Voda versus Chladivo: Ako funguje var ( teda premena kvapaliny na plyn - paru ) a prečo je to dôležité pre tepelné čerpadlá (s prvkami chladiaceho okruhu)

• Chápeme, že voda sa varí pri +100 °C ( aspoň tak nás to učili v škole na hodinách fyziky však? ), ale čo sa deje s chladivom v tepelnom čerpadle, keď sa dokáže „variť“ ( chladivo dosiahne teplotu varu ) pri oveľa nižších teplotách a to aj pre naše laické chápanie ( nadobudnuté často ešte zo základnej školy ) pri nereálnych teplotách pre "varenie" ako sú teploty hlboko bod bodom mrazu? 
• Vedeli ste že napríklad "vyparený" dusík ktorý tvorí až 78% našej atmosféry - teda vzduchu ktorý dýchame, má teplotu varu iba −195,80 °C ( +77,35˚K ) a teda sa varí pri teplote iba o 77.35˚C vyššej ako je absolútna nula ( teplotná ) čo je −273,15 °C ( 0˚K alebo −459,67 °F )? Dokonca dusík môže zamrznúť podobne ako voda na ľad a stať sa tak "pevnou" látkou a to ak ho ochladíme až na teplotu −210,01 °C (+63,14 K) a pri tejto istej teplote sa "topí" na kvapalinu? Je to ako pre vodu 0˚C. Mimochodom dusík sa skutočne používa ako chladivo podobne ako CO2. V praxi sa však dusík kvôli svojim výnimočným používa skôr na špeciálne účely, napríklad na kryogenické chladenie / mrazenie (extrémne nízke teploty), ale nie je ideálny ani vhodný na využitie v tepelných čerpadlách pre bežné domáce použitie kvôli viacerým obmedzeniam na strane súčasných dostupných technológií.
• Už iná je však situácia s CO2 - Oxidom uhličitým, známym aj ako chladivo R744, sa stáva čoraz populárnejším v tepelných čerpadlách, najmä kvôli jeho ekologickým vlastnostiam. CO2 je prirodzený plyn, ktorý nemá negatívny vplyv na ozónovú vrstvu a jeho prínos k globálnemu otepľovaniu je minimálny v porovnaní s bežnými syntetickými chladivami (napríklad HFC). Využitie CO2 ako chladiva je technicky náročnejšie, no ponúka množstvo výhod.

Zaujímavosť:

Ešte by sme si mali vysvetliť prečo sa v tepelných čerpadlách určených na vykurovanie používajú chladivá a prečo základ štandardných tepelných čerpadiel tvorí chladiaci okruh. Je to dané históriou chladiacich technológií a chladív v nich používaných. Na úvod sa ako prvé vynašli zariadenia na chladenie a počas ich prevádzky sa zistilo, že kým tie zariadenia chladili, na druhej strane produkovali teplo a tak objavili to čo dnes nazývame tepelnými čerpadlami. Tepelné čerpadlo je teda v skutočnosti zariadenie ktoré súčasne chladí a je to vlastne chladiaci stroj v reverznom / obrátenom režime, alebo sa dá opísať ako chladiaci stroj pri ktorom sa využíva pôvodný chladiaci okruh plnený chladivom, ale využíva sa jeho novoobjavená funkcia spôsobujúce produkciu tepla. Preto sa aj v tepelných čerpadlách dodnes používajú a to celosvetovo výrazy "chladivo" a "chladiaci okruh". Ak by sa história vyvinula inak a prvé by objavili výnalezcovia tepelné čerpadlo a až potom by zistili že tepelné čerpadlo má aj schopnosť chladenia, dnes by sa zrejme používali pojmy ako napríklad "kurivo" či "kúriaci okruh". 

Viete si predstaviť variť kvapalinu "zohriatu" na -30˚C ktorá sa pri tejto teplote začne doslova variť, bublať a premieňať na paru? Vedeli set, že tento jav je úplne bežný a sme ním čoraz viac obklopení? Mnohým z Vás sa tento jav môže diať práve teraz u Vás doma! Je to bežný jav v tepelných čerpadlách ale aj klimatizáciách. Samozrejme s malým rozdielom, pretože sa to deje pri teplotách pri ktorých prevádzkujete tepelné čerpadlo alebo klimatizáciu. Prečo to isté chladivo dokáže vrieť pri iných rôznych teplotách? Teplota a bod varu kvapalín nezávisí len od teploty, ale aj od tlaku pri ktorom k varu dochádza. Kľúčom k dosiahnutiu varu chladív a ich opätovného skvapalnenia sú špecifické vlastnosti a najmä chemické zloženie jednotlivých chladív, súčasti chladiaceho okruhu, ako sú kompresor, kondenzátor, expanzný ventil a výparník, ktoré spoločne ovplyvňujú tlak a tým aj skupenstvo chladív. 

