Η θερμοκρασία του περιβάλλοντός μας είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν σε μέγιστο βαθμό την ποιότητα της διαβίωσής μας, ενώ αποτελεί και απαραίτητη προϋπόθεση πολλές φορές για την ποιότητα της εργασίας μας, αλλά ακόμα και για αυτή την επιβίωσή μας. Παρακάτω αναλύονται τρόποι και μέθοδοι λειτουργίας των ψυκτικών μηχανημάτων που παράγουν ψύξη και διαμορφώνουν τις κατάλληλες θερμοκρασιακές συνθήκες ενός χώρου.
Γράφει ο κ. Σάββας Σαββέλος*
Μπορούμε να φανταστούμε τη ζωή μας σήμερα χωρίς την τεχνολογία της ψύξης; Ας αναλογισθούμε το επίπεδο διαβίωσης που θα είχαμε χωρίς ψύξη σε τομείς όπως είναι οι παρακάτω:
– Βιομηχανικές διαδικασίες με απαιτήσεις χαμηλών θερμοκρασιών για την παραγωγή πληθώρας προϊόντων.
– Παραγωγή – συσκευασία, μεταφορά, συντήρηση και διατήρηση τροφίμων και ποτών.
– Τομέας εμπορίου και μεταφορών σε όλες τις πτυχές και δραστηριότητες.
– Χώροι εργασίας, κατοικίας, εκπαίδευσης, πολιτισμού, άθλησης, διασκέδασης κλπ.
– Ιατρικές και νοσοκομειακές υπηρεσίες.
– Παραγωγή και διακίνηση χημικών, καλλυντικών και φαρμακευτικών προϊόντων.
Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό πόσο σημαντική είναι η συνεισφορά της ψύξης στην κοινωνική και οικονομική εξέλιξη της ανθρωπότητας.
Με τον όρο «ψύξη» εννοούμε την αφαίρεση θερμότητας από έναν χώρο ή ένα σώμα με μηχανικό τρόπο και την απόρριψή της στο περιβάλλον, ώστε η θερμοκρασία του χώρου ή του σώματος να διατηρείται σε θερμοκρασία χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντός του.
Δηλαδή η παραγωγή ψύχους είναι ισοδύναμη έννοια με την αφαίρεση θερμότητας.
Σε μερικές εφαρμογές χρησιμοποιείται η διάταξη ψύξης αντίστροφα, ώστε να ψύξει το περιβάλλον, δηλαδή να αφαιρέσει θερμότητα από το περιβάλλον και να τη διοχετεύσει σε έναν χώρο για να τον θερμάνει. Στις περιπτώσεις αυτές η διάταξη ψύξης ονομάζεται «αντλία θερμότητας».
Όπως είναι γνωστό, η θερμότητα μπορεί να μεταδίδεται (να ρέει) από χώρους ή σώματα μόνο σε χώρους ή σώματα χαμηλότερης θερμοκρασίας (δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος).
Για να συμβεί το αντίθετο, δηλαδή να μεταφερθεί θερμότητα από χώρους ή σώματα χαμηλής θερμοκρασίας σε χώρους ή σώματα υψηλότερης θερμοκρασίας, πρέπει να δαπανηθεί ενέργεια· και αυτό γίνεται μέσω των μηχανικών – ψυκτικών διατάξεων, δηλαδή μέσω των ψυκτικών μηχανημάτων.
Για την παραγωγή ψύξης αναπτύχθηκαν διάφοροι μέθοδοι, οι οποίες διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες:
- Ψύξη χωρίς τη χρήση μηχανικού έργου: με πάγο νερού, με ξηρό πάγο CO2, με εξάτμιση υγρών και με θερμοηλεκτρική μέθοδο.
- Ψύξη με κλειστό θερμοδυναμικό κύκλο: με μηχανική συμπίεση ατμών ψυκτικού ρευστού, με απορρόφηση ατμών, με εκτόνωση αέρα και με εκτόξευση υδρατμού.
Συμπίεση ατμών
Τα ψυκτικά μηχανήματα που χρησιμοποιούνται σήμερα κατά κύριο λόγο, παράγουν ψύξη με τη μέθοδο συμπίεσης ατμών ψυκτικού μέσου, η οποία έχει επικρατήσει έναντι των άλλων μεθόδων ψύξης. Αυτό διότι για τις ζητούμενες θερμοκρασίες στις συνήθεις εφαρμογές βιομηχανικής ψύξης και κλιματισμού, η συμπίεση ατμών παρουσιάζει συγκριτικά πλεονεκτήματα, συνδυάζοντας το χαμηλό κόστος κατασκευής με την καλή απόδοση των μηχανημάτων.
Η λειτουργία των ψυκτικών μηχανών με συμπίεση ατμών ψυκτικού μέσου βασίζεται στον θερμοδυναμικό κύκλο ψύξης, ο οποίος χάρη στις ιδιότητες των ψυκτικών ρευστών, παρέχει τη δυνατότητα μεταφοράς ποσών θερμότητας κατά τη μεταβολή της κατάστασής τους σε τέσσερα βασικά επαναλαμβανόμενα στάδια – θερμοδυναμικές μεταβολές.
