Θέματα Εξετάσεων Πιστοποιήσεων Ψυκτικών Μηχανικών

Συμπυκνωτές – Φάσεις συμπύκνωσης ψυκτικών ρευστών – Ψυκτικής ισχύς – Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά – Κλιμάκωση της ισχύος (capacity control).

Συμπύκνωση γενικά σημαίνει υγροποίηση ενός ατμού με αφαίρεση θερμότητας, δηλαδή μετατροπή του ατμού σε υγρό με ψύξη.

Ο συμπιεστής της ψυκτικής εγκατάστασης αναρροφά τους ξηρούς ατμούς του ψυκτικού υγρού μέσα από τους αυλούς του αεροψυκτήρα – εξατμιστή με σταθερή χαμηλή πίεση και αντίστοιχη θερμοκρασία, που είναι η γνωστή μας πίεση και θερμοκρασία αναρρόφησης ή εξάτμισης. Τους συμπιέζει (αδιαβατικά) με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πίεσή τους και η θερμοκρασία τους, οπότε ο ξηρός ατμός που αναρροφήθηκε μετατρέπεται σε υπέρθερμο και στην κατάσταση αυτή μπαίνει μέσα στον συμπυκνωτή για να υγροποιηθεί, υπό σταθερή υψηλή πίεση και θερμοκρασία, ίση με την πίεση κατάθλιψης του συμπιεστή, γνωστή σ’ εμάς και σαν πίεση και θερμοκρασία συμπύκνωσης. Η συμπίεση των ατμών είναι τόση, όση χρειάζεται για να φθάσουν σε θερμοκρασία κορεσμού, αρκετά πιο πάνω από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, που σημαίνει και του μέσου που θα χρησιμοποιηθεί για τη ψύξη του συμπυκνωτή, δηλαδή του ατμοσφαιρικού αέρα στην περίπτωση του αερόψυκτου, του νερού αν πρόκειται για υδρόψυκτο ή του αέρα και του νερού στην περίπτωση του εξατμιστικού συμπυκνωτή. Όταν ένας υπέρθερμος ατμός ψύχεται, μόλις η θερμοκρασία του πέσει στη θερμοκρασία κορεσμού (ή βρασμού), τότε αρχίζει να συμπυκνώνεται. Με επιπλέον ψύξη ο ατμός αποβάλλει την λανθάνουσα θερμότητα και υγροποιείται, δηλαδή συμπυκνώνεται. Οι συμπυκνωτές λοιπόν είναι έτσι κατασκευασμένοι, ώστε να πραγματοποιούν τη διαδικασία που μόλις τώρα αναφέρθηκε. Αποτελούνται από τρείς ομάδες αυλών, που είναι:

• Οι αυλοί αφυπερθέρμανσης ή αφυπερθερμαντές
• Οι αυλοί υγροποίησης και
• Οι αυλοί απόψυξης του συμπυκνώματος

Οι φάσεις συμπύκνωσης των ατμών του ψυκτικού ρευστού πραγματοποιούνται μέσα στις τρεις ομάδες αυλών του συμπυκνωτή, όπως αναφέρεται πιο κάτω. Ο συμπιεστής καταθλίβει τους υπέρθερμους ατμούς του ψυκτικού υγρού μέσα στους αυλούς αφυπερθέρμανσης, στους οποίους οι ατμοί αφυπερθερμαίνονται, δηλαδή ψύχονται μερικά, απορρίπτοντας την υπερθέρμανση που απέκτησαν με τη συμπίεση του συμπιεστή, οπότε φθάνουν στη θερμοκρασία κορεσμού. Σε θερμοκρασία κορεσμού οι ατμοί μπαίνουν στη δεύτερη ομάδα αυλών, που είναι οι αυλοί συμπύκνωσης, μέσα στους οποίους συμπυκνώνονται, καθώς αποβάλλουν τη λανθάνουσα θερμότητα, δηλαδή τη θερμότητα που απορρόφησαν από τον ψυκτικό θάλαμο και τα αποθηκευμένα ευπαθή προϊόντα. Στη συνέχεια το συμπύκνωμα περνά μέσα από τους αυλούς απόψυξης, όπου ψύχεται ακόμη πιο πολύ, για να αποθηκευτεί μέσα στο δοχείο υγρού, πάντα σε κατάσταση κορεσμού, με υψηλή πίεση ίση με την πίεση κατάθλιψης του συμπιεστή, και θερμοκρασία λίγο πιο πάνω από εκείνη του περιβάλλοντος. Τώρα το συμπύκνωμα – ψυκτικό υγρό – είναι έτοιμο να επαναλάβει τον ανεκτίμητο κύκλο του.