Pozrime sa, ako to funguje krok za krokom.

Prečo a kedy voda vrie?

Voda vrie, keď tlak vodnej pary dosiahne tlak vzduchu. Kým vo výške hladiny mora sa voda varí približne pri +100 °C, tak v horách, kde je nižší tlak v závislosti od nadmorskej výšky, sa varí skôr, napríklad aj pri +90 °C. Tento príklad ukazuje, že var závisí nielen od teploty, ale aj od tlaku. Chladivá, ktoré sa používajú v tepelných čerpadlách, sa správajú podobne, no ich bod varu je oveľa nižší, čo je dôsledkom ich chemického zloženia zásadne rozdielneho od vody.

Ako funguje "varenie" chladív?

Chladivá majú schopnosť zovrieť už pri veľmi nízkych teplotách, často hlboko "pod nulou" ( myslených 0˚C ). Napríklad chladivá štandardne používané v tepelných čerpadlách môžu vrieť už aj pri -30 °C. 

Ako je to možné? 

Je to výsledok chemického zloženia chladív a ich z toho plynúcich fyzikálnych vlastností, ktoré spôsobujú, že na prechod z kvapalného do plynného stavu ( skupenstva ) potrebujú oveľa menej tepla. Tento proces je rozhodujúci pre fungovanie tepelných čerpadiel.

Kľúčové komponenty chladiaceho okruhu tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlá obsahujú chladiaci okruh, v ktorom sa chladivo neustále pohybuje. Tento okruh je tvorený štyrmi hlavnými komponentmi: kompresor, kondenzátor, expanzný ventil a výparník. Tieto komponenty ovplyvňujú tlak a skupenstvo chladiva, čo umožňuje čerpadlu efektívne prečerpávať teplo ( tepelnú energiu ).

Kompresor: 1. krok / Zvýšenie tlaku a teploty - žačiatok cyklu / stláčanie plynu

Kompresor je „motorom“ alebo "srdcom" celého chladiaceho okruhu. Stlačí plynné chladivo, čím dramaticky zvýši jeho tlak a teplotu. V podstate sa stane to, že plynné chladivo sa pod tlakom zohreje na vysokú teplotu. Tento proces umožňuje, aby sa chladivo presunulo do ďalšej časti systému, kde odovzdá teplo cez výmenník (zvyčajne doskový - tým nemyslíme výmenník z drevených dosiek) do vody vo vykurovacej sústave. 

Mimochodom kompresory tepelného čerpadla sú si veľmi podobné s dobre známymi kompresormi na vzduch ktorými si dofukujeme pneumatiky a podobne, dokonca by sa ich dalo na stláčanie vzduchu za určitých podmienok reálne použiť. Niektorí domáci kutili dokonca na podobné účely doma používajú staré kompresory z pokazených chladničiek.

Príklad: Predstavte si nafukovanie bicyklovej pneumatiky. Keď vzduch stlačíte do malého priestoru, zvýši sa jeho tlak a tým aj teplota. Pravdou však je, že tlaky v pneumatikách bývajú veľmi nízke v porovnaní s tlakmi kompresora v tepelnom čerpadle, takže aj stúpajúca teplota nemusí byť citeľná. Kompresor v tepelnom čerpadle robí presne to isté, len s chladivom ale pri násobne vyšších tlakoch, pre porovnanie asi 10 aj viac násobkoch tlaku v bežných pneumatikách.

Kondenzátor: 2. krok / Odovzdanie tepla a zmena na kvapalinu - pokračovanie cyklu / kondenzácia pár na kvapalinu

Keď horúce chladivo prejde do kondenzátora, začína proces odovzdávania tepla do vykurovacieho systému. Ako chladivo odovzdáva teplo, postupne sa ochladzuje, dôjde ku kondenzácii, čo je proces opačný ako odparovanie a mení sa skupenstvo chladiva z plynného na kvapalné skupenstvo. Teplo, ktoré chladivo počas tohto procesu uvoľní ohreje vodu ktorou sa vlastne chladivo chladí, a takto získané teplo (tepelné energia) sa využíva na vykurovanie priestorov alebo ohrev vody. Kondenzátor už opúšťa skvapalnené chladivo.

Príklad: Predstavte si horúci hrniec s pokrievkou. Keď para stúpa a narazí na pokrievku, skondenzuje (zmení sa na kvapalinu). Rovnako chladivo odovzdáva teplo a mení sa späť na kvapalné skupenstvo.