Κατά το πρώτο στάδιο λαμβάνει χώρα η ατμοποίηση – εξάτμιση του ψυκτικού μέσου, το οποίο διέρχεται διά μέσου ενός εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος ονομάζεται ατμοποιητής, αεροψυκτήρας ή εξατμιστής και ο οποίος τοποθετείται εντός του ψυκτικού θαλάμου. Εισέρχεται σε υγρή μορφή και σταδιακά ατμοποιείται – εξατμίζεται απορροφώντας θερμότητα από τον ψυκτικό θάλαμο και έτσι, μέχρι την έξοδό του από τον εξατμιστή έχει αλλάξει κατάσταση και έχει μετατραπεί σε αέριο.
Στο δεύτερο στάδιο του ψυκτικού κύκλου γίνεται η συμπίεση του ψυκτικού ρευστού. Το ψυκτικό μέσο σε αέρια κατάσταση αναρροφάται από το συμπιεστή της ψυκτικής διάταξης, ο οποίος, καταναλώνοντας συνήθως ηλεκτρική ενέργεια, συμπιέζει τους ατμούς του ψυκτικού μέσου, ώστε αυξάνοντας την πίεση να αυξηθεί και η θερμοκρασία του, που είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη διεργασία της αποβολής θερμότητας.
Κατά το τρίτο στάδιο λαμβάνει χώρα η υγροποίηση – συμπύκνωση του ψυκτικού μέσου. Το ψυκτικό μέσο σε αέρια κατάσταση και με υψηλή θερμοκρασία εισέρχεται σε έναν δεύτερο εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος ονομάζεται «συμπυκνωτής» και είναι τοποθετημένος εκτός του ψυκτικού θαλάμου, στο περιβάλλον. Το ψυκτικό ρευστό εισέρχεται στον συμπυκνωτή ως ατμός και σταδιακά υγροποιείται, αποβάλλοντας – απορρίπτοντας θερμότητα προς το περιβάλλον, και μέχρι την έξοδό του από τον συμπυκνωτή έχει αλλάξει κατάσταση και έχει μετατραπεί σε υγρό.
Στο τέταρτο στάδιο του ψυκτικού κύκλου γίνεται η εκτόνωση του ψυκτικού μέσου. Το ψυκτικό μέσο σε υγρά μορφή και με υψηλή πίεση εισέρχεται στην εκτονωτική βαλβίδα, και διερχόμενο από τη στραγγαλιστική διάταξη της βαλβίδας η πίεσή του υποβιβάζεται έντονα. Αυτό είναι απαραίτητο για την είσοδο του ψυκτικού μέσου εκ νέου στο εξατμιστή, όπου θα αρχίσει ένας νέος κύκλος με τη διαδικασία της εξάτμισης.
Για τη λειτουργία μίας ψυκτικής διάταξης, εκτός από τα παραπάνω βασικά τμήματα – εξαρτήματα της ψυκτικής μηχανής, είναι απαραίτητα και κάποια ακόμη εξαρτήματα για την εκπλήρωση βασικών λειτουργιών, όπως είναι η ρύθμιση της παροχής ψυκτικού ρευστού στον εξατμιστή, η ρύθμιση της ψυκτικής ισχύος, ο διαχωρισμός του ψυκτελαίου από το ψυκτικό ρευστό και η επιστροφή του στον συμπιεστή, η λειτουργία της απόψυξης και της αποπάγωσης κλπ.
Η πρόοδος της τεχνολογίας σήμερα μας προσφέρει τη δυνατότητα να έχουμε πληθώρα ψυκτικών μηχανημάτων, αναλόγως του είδους της εφαρμογής, του μεγέθους της εγκατάστασης και των προδιαγραφών που πρέπει να πληρούνται στις διάφορες ψυκτικές εγκαταστάσεις, σύμφωνα με τις αντίστοιχες μελέτες.
Τέλος, τα ψυκτικά μηχανήματα σήμερα κατασκευάζονται σύμφωνα με διεθνή πρότυπα και προδιαγραφές, για ικανοποίηση των απαιτήσεων στον τομέα της εξοικονόμησης ενέργειας. Επίσης ενσωματώνουν τεχνολογικές εξελίξεις όπως είναι η τεχνολογία inverter, οι τεχνικές ανάκτησης θερμότητας, οι εξελίξεις στον τομέα των υλικών και στον τομέα των αυτοματισμών και πολλά άλλα συστήματα, που συμβάλλουν στη μεγιστοποίηση της απόδοσης και στον περιορισμό της κατανάλωσης ενέργειας.
Ψυκτικά μηχανήματα – μέσα και περιβάλλον
Οι απαιτήσεις της εποχής μας για προστασία του περιβάλλοντος επηρεάζουν και την τεχνολογία της ψύξης, η οποία προσαρμόζεται στις αντίστοιχες τεχνολογικές εξελίξεις, με συνεχείς αλλαγές στην κατασκευή των ψυκτικών μηχανημάτων και εξαρτημάτων και γενικότερα των συστημάτων ψύξης – κλιματισμού.