Η ψυκτική ισχύς του συμπυκνωτή μπορεί να αναφέρεται και σαν «απορριπτόμενη θερμότητα» στα τεχνικά εγχειρίδια κάποιων κατασκευαστών. Ο όρος όχι μόνο είναι απλά αποδεκτός, αλλά είναι πιο εύκολα κατανοητός και απόλυτα πραγματικός, αφού μέσω του συμπυκνωτή απορρίπτεται θερμότητα. Είναι προφανές, ότι για να φέρει σε πέρας τον προορισμό του ο συμπυκνωτής πρέπει να είναι ικανός να απορρίψει:

• τη θερμότητα που προσδόθηκε στους ατμούς κατά τη συμπίεσή τους και τους έκανε υπέρθερμους και
• τη θερμότητα που απορροφήθηκε από τον ψυκτικό θάλαμο και τα αποθηκευμένα προϊόντα, μέσω του αεροψυκτήρα.

Πρακτικά όλα τα παραπάνω σημαίνουν ότι η ψυκτική ισχύς του συμπυκνωτή ισούται με το άθροισμα της ψυκτικής ισχύος του αεροψυκτήρα και της ισχύος του ηλεκτροκινητήρα του συμπιεστή, δηλαδή:

Qσυμπυκνωτή = Q αεροψυκτήρα + Ν ηλεκτροκινητήρα

Στον απλό αυτό τύπο είναι απαραίτητο η ισχύς του αεροψυκτήρα Qα και η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα του συμπιεστή Νκ να εκφράζονται στην ίδια μονάδα, δηλαδή σε W και σας θυμίζω ότι οι kcal/h του αεροψυκτήρα μετατρέπονται σε W αν διαιρέσουμε δια 0,86.

Ο τύπος υπολογισμού της ψυκτικής ισχύος ενός συμπυκνωτή διαφοροποιείται από κάποιο συντελεστή διόρθωσης, στην περίπτωση του αερόψυκτου, ώστε να ληφθεί υπ’ όψη η θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα και η διακύμανση της θερμοκρασίας συμπύκνωσης.

Τα κύρια κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των συμπυκνωτών:

1/ Ο υδρόψυκτος συμπυκνωτής

Έχει πιο ψηλή και πιο σταθερή απόδοση από τους συμπυκνωτές. Το μεγάλο μειονέκτημά του είναι η μεγάλη κατανάλωση νερού, που υπολογίζεται σε 900 λίτρα ανά ίππο, ανά ώρα. Είναι η βασική αιτία που επικράτει σαν ολοκληρωτικά μόνο στις ναυτικές εγκαταστάσεις, αφού κατά τη λειτουργία τους ψύχονται με θαλασσινό νερό, σαν ειδικές κατασκευές με αυλούς από νικελιούχο χαλκό (cupronickel), ώστε να αντιστέκονται στις διαβρώσεις.

Κατασκευαστικά υπολογίζονται για διαφορική θερμοκρασία νερού Δt=5oC, που σημαίνει ότι το νερό ψύξης βγαίνει από τον συμπυκνωτή με θερμοκρασία 5^ο C πιο ψηλή από τη θερμοκρασία εισόδου. Τότε η διαφορική θερμοκρασία λειτουργίας Δt=10^ο C, δηλαδή η θερμοκρασία συμπύκνωσης των ατμών του ψυκτικού υγρού, είναι 10^ο C πιο ψηλή από τη θερμοκρασία του νερού ψύξης.

