Η αύξηση του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας και οι αυστηροί περιβαλλοντικοί περιορισμοί έχουν αναγκάσει τις βιομηχανίες να στραφούν σε εναλλακτικές τεχνολογίες προκειμένου καλύψουν τις αυξημένες ανάγκες σε ψύξη. Η ψύξη με απορρόφηση αποτελεί μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται ήδη σε επαγγελματικούς χώρους, προσφέροντας σημαντικά πλεονεκτήματα.
Γράφουν οι κ. Π. Λύκας και Ε. Μπέλλος*
Η ψύξη αποτελεί μία από τις σημαντικότερες ενεργειακές ανάγκες της σύγχρονης βιομηχανίας, καθώς πολλές παραγωγικές διαδικασίες απαιτούν ψύξη για τη διατήρηση προϊόντων, ή τον έλεγχο χημικών διεργασιών.
Παραδοσιακά, οι ανάγκες σε ψύξη καλύπτονται από ψυκτικές μηχανές που βασίζονται στον κύκλο συμπίεσης ατμού εργαζόμενων μέσων, οι οποίες καταναλώνουν σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, η συνεχής αύξηση του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας και η ανάγκη μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα έχουν στρέψει το ενδιαφέρον προς εναλλακτικές τεχνολογίες, όπως είναι η ψύξη με απορρόφηση.
Τύποι και χαρακτηριστικά
Οι ψύκτες απορρόφησης (absorption chillers) παρουσιάζουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ότι αξιοποιούν θερμότητα αντί της ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό τους επιτρέπει να αξιοποιούν πηγές θερμότητας που διαφορετικά θα απορριπτόταν στο περιβάλλον, όπως είναι η απορριπτόμενη θερμότητα βιομηχανικών διεργασιών, η οποία μπορεί να βρίσκεται σε μορφή καυσαερίων ή θερμών υδάτων. Επιπλέον, δύνανται να χρησιμοποιηθούν και άλλες πηγές θερμότητας χαμηλής ή μέσης θερμοκρασίας, όπως θερμότητα από ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες, βιομάζα ή γεωθερμία.
Σε αντίθεση με τα συμβατικά ψυκτικά συστήματα που χρησιμοποιούν μηχανικό συμπιεστή, τα συστήματα απορρόφησης βασίζονται σε ένα ζεύγος εργαζόμενων μέσων, δηλαδή σε ένα ψυκτικό μέσο και ένα μέσο απορρόφησης, το οποίο είναι ένα υγρό διάλυμα. Οι πιο διαδεδομένοι τύποι εργαζόμενων ζευγών είναι το ζεύγος βρωμιούχου λιθίου / νερού (LiBr/H₂O), που είναι κατάλληλο για παραγωγή ψυχρού νερού περίπου 5-10°C, αλλά και το ζεύγος νερού / αμμωνίας (H2O/NH3), που είναι κατάλληλο για χαμηλότερες θερμοκρασίες ψύξης, ακόμη και κάτω από το μηδέν.
Κύκλος ψύξης
Ο κύκλος ψύξης με απορρόφηση επιτυγχάνεται με 4 βασικές συσκευές: τον ατμοποιητή, τον απορροφητή, τον αναγεννητή και το συμπυκνωτή.
Αρχικά το ψυκτικό μέσο, δηλαδή το νερό, εξατμίζεται στον ατμοποιητή υπό χαμηλή πίεση απορροφώντας θερμότητα από το προς ψύξη ρεύμα, με αποτέλεσμα να παράγεται το επιθυμητό ψυκτικό φορτίο. Ο παραγόμενος υδρατμός οδηγείται στον απορροφητή (absorber), όπου απορροφάται από το μέσο απορρόφησης που είναι το διάλυμα βρωμιούχου λιθίου. Η διεργασία αυτή είναι εξώθερμη και συνοδεύεται από απόρριψη θερμότητας προς το περιβάλλον.
Στη συνέχεια το διάλυμα, το οποίο πλέον έχει μικρότερη συγκέντρωση βρωμιούχου λιθίου, κατευθύνεται μέσω της αντλίας προς τον αναγεννητή (generator), όπου του προσδίδεται θερμότητα από εξωτερική πηγή, όπως από θερμό νερό ή απορριπτόμενη θερμότητα βιομηχανικής διεργασίας. Μέσω της παρεχόμενης θερμότητας εκλύονται ατμοί του ψυκτικού μέσου εντός του αναγεννητή, με αποτέλεσμα το διάλυμα που εξέρχεται από τον αναγεννητή να βρίσκεται σε υψηλότερη συγκέντρωση βρωμιούχου λιθίου.
Ο παραγόμενος ατμός οδηγείται στον συμπυκνωτή, όπου αποβάλλει θερμότητα προς το περιβάλλον και υγροποιείται. Το υγρό ψυκτικό μέσο διέρχεται από εκτονωτική βαλβίδα, μειώνοντας την πίεσή του, και εισέρχεται ξανά στον ατμοποιητή, ολοκληρώνοντας τον κύκλο του ψυκτικού μέσου.
Σε πολλές περιπτώσεις, το διάλυμα που εξέρχεται από τον αναγεννητή διέρχεται από έναν εναλλάκτη θερμότητας, όπου προθερμαίνει το εισερχόμενο διάλυμα που προέρχεται από τον απορροφητή, και στη συνέχεια εκτονώνεται πριν επιστρέψει στον απορροφητή. Η ανάκτηση θερμότητας στον εναλλάκτη αυξάνει την ενεργειακή απόδοση του συστήματος και μειώνει τις απαιτήσεις θερμότητας στον αναγεννητή.
