The-Greeker: ΦΟΙΤΗΤΙΚΗ ΓΩΝΙΑ: ΨΥΞΗ ΜΕ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ

Ο ψυκτικός κύκλος με απορρόφηση είναι μια διαδικασία κατά την οποία το ψυκτικό αποτέλεσμα παράγεται μέσα από την χρήση δύο ρευστών και μιας ποσότητας θερμότητας σαν είσοδο στο σύστημα, αντί ηλεκτρικής ενέργειας που θα τροφοδοτούσε έναν μηχανικό συμπιεστή.Η βασική διαφορά όμως των παραπάνω δύο (απορρόφηση και μηχανική συμπίεση) είναι ότι στη δεύτερη περίπτωση έχουμε την δημιουργία μιας διαφοράς πίεσης και άρα την κυκλοφορία του εργαζόμενου μέσου, ενώ στην πρώτη έχουμε διάλυση (απορρόφηση) του εργαζόμενου μέσου στο δεύτερο ρευστό, εν συνεχεία την μεταφορά του και τέλος την απομάκρυνση του, δηλαδή μια κυκλοφορία τριών σταδίων αντί ενός.

Πηγή: http://www.mhxanologos.com/?p=57
http://www.mhxanologos.com/?p=9

Ο βασικός ψυκτικός κύκλος με προσρόφηση αναφέρεται στην βιβλιογραφία πολύ συχνά και ως ενδιάμεσος βασικός κύκλος (intermittent basic cycle). Τα περισσότερα πειράματα που έχουν γίνει και οι περισσότερες κατασκευές που έχουν δημιουργηθεί στην συντριπτική τους πλειοψηφία είναι αυτού του είδους. Αυτό συμβαίνει γιατί πρόκειται για πολύ εύκολες κατασκευές, γιατί είναι οι πιο φθηνές που υλοποιούν έναν προσροφητικό κύκλο άρα έχουν μεγαλύτερες πιθανότητες να αξιοποιηθούν εμπορικά, γιατί υπάρχει αδυναμία υλοποίησης άλλων πιο εξελιγμένων θεωρητικά κ.α. Βασίζονται στον κλασσικό πολύ απλό κύκλο που παρουσιάσαμε στα πρώτα κεφάλαια και αποτελούνται από:

Έναν συλλέκτη που φέρει και την προσροφητική τράπεζα εντός με όλα τα παρελκόμενα δηλαδή μονώσεις, υαλοπίνακες κ.τ.λ. Πολλές φορές συναντάμε και παράθυρα (dampers) που ανοίγουν κατά τις βραδινές ώρες για καλύτερη απαγωγή της θερμότητας.
Έναν συμπυκνωτή που συνήθως είναι ένας αγωγός με πτερύγια ψύξεως με καμπυλώσεις ώστε να έχει ικανό μήκος για την συμπύκνωση.
Έναν ατμοποιητή που συνήθως είναι ένας ψυκτικός θάλαμος μικρών διαστάσεων μέσα στον οποίο δημιουργείται ο πάγος.
Μία βαλβίδα για την πτώση της πίεσης του ψυκτικού.
Όταν το προσροφητικό το απαιτεί, όπως η μεθανόλη, μια αντλία κενού. Χρήση αυτής γίνεται μόνο μια φορά στην αρχή.