Αν λάβουμε τη θερμοκρασία του νερού 25oC, τότε η θερμοκρασία συμπύκνωσης είναι 35^ο C και στις συνθήκες αυτές η πίεση συμπύκνωσης, δηλαδή η πίεση κατάθλιψης του συμπιεστή, είναι 12,5kg/cm² για τα ισότιμα ψυκτικά υγρά του τέως R22. Για να πραγματοποιηθεί αυτή η αξιοσημείωτη απόδοση η ενεργός επιφάνεια εναλλαγής των αυλών ψύξης είναι περίπου 0,5m² ανά ίππο ισχύος του ηλεκτροκινητήρα του συμπιεστή.

2/ Ο αερόψυκτος συμπυκνωτής

Είναι ο πιο οικονομικός τύπος συμπυκνωτή της ψυκτικής εγκατάστασης, ο πιο απλός στην εγκατάστασή του, ο πιο ελαφρύς στη λειτουργία του και ο πιο εύκολος στη συντήρησή του. Με αυτά τα χαρακτηριστικά έχει επικρατήσει ολοκληρωτικά στις εγκαταστάσεις ξηράς. Το μεγάλο του μειονέκτημα είναι ότι η πίεση και η θερμοκρασία συμπύκνωσης αυξάνονται υπερβολικά με την αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, με ταυτόχρονη μείωση όχι μόνο της ψυκτικής ισχύος του συμπυκνωτή, αλλά και ολόκληρης της εγκατάστασης. Επιπλέον η αύξηση της πίεσης κατάθλιψης του συμπιεστή, οδηγεί σε πιο γρήγορη φθορά και αυξημένο κόστος συντήρησης, αλλά και σε κατανάλωση περισσότερης ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή σε αυξημένο λειτουργικό κόστος.

Κατασκευαστικά υπολογίζονται να λειτουργούν με Δt=15oC, δηλαδή η θερμοκρασία συμπύκνωσης είναι 15oC πιο πάνω από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Έτσι, όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι 25^ο C, τότε η θερμοκρασία συμπύκνωσης είναι 40^ο C. Στη θερμοκρασία αυτή, η πίεση συμπύκνωσης και κατά συνέπεια η πίεση κατάθλιψης του συμπιεστή, είναι περίπου 14kg/cm² για ισότιμα ψυκτικά υγρά του τέως R22. Όταν όμως η θερμοκρασία του περιβάλλοντος ανεβεί στους 35oC, τότε η θερμοκρασία συμπύκνωσης είναι 50^ο C και η πίεση κατάθλιψης του συμπιεστή 19kg/cm² για τα ψυκτικά υγρά που αναφέρονται πιο πάνω. Αξίζει να σημειωθεί ότι στις συνθήκες αυτές η απόδοση του συμπυκνωτή, αλλά και ολόκληρης της εγκατάστασης ελαττώνεται κατά 15%.

Τα κύρια κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των αερόψυκτων συμπυκνωτών είναι περίπου τα παρακάτω:

• Ενεργός ψυκτική επιφάνεια 4 έως 4,5m² ανά 1100W ισχύος
• Ροή αέρα ψύξης 350m³/hr ανά 1100W ψυκτικής ισχύος
• Όγκος αυλών 0,45 λίτρα ανά 1100W
• Ισχύς ηλεκτροκινητήρων ανεμιστήρων 1 HP ανά 2500m³/h
• Ταχύτητα αέρα ψύξης 2,5m/sec

