)
απόδοση στον κύκλο Carnot	83% (87%)

Έχουμε λοιπόν ένα φυσικό υγρό, χαμηλής τιμής, με μηδενικό συντελεστή GWP, υποστηριζόμενο από τους κανονισμούς διεθνώς, με άριστα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά με τις ίδιες αντίστοιχες μέσες τιμές των φθοριούχων. Μπορούμε συνεπώς να βασιστούμε σ’ αυτό αν καταφέρουμε και τιθασεύσουμε το μεγάλο της μειονέκτημα της ισχυρής δυάρεστης μυρωδιάς. Αυτό είναι εφικτό με ένα ψυκτικό κύκλωμα έμμεσης ψύξης. Έτσι αυτό σημαίνει, ότι δημιουργώ ένα μηχανοστάσιο με ψυκτική εγκατάσταση αμμωνίας και στους αεροψυκτήρες των ψυκτικών θαλάμων κυκλοφορώ ένα ψυγμένο υγρό, που θα παίζει το ρόλο του μεταφορέα της ψύξης, όπως είναι το νερό, η γλυκόλη, η προπυλενογλυκόλη κ.α.

Η ψυκτική μου εγκατάσταση στο μέλλον θα περιλαμβάνει αναγκαστικά ένα δοχείο, μέσα στο οποίο θα ψύχεται το υγρό _ μεταφορέας με άμεση εκτόνωση αμμωνίας, δηλαδή ένας ψυκτήρας (chiller) και μια αντλία κυκλοφορίας. Ο μεταφορέας της ψύξης θα έχει τέτοια πυκνότητα, που θα παραμένει στην υγρή του κατάσταση σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, που αρχίζει από το +4˚C για κλιματισμό, μέχρι -30˚C για κατάψυξη. Τώρα βλέπετε ολοκάθαρα γιατί επέλεξα το σημερινό μου άρθρο. Αυτό το απαραίτητο chiller και ο απλουστευμένος υπολογισμός του είναι το άρθρο της σημερινής μου επιλογής. Ο υπολογισμός του ψυκτήρα έχει πάντα τέσσερις στόχους:

• τον υπολογισμό της ονομαστικής ψυκτικής ισχύος,
• τον υπολογισμό της ενεργού ψυχόμενης επιφάνειας
• τον υπολογισμό της ωριαίας παροχής ψυγμένου υγρού
• τον καθορισμό της πυκνότητας του υγρού μεταφορέα

1.Υπολογισμός ενός ψυκτήρα νερού (CHILLER) που λειτουργεί με (ΑΜΜΩΝΙΑ) R717

Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι ένα δοχείο κυλινδρικό με αφαιρετά πώματα στα άκρα του και με μια δέσμη αυλών στο εσωτερικό του. Το κυλινδρικό δοχείο είναι κατασκευασμένο από χαλύβδινο σωλήνα χωρίς ραφή (τούμπο) μέχρι διάμετρο 400 mm. Από τη δάμετρο αυτή και πάνω το δοχείο είναι χαλύβδινο με ραφή πιστοποιημένης ποιότητας. Οι αυλοί μέσα στους οποίους κυκλοφορεί η αμμωνία είναι επίσης χαλύβδινοι με διάμετρο Φ10 και πάχος 0,7mm. Χρησιμοποιούνται για να ψύχουν νερό μέχρι τους +4˚C και πάντα με δύο θερμοστάτες ασφαλείας για να αποφεύγεται σίγουρα το πάγωμα του νερού, που όπως καταλαβαίνετε αν συμβεί θα είναι μια πλήρης καταστροφή του ψυκτήρα. Εξωτερικά μονώνονται συνήθως με φύλλα Armaflex, πάχους 1/2″ (12,5 mm).

Υπολογισμός της ονομαστικής ψυκτικής ισχύος του ψυκτήρα νερού

Για τον υπολογισμό χρησιμοποιήσετε τον πίνακα που σας παραθέτω και σας συμβουλεύω να τον φυλάξετε σαν ʺκόρη οφθαλμούʺ. Για να τον συγκροτήσω δούλεψα πολλές ώρες, έλυσα αναρίθμητα προβλήματα για τη συνθεσή του και τον χρησιμοποιούσα μια ολόκληρη ζωή στις μελέτες μου για λόγους ευκολίας, και γρηγοράδας, σε συνδιασμό πάντα με την απαιτούμενη ακρίβεια. Παρακάτω σας περιγράφω αυτό τον πίνακα, σας τον χαρίζω και ευχομαι σε όλους σας ʺκαλή χρήσηʺ.

Στην πρώτη στήλη αριστερά αναφέρεται η μέση διαφορική θερμοκρασία Δtm του ψυκτήρα, που είναι η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας εξόδου του ψυγμένου νερού από τον ψυκτήρα και της θερμοκρασίας εξάτμισης της αμμωνίας μέσα στους αυλούς του ψυκτήρα, που είναι ταυτόχρονα, η θερμοκρασία αναρρόφησης των ατμών της αμμωνίας από το συμπιεστή. Σ’ αυτούς τους ψυκτήρες νερού δουλεύω πάντα με θερμοκρασία εξάτμισης της αμμωνίας 0˚C. Αν υποθέσουμε ότι μέσα στον ψυκτήρα σας το νερό ψύχεται στους +6˚C, τότε αυτό το Δtm της πρώτης στήλης του πίνακα είναι 6 (6-0=6). Για ακόμη μεγαλίτερη ευκολία σας αυτό το Δtm εκφράζει πάντα και τη θερμοκρασία του παραγόμενου ψυχρού νερού, αφού δουλεύω με θερμοκρασία εξάτμισης 0˚C.