Expanzný ventil: 3. krok / Zníženie tlaku a teploty - pokračovanie cyklu / expanzia / nástrek a rozprášenie kvapalného chladiva na aerosól

Po prechode kondenzátorom prichádza na rad expanzný ventil. Tento ventil reguluje a škrtí prietok chladiva čím sa vytvorí efekt podobný ako pri tlakových čističoch alebo sprejoch, po prechode kvapaliny cez "trysku" expanzného ventilu sa náhle zníži jeho tlak. Tým, že sa zníži tlak, dochádza aj k zníženiu teploty chladiva, ktoré je teraz pripravené na opätovný proces absorpcie tepla v ďalšom kroku.

Príklad: Predstavte si balón, ktorý náhle uvoľníte. Ako vzduch uniká, tlak vo vnútri klesá a vzduch sa ochladzuje. Expanzný ventil robí podobnú vec s chladivom – znižuje tlak a teplotu. Podobne to prebieha aj pri už spomenutých sprejoch či tlakových čističoch známych ako "wapky".

Výparník: 4. krok / Absorpcia tepla z okolia - pokračovanie cyklu / odparenie aerosólu z expanzného ventilu na paru = plyn

V tejto fáze je chladivo už chladné a prichádza vo forme rozstriekaného aerosólu, teda drobných kvapôčiek cladiva zmiešaných s časťou malého percenta už v tomto bode odpareného chladiva do výparníka, kde začína „nasávať“ alebo absorbovať teplo z okolia. Napríklad, ak tepelné čerpadlo pracuje so vzduchom, výparník absorbuje teplo z vonkajšieho vzduchu, aj keď je zima. Chladivo sa pritom opäť mení na plynné skupenstvo, lebo absorbované teplo spôsobí jeho var.

Príklad: Predstavte si, že máte špongiu, ktorá nasáva vodu. Rovnako aj chladivo v tejto fáze „nasáva“ teplo z vonkajšieho prostredia. Ďalšia paralela je napríklad ak varíte polievku, potrebujete ju zohrievať plameňom, alebo varnou doskou či podobne. Na zovretie chladiva však stačí aby ste výparník v ktorom sa chladivo "varí" teda odparuje ofukovali vzduchom ktorý je o niekoľko ˚C ( ˚K ) teplejší ako chladivo.

Po odparení sa chladiva vo výparníku je toto chladivo privádzané potrubím do kompresora ktoré ho z výparníka práve týmto potrubím zároveň vysáva a tým ďalej znižuje jeho tlak za expanzným ventilom čo zas urýchľuje a napomáha odpareniu chladiva. To všetko podobne ako keď varíme vodu vo vysokých horách a vieme ju kvôli okolitému tlaku ktorý je nižší ako pri hladine mora uvariť a odpariť pri nižších teplotách aj napríklad okolo +90˚C. V tomto bode v kompresore sa 4. krok cyklu a 1. krok cyklu chladiaceho okruhu stretávajú a začína nový cyklus ktorý trvá až kým je kompresor v chode.

Závislosť teploty a tlaku

Ako sme spomínali, teplota varu chladiva závisí od tlaku. Kompresor zvyšuje tlak a tým aj teplotu, čo spôsobuje jeho stlačenie a následné jeho ochladenie v kondenzátore spôsobí skvapalnenie chladiva. Naopak, expanzný ventil znižuje tlak za ventilom a rozprašuje chladivo, následne ho okolité teplo ktoré musí byť vyššie ako teplota chladiva umožňuje chladivu odpariť sa aj pri nízkych teplotách. Tento princíp je základom efektívneho fungovania tepelného čerpadla.

Príklad na „sedliacky rozum“

Predstavte si, že varíte polievku v tlakovom hrnci. Ak je hrniec zatvorený, tlak vnútri rastie, a tým sa voda varí pri vyššej teplote. Ak však tlak uvoľníte, voda začne vrieť skôr. Tepelné čerpadlá pracujú s podobným princípom, len miesto vody používajú chladivo, teda "kvapalinu" alebo "tekutinu" ktorá je navrhnutá tak, aby mohla vrieť a meniť skupenstvo už pri veľmi nízkych teplotách a tlakoch. oveľa nižších ako voda.

Zhrnutie a záver

• Kompresor zvyšuje tlak a teplotu chladiva, čím ho mení na plyn a umožňuje odovzdávať teplo.
• Kondenzátor odoberá teplo z chladiva a mení ho späť na kvapalinu.
• Expanzný ventil prudko znižuje tlak, čím chladivo ochladí a pripraví ho na absorpciu tepla.
• Výparník umožňuje chladivu absorbovať teplo z okolia a znova sa meniť na plyn.

Tepelné čerpadlá využívajú kombináciu fyzikálnych princípov a chemických vlastností chladív na efektívny zisk / vyťaženie tepla a následne prenos tepla až do vykurovacieho systému aj v tých najchladnejších podmienkach, čím šetria energiu a zvyšujú komfort v domácnostiach.