2. ΨΥΞΗ ΜΕ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ – ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ.
2.1) Εισαγωγή.
Ο ψυκτικός κύκλος με απορρόφηση είναι μια διαδικασία κατά την οποία το ψυκτικό αποτέλεσμα παράγεται μέσα από την χρήση δύο ρευστών και μιας ποσότητας θερμότητας σαν είσοδο στο σύστημα, αντί ηλεκτρικής ενέργειας που θα τροφοδοτούσε έναν μηχανικό συμπιεστή.Η βασική διαφορά όμως των παραπάνω δύο (απορρόφηση και μηχανική συμπίεση) είναι ότι στη δεύτερη περίπτωση έχουμε την δημιουργία μιας διαφοράς πίεσης και άρα την κυκλοφορία του εργαζόμενου μέσου, ενώ στην πρώτη έχουμε διάλυση (απορρόφηση) του εργαζόμενου μέσου στο δεύτερο ρευστό, εν συνεχεία την μεταφορά του και τέλος την απομάκρυνση του, δηλαδή μια κυκλοφορία τριών σταδίων αντί ενός. Πιο αναλυτικά ενώ στον μηχανικό συμπιεστή δίνουμε ηλεκτρική ενέργεια για να κυκλοφορήσει το εργαζόμενο μέσο, στον ψυκτικό κύκλο με απορρόφηση χρησιμοποιούμε ένα άλλο ρευστό που θα κάνει αυτήν την εργασία αλλά αναγκαστικά σε τρία στάδια και με την βοήθεια μια μικρής αντλίας ανακυκλοφορίας.Προφανώς η αντλία καταναλώνει σαφώς λιγότερη ενέργεια από ότι ο συμπιεστής λόγω της φύσης της εργασίας της. Επίσης την απομάκρυνση του εργαζόμενου μέσου από τον απορροφητή (2^ο ρευστό) μπορούμε να την πετύχουμε με μια είσοδο θερμότητας πολύ χαμηλής ποιότητας όπως γεωθερμίας, ηλιακής, από δευτερεύουσες διεργασίες κτλ οι οποίες είναι από δωρεάν έως πάρα πολύ φθηνές. Αντιλαμβανόμαστε το σημαντικό οικονομικό κέρδος που μπορούμε να επιτύχουμε λόγω εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας.Τέτοιες μηχανές κυκλοφορούν σήμερα και εμπορικά σε δύο βασικούς συνδυασμούς:

Για εφαρμογές πάνω από 32F δηλ. 0C σαν ζεύγος χρησιμοποιείται Βρωμιούχο Λίθιο (Απορροφητής) / Νερό (Εργαζόμενο μέσο-Ψυκτικό). Χημικός τύπος (LiBr/H2O).
Για εφαρμογές κάτω από 0C σαν ζεύγος χρησιμοποιείται Αμμωνία (Απορροφητής) / Νερό (Εργαζόμενο μέσο-Ψυκτικό).

2.2) Τρόπος λειτουργίας κύκλων απορρόφησης.
Στο Σχήμα2.1 μπορούμε να διακρίνουμε ένα κλασσικό διάγραμμα μηχανής Βρωμιούχου Λιθίου / Νερού. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε δύο διαμερίσματα-δοχεία (vessels-shells). Το επάνω διαμέρισμα περιλαμβάνει τον αναγεννητή και τον συμπυκνωτή (generator). Ενώ το κάτω περιλαμβάνει τον απορροφητή και τον ατμοποιητή.Θερμότητα προσάγεται στον αναγεννητή από μια ηλιακή πηγή, γεωθερμία ή αποβάλλουσα θερμότητα από δευτερεύουσες διεργασίες. Αυτή η θερμότητα ανεβάζει την θερμοκρασία του διαλύματος και αναγκάζει σε βρασμό το ψυκτικό (νερό) το οποίο και περνά από το διαχωριστικό στον συμπυκνωτή όπου και ένα μέσο ψύξης διέρχεται δια του εικονιζόμενου σωλήνα και το συμπυκνώνει με αποτέλεσμα την συλλογή του σε σημείο του συμπυκνωτή.

