Η χρήση ζεοτροπικών μειγμάτων ως εργαζόμενων μέσων σε συστήματα αντλιών θερμότητας αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη λύση για τη βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων αυτών και, κατά συνέπεια, για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε θέρμανση και ψύξη.
Γράφουν οι κ. Δ. Γονιδάκη και Ε. Μπέλλος*
Η μετάβαση σε αποδοτικότερα και περιβαλλοντικά φιλικότερα συστήματα θέρμανσης και ψύξης είναι μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις της ενεργειακής μετάβασης. Η αντλία θερμότητας έχει σημαντικό ρόλο στην απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και στην ενσωμάτωση της ηλεκτρικής ενέργειας στο ενεργειακό σύστημα, ενώ παράλληλα συμβάλλει στην επίτευξη του στόχου της Ευρωπαϊκής Ένωσης για μηδενικές καθαρές εκπομπές έως το 2050.
Το εργαζόμενο μέσο παίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση της αντλίας θερμότητας και στην κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή θέρμανσης ή ψύξης. Παράλληλα, η αυστηροποίηση των κανονισμών σχετικά με τη χρήση ψυκτικών μέσων έχει περιορίσει τη χρήση ορισμένων συμβατικών επιλογών και ενισχύει την ανάγκη αναζήτησης εναλλακτικών λύσεων.
Σε αυτό το πλαίσιο, τα ζεοτροπικά μείγματα αναδεικνύονται σε πολλά υποσχόμενα εργαζόμενα μέσα, καθώς μπορούν αφενός να διευρύνουν τις διαθέσιμες επιλογές ψυκτικών μέσων και αφετέρου να συμβάλουν στη βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων.
Το ζεοτροπικό μείγμα
«Μείγματα» εν γένει καλούνται οι συνδυασμοί δύο ή περισσότερων καθαρών ουσιών. Ανάλογα με τη συμπεριφορά τους κατά την αλλαγή φάσης, τα μείγματα διακρίνονται σε ζεοτροπικά και αζεοτροπικά. Στις καθαρές ουσίες, όπως είναι το προπάνιο (R290), η αλλαγή φάσης πραγματοποιείται υπό σταθερή θερμοκρασία για δεδομένη πίεση. Αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση των ζεοτροπικών μειγμάτων. Οι διαφορετικές πτητικότητες και θερμοδυναμικές ιδιότητες των συστατικών οδηγούν σε μεταβολή της θερμοκρασίας κατά την αλλαγή φάσης.
Η διαφορά της θερμοκρασίας στην αρχή και στο τέλος της ατμοποίησης ή της συμπύκνωσης ονομάζεται «θερμοκρασιακή κλίση» και παίρνει από μικρές έως πολύ μεγάλες τιμές, καθώς εξαρτάται από το συνδυασμό ουσιών και από τη σύσταση του σχηματιζόμενου μείγματος.
Για παράδειγμα, το μείγμα ισοβουτανίου και προπανίου με 50% συγκέντρωση ισοβουτανίου (R600a / R290 [0,5 / 0,5]) παρουσιάζει μέγιστη θερμοκρασιακή κλίση 8°C, ενώ το εξάνιο/ισοβουτάνιο (Hexane/R600a [0,5 / 0,5]) παρουσιάζει 45°C θερμοκρασιακή κλίση. Η ιδιότητα αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική και παίζει σημαντικό ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων στα οποία εφαρμόζονται οι ουσίες αυτές.
Η σημασία της θερμοκρασιακής κλίσης
Η ύπαρξη θερμοκρασιακής κλίσης κατά την αλλαγή φάσης μειώνει τη μέση θερμοκρασιακή διαφορά των ρευστών στους εναλλάκτες, μειώνοντας την καταστροφή εξέργειας και οδηγώντας σε βελτίωση του συνολικού βαθμού απόδοσης του συστήματος (Coefficient of performance [COP]).
Πρακτικά επιτυγχάνεται καλύτερο «ταίριασμα» των θερμοκρασιακών προφίλ του εργαζόμενου μέσου και του θερμαινόμενου / ψυχόμενου ρευστού. Για παράδειγμα, σε μία εφαρμογή ζεστού νερού χρήσης, στο συμπυκνωτή θερμαίνεται νερό από τους 20°C στους 45°C.