3/ O εξατμιστικός συμπυκνωτής

Η υψηλή κατανάλωση νερού των υδρόψυκτων συμπυκνωτών και η μειωμένη απόδοση των αερόψυκτων σε υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος, επέβαλαν την κατασκευή και χρήση των εξατμιστικών συμπυκνωτών, ιδιαίτερα στις ψυκτικές εγκαταστάσεις μεγάλης ισχύος και βιομηχανίες παραγωγής κατεψυγμένων προϊόντων. Το μεγάλο πλεονέκτημα του εξατμιστικού συμπυκνωτή είναι ότι μπορεί να διατηρεί σταθερή τη θερμοκρασία συμπύκνωσης στους 40oC (όπως ο υδρόψυκτος περίπου) ακόμη και όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι 35oC, αν γίνει σωστή επιλογή κατά το στάδιο της μελέτης της ψυκτικής εγκατάστασης. Κατά τη λειτουργία του, για τη συμπύκνωση των υπέρ- θερμων ατμών, χρησιμοποιεί τον ατμοσφαιρικό αέρα που παρέχουν ισχυροί ανεμιστήρες, αλλά ταυτόχρονα και νερό φυσικής θερμοκρασίας, που είναι αποθηκευμένο στο κάτω μέρος του συμπυκνωτή που είναι διαμορφωμένο σε δεξαμενή. Αυτό το νερό ανακυκλοφορεί με αντλία, ψεκάζεται πάνω στους αυλούς και καταλήγει πάλι στη δεξαμενή, αφού πρώτα ψυχθεί από το ισχυρό ρεύμα αέρα. Μια προσομοίωση της λειτουργίας του εξατμιστικού συμπυκνωτή είναι ο ψεκασμός του αερόψυκτου συμπυκνωτή με νερό, που κάνετε εσείς για να ελαττώσετε την πίεση κατάθλιψης.

Το μεγάλο μειονέκτημα του εξατμιστικού συμπυκνωτή είναι το μεγάλο βάρος του, που οφείλεται τόσο στο βάρος της κατασκευής, όσο και στο βάρος του νερού που αποθηκεύεται μέσα στη δεξαμενή του. Ο εξατμιστικός συμπυκνωτής μπορεί να εγκατασταθεί σε υπαίθριο χώρο κοντά στο μηχανοστάσιο, ενώ οι ταράτσες των κτιρίων είναι το πιο συνηθισμένο μέρος. Στην περίπτωση όμως αυτή χρειάζεται κάποια συνεννόηση με έναν μηχανικό, ο οποίος θα υποδείξει το ασφαλέστερο σημείο της ταράτσας για την εγκατάσταση του συμπυκνωτή. Αυτό κρίνεται απαραίτητο επειδή το βάρος είναι μεγάλο και το μεγαλύτερο μέρος βρίσκεται ψηλά, γιατί εκεί είναι εγκατεστημένες οι δέσμες των αυλών και οι ανεμιστήρες. Αυτό είναι ένα επιβαρυντικό σημείο, ιδιαίτερα για τις περιπτώσεις σεισμών.

Τα κύρια κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, ανά 100kw ψυκτικής ισχύος του συμπυκνωτή είναι:

• Παροχή αέρα 7500m³/h
• Ανακυκλοφορία νερού 10.000m³/h
• Βάρος λειτουργίας 600kgs (περίπου)

Κλιμάκωση ισχύος (Capacity control) των συμπυκνωτών

Για να διατηρείται σταθερή η πίεση συμπύκνωσης, όταν τα φορτία της εγκατάστασης είναι μειωμένα και η ζήτηση των ψυκτικών θαλάμων είναι περιορισμένη, γίνεται κλιμάκωση της ισχύος του συμπυκνωτή, όπως και στην περίπτωση του συμπιεστή (Capacity control).

Στον υδρόψυκτο συμπυκνωτή τοποθετείται μια θερμοστατική βάνα στην έξοδο του νερού, που ρυθμίζει την ποσότητα του νερού που θα περνά, δηλαδή τη ψύξη των ατμών, ώστε να διατηρείται η επιθυμητή πίεση συμπύκνωσης (η πίεση κατάθλιψης του συμπιεστή).

Στον αερόψυκτο συμπυκνωτή ρυθμίζεται με πρεσσοστάτη ο αριθμός των ανεμιστήρων που θα λειτουργεί, καθώς και ο χρόνος ξεκινήματος ενός εκάστου, ώστε να διατηρείται η επιθυμητή πίεση συμπύκνωσης.

Στον εξατμιστικό συμπυκνωτή ρυθμίζεται με πρεσσοστάτες το ξεκίνημα της αντλίας του νερού και ο αριθμός των ανεμιστήρων που θα λειτουργούν, ώστε να διατηρείται η επιθυμητή πίεση συμπύκνωσης. Γίνεται εύκολα κατανοητό, ότι η κατάσταση απλουστεύεται αν στους ανεμιστήρες χρησιμοποιούνται κινητήρες μεταβλητής συχνότητας (inverters).