Η αρχή λειτουργίας του κύκλου ψύξης με απορρόφηση απεικονίζεται στο σχήμα 1.
Κύκλος ψύξης με απορρόφηση με εργαζόμενο ζεύγος βρωμιούχο λίθιο / νερό.
Απόδοση
Οι απαιτούμενες θερμοκρασίες εξαρτώνται από τον τύπο του ψύκτη απορρόφησης. Οι ψύκτες μονού σταδίου (single-effect) περιλαμβάνουν έναν αναγεννητή και αποτελούν την πιο διαδεδομένη λύση στη βιομηχανία.
Οι τυπικές θερμοκρασίες για τη θερμική πηγή κυμαίνονται μεταξύ 80-120°C, για το ψυχρό νερό μεταξύ 6-12°C ενώ για το νερό ψύξης μεταξύ 25-35°C. Οι ψύκτες διπλού σταδίου (double effect), που έχουν δύο αναγεννητές, προσφέρουν υψηλότερη απόδοση αλλά απαιτούν θερμότερη πηγή ενέργειας, με τυπικές θερμοκρασίες 140 – 180°C.
Η απόδοση των ψυκτών απορρόφησης εκφράζεται μέσω του συντελεστή συμπεριφοράς (Coefficient of Performance [COP]), ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της παραγόμενης ψυκτικής ισχύος προς την απαιτούμενη θερμική ισχύ. Ο COP για συστήματα μονού σταδίου κυμαίνεται μεταξύ 0,6 και 0,8, ενώ για τα συστήματα διπλού και τριπλού σταδίου τα αναμενόμενα εύρη COP είναι 1,0 – 1,3 και 1,4 – 1,7 αντίστοιχα.
Αν και οι τιμές αυτές είναι χαμηλότερες από εκείνες των συμβατικών ηλεκτρικών ψυκτών, η θερμική ενέργεια που χρησιμοποιείται είναι συχνά διαθέσιμη χωρίς επιπλέον κόστος. Για το λόγο αυτό, η συνολική οικονομική απόδοση μπορεί να είναι ιδιαίτερα ελκυστική.
Κόστος
Από οικονομική σκοπιά, το αρχικό κόστος εγκατάστασης ενός ψύκτη απορρόφησης είναι συνήθως υψηλότερο από αυτό ενός συμβατικού ψυκτικού συγκροτήματος. Για μικρές μονάδες, το κόστος κυμαίνεται από 500 έως 1.000 ευρώ ανά kW ψύξης, ενώ για μεγάλες βιομηχανικές μονάδες, το αναμενόμενο εύρος κόστους είναι 300 – 700 ευρώ. Παρ’ όλα αυτά, το λειτουργικό κόστος είναι σημαντικά χαμηλότερο όταν υπάρχει διαθέσιμη απορριπτόμενη θερμότητα.
Η ηλεκτρική κατανάλωση ενός ψύκτη απορρόφησης περιορίζεται κυρίως στις αντλίες, στους ανεμιστήρες του πύργου ψύξης και στα βοηθητικά συστήματα ελέγχου. Έτσι, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι έως και 80% χαμηλότερη σε σύγκριση με αντίστοιχες ηλεκτροκίνητες ψυκτικές μονάδες.
Σχετικά με την περίοδο αποπληρωμής, στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται συνήθως 2-4 έτη για εγκαταστάσεις με διαθέσιμη απορριπτόμενη θερμότητα όλο το έτος, και 4 με 7 έτη για συστήματα που λειτουργούν εποχιακά.
Εφαρμογές
Η τεχνολογία ψύξης με απορρόφηση έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους, όπως στη βιομηχανία τροφίμων, όπου οι διεργασίες παραγωγής γαλακτοκομικών, ποτών και κατεψυγμένων προϊόντων απαιτούν σημαντικές ποσότητες ψύξης. Ταυτόχρονα, παράγονται μεγάλες ποσότητες απορριπτόμενης θερμότητας από λέβητες και ατμολέβητες.
Ακόμη, πολλές χημικές διεργασίες απαιτούν ταυτόχρονα θέρμανση και ψύξη. Οι ψύκτες απορρόφησης επιτρέπουν την αξιοποίηση της θερμότητας των αντιδράσεων για την παραγωγή ψύξης σε άλλα σημεία της εγκατάστασης.
Ώριμη τεχνολογία
Η ψύξη με απορρόφηση αποτελεί μια ώριμη και αξιόπιστη τεχνολογία για τη βιομηχανία, ιδιαίτερα όταν υπάρχει διαθέσιμη απορριπτόμενη θερμότητα. Παρότι οι ψύκτες απορρόφησης εμφανίζουν χαμηλότερο COP σε σύγκριση με τα συμβατικά ψυκτικά συγκροτήματα, η δυνατότητα αξιοποίησης θερμότητας που διαφορετικά θα χανόταν οδηγεί σε σημαντική μείωση του λειτουργικού κόστους και των εκπομπών άνθρακα.
Καθώς η ενεργειακή αποδοτικότητα και η απανθρακοποίηση της βιομηχανίας αποκτούν ολοένα μεγαλύτερη σημασία, η χρήση ψυκτών απορρόφησης αναμένεται να διαδραματίσει ακόμη σημαντικότερο ρόλο στη μετάβαση προς ένα πιο βιώσιμο μέλλον.
*Ο δρ. Παναγιώτης Λύκας είναι μηχανολόγος μηχανικός, απόφοιτος του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, ενώ ο κ. Ευάγγελος Μπέλλος είναι επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής (ΠΑ.Δ.Α.)