Σχήμα2.1

Στη συνέχεια το νερό λόγω βαρύτητας κυλά κάτω προς τον ατμοποιητή όπου και αναμειγνύεται με νερό το οποίο δεν έχει ατμοποιηθεί και ανακυκλοφορεί μέσω μικρής αντλίας και ψεκάζεται επάνω από τους αγωγούς όπου κυκλοφορεί το ρευστό που θέλουμε να ψύξουμε.Διατηρώντας πολύ μικρή πίεση στο δοχείο του ατμοποιητή το νερό βράζει σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Αυτός ο βρασμός προκαλεί την απομάκρυνση θερμότητας από το μέσο που θέλουμε να ψήξουμε παράγοντας έτσι το ψυκτικό αποτέλεσμα.Στη συνέχεια το ατμοποιημένο νερό περνά στην δεξιά περιοχή του κάτω δοχείου όπου εκεί συναντά το ζεύγος απορροφητή (LiBr) και νερού το οποίο βρίσκεται σε υψηλή συγκέντρωση απορροφητή και χαμηλή νερού, αυτή η σύνθεση ονομάζεται ισχυρό διάλυμα. Τότε ο απορροφητής με φυσικές διεργασίες τείνει να απορροφήσει περισσότερο νερό από το ατμοποιηθέν και να εξισορροπήσει το διάλυμα. Αυτή η διαδικασία της απορρόφησης δίνει και στον κύκλο το όνομα της.Αμέσως μετά το αραιό πλέον διάλυμα μεταφέρεται με μια μικρή αντλία στο πάνω δοχείο όπου και ο κύκλος ξαναρχίζει.Όπως μπορεί να φανεί και από το Σχήμα2.1 υπάρχουν τρία κυκλώματα ροής ρευστού με εξωτερικές συνδέσεις τα οποία και είναι:

To θερμό ρεύμα που διαρρέει τον αναγεννητή και προέρχεται από δευτερογενή πηγή θερμότητας όπως ηλιακή ενέργεια. Κύκλωμα 1.
Το ψυκτικό νερό που διαρρέει τον απορροφητή και τον συμπυκνωτή με σκοπό την απαγωγή θερμότητας και προέρχεται από κάποια εξωτερική πηγή. Κύκλωμα 2.
To νερό που προορίζεται για ψύξη (chilled water) και το οποίο προφανώς διαρρέει τον ατμοποιητή. Κύκλωμα 3.

Συνδεδεμένη με κάθε ένα από αυτά τα κυκλώματα είναι μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση πάνω στην οποία η μηχανή είναι βαθμονομημένη. Για μονάδες μιας βαθμίδας όπως η παραπάνω έχουμε τις εξής τιμές:

12psi Τυπική τιμή πίεσης θερμού ρεύματος στο κύκλωμα 1.
85F 44F Αντίστοιχα είσοδος και έξοδος κυκλώματος 3.

Αυτές είναι τυπικές τιμές οι οποίες προέρχονται από την ASHRAE 1983 και με τις οποίες μπορούμε να πετύχουμε ένα COP από 0.65 μέχρι 0.70
2.3) Απόδοση μονοβάθμιας ψυκτικής μηχανής.
Στο Σχήμα2.2 μπορούμε να παρατηρήσουμε την απόδοση μιας μονοβάθμιας απορροφητικής μηχανής με μεταβλητές το COP (δεξιός άξονας), ψυκτικό αποτέλεσμα (αριστερός άξονας) και την είσοδο του θερμού νερού του κυκλώματος 1 ως μεταβλητή. Παρατηρούμε ότι εάν η θερμοκρασία του είναι μικρότερη των 220F το αποτέλεσμα θα είναι πάρα πολύ μεγάλη μείωση στην απόδοση της μηχανής. Αυτό περιορίζει πάρα πολύ την λειτουργία της όσον αφορά την χρήση της με ηλιακή ενέργεια, γεωθερμία κτλ. και συνεπώς η πτώση αυτή έχει να κάνει πολύ με την φύση της ενέργειας που εισάγουμε. Το αποτέλεσμα είναι ότι πηγές θερμότητας από 180 μέχρι 230F πρέπει να είναι από 400 με 420% ύπερδιαστασιολογημένοι για να έχουμε ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα σε σχέση με μια λίγο μεγαλύτερη θερμότητα εισόδου. Άρα έχουμε άνοδο του αρχικού κεφαλαίου κτήσης της μηχανής, μείωση του χρόνου αποπληρωμής, αύξηση του μεγέθους του ψυκτικού πύργου κτλ. Καταλήγουμε ότι εγκαταστάσεις με πηγές θερμότητας κάτω των 230F ή 356C είναι αντιοικονομικές.