Στη δεύτερη στήλη του πίνακα αναφέρεται η διαφορική θερμοκρασία , Δt του νερού, που είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του νερού από τον ψυκτήρα σας. Με άλλα λόγια αν το νερό ψύχεται στους +6˚C και επιστρέφει από τα fan coils στους +12˚C, τότε το Δt του νερού είναι 6 (12-6=6).

Στην τρίτη στήλη του πίνακα φαίνεται η θερμοκρασία εισόδου του νερού στο ψυκτήρα, καθώς επιστρέφει από τα fan coils. Αυτή βρίσκεται αν προσθέσουμε τη διαφορική θερμοκρασία Δtm του ψυκτήρα και τη διαφορική θερμοκρασία Δt του νερού (6+6=12).

Στις δύο επόμενες στήλες του πίνακα αναφέρεται ένα πολύ – πολύ χρήσιμο στοιχείο για τον υπολογισμό σας. Είναι η ονομαστική ψυκτική ισχύς ανά τετραγωνικό μέτρο της ενεργού επιφάνειας του ψυκτήρα. Η ισχύς για δική σας ευκολία αναφέρεται σε kw (τέταρτη στήλη) και kcal ανά ώρα, (Πέμπτη στήλη). Στην τελευταία στήλη του πίνακα αναφέρεται ένα χρησιμότατο ακόμη στοιχείο, η παροχή ψυγμένου νερού σε λίτρα ανά ώρα, για κάθε τετραγωνικό μέτρο της ενεργού ψυκτικής επιφάνειας (αυλοί) του ψυκτήρα.

Παράδειγμα

Χρειάζομαι ένα ψυκτήρα νερού (chiller) που θα λειτουργεί με αμμωνία σε θερμοκρασία εξάτμισης 0˚C και θα ψύχει 10.000 λίτρα νερό ανά ώρα από τους 12˚C στους 6˚C. Ζητώ να μάθω την ονομαστική ψυκτική ισχύ του ψυκτήρα και την ενεργό ψυχόμενη επιφάνεια του, για να τον παραγγείλω στον προμηθευτή μου. Για τον υπολογισμό του ψυκτήρα μου χρησιμοποιώ τον πόνακα, ακολουθώντας την παρακάτω μέθοδο:

1/ Καταγράφω τις θερμοκρασίες λειτουργίας του ψυκτήρα
Θερμοκρασία εξάτμισης της αμμωνίας 0˚C
Θερμοκρασία του ψυχόμενου νερού (έξοδος) 6˚C
Επομένως το Δtm του ψυκτήρα είναι 6-0=6˚C

2/ Καταγράφω τις θερμοκρασίες του νερού

Θερμοκρασία του ψυγμένου νερού (έξοδος) 6˚C

Θερμοκρασία επιστροφής στο ψυκτήρα (είσοδος) 12˚C

Άρα το Δt του νερού είναι 12-6=6˚C

3/ Με αυτά τα δύο στοιχεία, δηλαδή το Δt του ψυκτήρα και το Δt του νερού πάω στον πίνακα και τα εντοπίζω (στο σημείο *) και στην ευθεία γραμμή διαβάζω:

Ισχύς ανά τετρ. Μέτρο 17 kw ή 14580 kcal/hr

Παροχή κρύου νερού ανά τετρ. μέτρο 2430 λίτρα/hr

Ο στόχος μου είναι να υπολογίσω την ονομαστική ψυκτική ισχύ και την ενεργό ψυχόμενη επιφάνεια του ψυκτήρα που χρειάζομαι. Με τα στοιχεία που έχω ήδη στα χέρια μου αυτό είναι μια εύκολη υπόθεση. Βρήκα ότι κάθε τετραγωνικά μέτρα της ψυχόμενης επιφάνειας θα μου δίνει 2430 λίτρα παγωμένο νερό σε μια ώρα.

Για να πάρω λοιπόν τα 10.000 λίτρα ο ψυκτήρας μου πρέπει να έχει ψυχόμενη επιφάνεια

Πρέπει ακόμα να υπολογίσω την ονομαστική ισχύ του ψυκτήρα. Ο πίνακάς μου έχει δώσει ότι κάθε τετρ. Μέτρο θα έχει ισχύ 14580 kcal/h άρα τα 4,1m²  θα έχουν ισχύ 4,1 × 14580=59778 kcal/h ή 17×4,1=69,7 kw.

Από τον προμηθευτή μου λοιπόν θα ζητήσω ένα ψυκτήρα νερού, που θα λειτουργεί με αμμωνία και θα έχει ονομαστική ψυκτική ισχύ 70 kw ή 60.000kcal/h και ψυχόμενη επιφάνεια 4,1 μέτρα τετραγωνικά.