Στην περίπτωση του καθαρού εργαζόμενου μέσου, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή κατά τη συμπύκνωση, αυξάνοντας τη θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα σε νερό και εργαζόμενο μέσο. Αντίθετα, με ένα κατάλληλα επιλεγμένο μείγμα επιδιώκεται η θερμοκρασιακή κλίση του να ισούται με αυτή του νερού, φέρνοντας τα θερμοκρασιακά προφίλ όσο το δυνατόν παράλληλα.
Αυτό είναι θερμοδυναμικά επιθυμητό, επειδή επιτρέπει στο εργαζόμενο μέσο να πλησιάσει περισσότερο τη θερμοκρασία της πηγής ή του αποδέκτη. Το φαινόμενο αυτό απεικονίζεται στην εικόνα 1, όπου γίνεται αντιληπτό ότι η χρήση του μείγματος οδηγεί σε καλύτερο ταίριασμα των ρευστών στους εναλλάκτες του συστήματος, συνεπώς και στη μείωση της καταστροφής εξέργειας.
Ως αποτέλεσμα, το σύστημα αποκτά μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης (Coefficient Of Performance), που μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 30% σύμφωνα με έρευνες της βιβλιογραφίας.
Απεικόνιση θερμοδυναμικού κύκλου αντλίας θερμότητας σε διάγραμμα θερμοκρασίας – ειδικής εντροπίας (T-s) για καθαρή ουσία (σχήμα αριστερά)-, και ζεοτροπικό μείγμα (σχήμα δεξιά).
Αντικατάσταση συμβατικών μέσων
Πέρα από τη θετική επίδραση στην απόδοση των αντλιών θερμότητας, τα ζεοτροπικά μείγματα προσφέρουν επίσης ένα πλήθος νέων επιλογών σε εργαζόμενα μέσα. Οι περιβαλλοντικοί περιορισμοί που έχουν επιβληθεί στη χρήση ορισμένων ψυκτικών μέσων –όπως των χλωροφθορανθράκων (π.χ. R12) των υδροχλωροφθορανθράκων (π.χ. R22) και αρκετών υδροφθορανθράκων (π.χ. R134a)– έχουν περιορίσει τη χρήση αρκετών από τα έως τώρα ευρέως χρησιμοποιούμενα ψυκτικά μέσα σε συστήματα ψύξης και αντλιών θερμότητας.
Παράλληλα, φυσικά εργαζόμενα μέσα όπως είναι το διοξείδιο του άνθρακα (R744), η αμμωνία (R717) και ορισμένοι υδρογονάνθρακες (προπάνιο [R290], βουτάνιο [R600], ισοβουτάνιο [R600a] κ.ά.), όπως και περιβαλλοντικά φιλικά συνθετικά εργαζόμενα μέσα, όπως οι υδροφθοροολεφίνες (π.χ. R1234ze(E)), είναι πλέον στο επίκεντρο της έρευνας.
Ωστόσο, καθένα από αυτά παρουσιάζει διαφορετικούς περιορισμούς, όπως είναι για παράδειγμα οι υψηλές πιέσεις λειτουργίας του διοξειδίου του άνθρακα, η υψηλή ευφλεκτότητα των υδρογονανθράκων, η τοξικότητα της αμμωνίας και η ήπια ευφλεκτότητα των υδροφθοροολεφινών.
Υπό το πρίσμα αυτό, η δυνατότητα συνδυασμού διαφορετικών εργαζόμενων μέσων για τη σύσταση ζεοτροπικών μειγμάτων δεν αυξάνει μόνο το εύρος των διαθέσιμων επιλογών, αλλά επιτρέπει και την προσαρμογή των θερμοφυσικών και θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του μείγματος στις απαιτήσεις κάθε εφαρμογής.
Προβλήματα
Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα των ζεοτροπικών μειγμάτων, η αξιοποίησή τους συνοδεύεται από ορισμένες τεχνικές προκλήσεις. Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα είναι η πιθανή διαρροή ψυκτικού και η μεταβολή της σύστασης του μείγματος.
Επειδή τα επιμέρους συστατικά παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες, η πιο πτητική ουσία κινδυνεύει να διαρρεύσει ταχύτερα από τη λιγότερο πτητική, με αποτέλεσμα να αλλάξει η αρχικά σχεδιασμένη σύσταση του μείγματος, επομένως και η συμπεριφορά του κύκλου.
Επιπλέον, η καλύτερη θερμοκρασιακή αντιστοίχιση μειώνει τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ των δύο ρευστών, αλλά οδηγεί στην ανάγκη για μεγαλύτερη επιφάνεια εναλλαγής και στην αύξηση του κόστους του συστήματος.