Τα ψυκτικά ρευστά, δηλαδή τα εργαζόμενα ψυκτικά μέσα των ψυκτικών διατάξεων, καθορίζουν τα ψυκτικά μηχανήματα και αποτελούν βασικό κριτήριο σήμερα για την επιλογή του εξοπλισμού μιας ψυκτικής εγκατάστασης.
Κατέχουν κυρίαρχη θέση στην προσπάθεια προστασίας του περιβάλλοντος διεθνώς και ειδικά στην Ευρώπη, και αποτελούν αντικείμενο ελέγχων των ψυκτικών εγκαταστάσεων για τον περιορισμό των διαρροών τους στην ατμόσφαιρα. Επίσης λαμβάνονται μέτρα για περιορισμό της διάθεσής τους και για μετάβαση σε περισσότερο οικολογικά και ασφαλή ψυκτικά μέσα, ενώ θεσπίζονται κανόνες για τη χρήση και διαχείρισή τους από όλα τα εμπλεκόμενα μέρη.
Το 1995 έγινε απόσυρση των χλωροφθορανθράκων (CFCs: R-12, R-11, R-502 κλπ.) και το 2004 των υδροχλωροφθορανθράκων (HCFCs: R-22, R-123 κλπ.), λόγω της μεγάλης συμμετοχής που είχαν στην καταστροφή της στιβάδας του όζοντος στην ατμόσφαιρα (Ozone Depletion Potential [ODP]).
Από το 2014 με τον Ευρωπαϊκό Κανονισμό (ΕΕ) 517/2014 βρισκόμαστε σε διαδικασία περιορισμού της χρήσης και των νεότερων ψυκτικών μέσων των υδροφθορανθράκων (HFCs: R-134a, R-404A, R-407C, R-407F, R-410A, R-507A κλπ.), λόγω του υψηλού δυναμικού συμβολής στο φαινόμενο του θερμοκηπίου (Global Warming Potential [GWP])
Σήμερα (από τον Φεβρουάριο του 2024) με το νέο Ευρωπαϊκό Κανονισμό (ΕΕ) 2024/573, ο οποίος αντικατέστησε τον προηγούμενο κανονισμό του 2014, βαδίζουμε σε συντομότερη αντικατάσταση των υδροφθορανθράκων,με στόχο τη χρήση εναλλακτικών ψυκτικών μέσων φιλικών προς το περιβάλλον που έχουν πολύ χαμηλό GWP.
Τα ψυκτικά υγρά που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι τα παρακάτω:
- R-32, το οποίο αν και συγκαταλέγεται μεταξύ των υδροφθορανθράκων και είναι σε κατηγορία χαμηλής ευφλεκτότητας, χρησιμοποιείται τουλάχιστον μεταβατικά, γιατί έχει καλή απόδοση και σχετικά χαμηλό QWP (675), και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές κλιματισμού κυρίως.
- R-1234Ze & R-1234Yf, τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των υδροφθοροολεφίνων HFO.
- R-600A (ισοβουτάνιο), R-290 (προπάνιο) και R-1270 (προπυλένιο) τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των υδρογονανθράκων HC υψηλής ευφλεκτότητας.
- R-744 (διοξείδιο του άνθρακα, CO2) για μεγάλες εγκαταστάσεις εμπορικής ψύξης.
- R-717 (αμμωνία, ΝΗ3) για βιομηχανικές εγκαταστάσεις ψύξης.
Εκτός από την προστασία του περιβάλλοντος, κρίσιμα είναι και τα ζητήματα ασφάλειας που έρχονται στο προσκήνιο από τη χρήση των φυσικών ψυκτικών μέσων CO2 και NH3, αλλά και των εύφλεκτων υδρογονανθράκων (HC).
Γι’ αυτό η κατασκευή των ψυκτικών διατάξεων, η εγκατάσταση του εξοπλισμού, καθώς και η συντήρηση αυτών, επιβάλλεται να γίνεται αποκλειστικά και μόνο από καταρτισμένο, πιστοποιημένο και κατάλληλα εξειδικευμένο τεχνικό προσωπικό, όπως επιβάλλουν οι σχετικοί κανονισμοί. Επίσης πρέπει να τηρούνται όλα τα μέτρα ασφαλείας που προβλέπονται στον νέο κανονισμό για τους ελέγχους διαρροών, την εγκατάσταση συστημάτων ανίχνευσης και διαχείρισης διαρροών κλπ.
Είναι σίγουρο ότι τα ψυκτικά μηχανήματα, όποιες και να είναι οι εξελίξεις στα ψυκτικά ρευστά, θα συνεχίσουν να αποτελούν κριτήριο προόδου και υψηλού επιπέδου διαβίωσης, γιατί καλύπτουν ανάγκες σε σημαντικούς τομείς της καθημερινής ζωής μας.
*O κ. Σάββας Σαββέλος είναι μηχανολόγος μηχανικός ΤΕ, μέλος του Εποπτικού Συμβουλίου του Σ.Ε.Ψ.Ε. (Συνεταιρισμός Επαγγελματιών Ψυκτικών Ελλάδος).