Τέλος, ο σχεδιασμός και η λειτουργία ενός συστήματος με ζεοτροπικό μείγμα είναι πιο σύνθετα σε σχέση με ένα καθαρό ψυκτικό, καθώς πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ταυτόχρονα η μεταβολή θερμοκρασίας κατά την αλλαγή φάσης, η τοπική μεταβολή της σύστασης, καθώς και η συμπεριφορά του συμπιεστή.
Επομένως, η επιλογή ενός ζεοτροπικού μείγματος δεν μπορεί να βασίζεται μόνο στο θεωρητικό συντελεστή απόδοσης (Coefficient Of Performance [COP]) ή στο μέγεθος της θερμοκρασιακής κλίσης, αλλά απαιτεί ολοκληρωμένη βελτιστοποίηση του ψυκτικού, των εναλλακτών και του συμπιεστή ως ενιαίου συστήματος.
Πρακτικές εφαρμογές
Τα ζεοτροπικά μείγματα παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε εφαρμογές όπου η θερμοκρασία της πηγής ή του αποδέκτη μεταβάλλεται σημαντικά. Με την κατάλληλη επιλογή μείγματος για κάθε εφαρμογή, επιδιώκεται η καλύτερη δυνατή αντιστοίχιση των θερμοκρασιακών προφίλ και, κατ’ επέκταση, η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης.
Έτσι, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα θέρμανσης και ψύξης κτιρίων, στην παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, καθώς και σε βιομηχανικές εφαρμογές, προσαρμόζοντας κάθε φορά τη θερμοκρασιακή κλίση και τις ιδιότητες του μείγματος στις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής.
Στην πράξη, υπάρχουν ήδη τυποποιημένα εμπορικά ζεοτροπικά μείγματα που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ψύξης, κλιματισμού και αντλιών θερμότητας, με χαρακτηριστικό παράδειγμα το R407C. Επίσης έχουν εισαχθεί σε διάφορες εφαρμογές ως εναλλακτικές λύσεις νεότερα μείγματα, όπως τα R448A, R449A και R454C.
Ωστόσο, η συστηματική σχεδίαση αντλίας θερμότητας με ζεοτροπικό μείγμα με στόχο την αντιστοίχιση της θερμοκρασιακής κλίσης με τα θερμοκρασιακά προφίλ της πηγής και του αποδέκτη αποτελεί κυρίως αντικείμενο σύγχρονης έρευνας.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν μεταξύ άλλων μείγματα υδρογονανθράκων, υδροφθοροολεφινών και συνδυασμοί τους, όπως R600/R601, R290/R1233zd (E), R601/R152a/R1234ze (Z), καθώς και μείγματα που περιλαμβάνουν εργαζόμενα μέσα με υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία, όπως είναι το κυκλοεξάνιο, τα οποία έχουν μελετηθεί για αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών και σε αρκετές περιπτώσεις έχουν αξιολογηθεί πειραματικά σε εργαστηριακές διατάξεις.
Συμπεράσματα
Για την επόμενη γενιά αντλιών θερμότητας, τα ζεοτροπικά μείγματα αξιολογούνται ως μια ενδιαφέρουσα επιλογή. Η δυνατότητα ελέγχου της θερμοκρασιακής κλίσης και προσαρμογής των ιδιοτήτων του εργαζόμενου μέσου στις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης, που φτάνει μέχρι και το 30%, ενώ παράλληλα διευρύνει τις δυνατότητες αξιοποίησης διαθέσιμων και περιβαλλοντικά καταλληλότερων ψυκτικών μέσων.
Παρότι ζητήματα όπως η μεταβολή της σύστασης σε περίπτωση διαρροής, η ανάγκη κατάλληλου σχεδιασμού των εναλλακτών και η αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος απαιτούν προσεκτική αντιμετώπιση, οι τεχνικές αυτές προκλήσεις είναι σε μεγάλο βαθμό διαχειρίσιμες μέσω κατάλληλου σχεδιασμού και ελέγχου διαρροής.
Επομένως, τα ζεοτροπικά μείγματα δεν αποτελούν απλώς μια θεωρητική λύση, αλλά μια τεχνικά εφικτή και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία, με σημαντικές προοπτικές για αποδοτικότερες, πιο ευέλικτες και περιβαλλοντικά φιλικότερες αντλίες θερμότητας.
* Η κ. Δήμητρα Γονιδάκη είναι υποψήφια διδάκτορας του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής. Ο κ. Ευάγγελος Μπέλλος είναι επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών, στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής.
