Začalo léto, které přináší vysoké teploty a poptávku po „zázraku“ zvaném klimatizace. Klimatizační jednotky dokáží z horkého vzduchu uvnitř domu, auta anebo nákupního střediska vytvořit lahodné chladno. Principiálně jsou podobné ledničkám, které se hodí nejen v létě. Jak ale tato zařízení fungují?
Základ se skrývá ve fyzikální chemii. Ta nám říká, že když se kapalina odpařuje a mění na plyn, absorbuje zároveň teplo.
S teplem pryč
Molekuly v kapalině drží pohromadě (slabé) mezimolekulové interakce. A některé molekuly dokáží absorbovat dostatek energie, jinými slovy začnou se pohybovat dostatečně rychle, aby překonaly mezimolekulární přitažlivost. Utečou za svobodou a přejdou v plynnou formu.
To je jeden z důvodů, proč je nám chladno, když vylezeme ze sprchy. Anebo proč se potíme, abychom se ochladili. Voda musí absorbovat teplo, aby se odpařila a tím odvádí teplo pryč od nás.
Úlohou klimatizace je tedy neustále přeměňovat tekutinu zvanou chladivo z kapaliny na plyn a zase zpátky. Tím se přesouvá teplo z jednoho místa na místo jiné, třeba z ohřátého pokoje ven.
Kapalina, plyn, pořád dokola
Základem principu chlazení je okruh chladiva, který zajistí odvod tepla z jednoho prostoru do druhého.
Kapalné chladivo protéká řadou cívek vystavených vzduchu ve vaší domácnosti, což je část okruhu zvaná výparník. Chladivo má nízký bod varu, takže teplo z vnitřního vzduchu je dostatečné k tomu, aby se proměnilo na plyn. Přitom se ochlazuje a ochlazuje se tím i potrubí výparníku, kterým chladivo protéká. Přes něj pak profukuje vzduch ventilátor a výsledkem je proud chladivého vzduchu na výstupu.
Schéma typické klimatizační jednotky
Klimatizace musí dělat dvě věci: odvádět teplo absorbované chladivem a musí kondenzovat chladivo zpět do kapaliny, aby se dalo znovu použít. K tomu je potřeba kompresor, který zvýší tlak plynného chladiva natolik, aby se chladivo začalo kondenzovat v kapalinu. A to i přesto, že má na počátku venkovní teplotu.
Chladivo se kondenzuje v tzv. kondenzátoru a je to proces, při kterém naopak vzniká teplo. Musíme totiž ochlazovat potrubí kondenzátoru, aby se plyn uvnitř zchladil a přeměnil v kapalinu. Ventilátor tedy profukuje kondenzátor a odvádí teplý vzduch ven. Z toho důvodu musí mít klimatizační jednotky vždy odvod vzduchu ven, případně jsou celé instalovány vně místnosti.
Pokud bychom nezajistili odvod teplého vzduchu z ochlazované místnosti, ke kýženému snížení teploty by v ní nedošlo. Klimatizace by sice fungovala, ale chladný vzduch z jedná strany by se v místnosti prostě promíchal s teplým vzduchem vystupujícím ze strany druhé. Z tohoto důvodu třeba nemá smysl pokoušet se vychladit místnost otevřenou ledničkou - z otevřených dveří sice bude vycházet chlad, ale zezadu lednice je kondenzátor, který o to více bude topit.
Schema klimatizační jednotky
Poté, co chladivo kondenzuje, klimatizační jednotka upustí tlak expanzním ventilem, takže se chladivo může opět vařit při nižší teplotě. No, a to se cyklicky opakuje do té doby, než váš domov dosáhne teploty nastavené na termostatu.
V termodynamice není nic zadarmo a kompresor potřebuje ke kompresi chladiva energii. To může vysvětlit letní vyšší účty za elektřinu. Permanentní chod hnacího motoru už se ve spotřebě domácnosti projeví.
Skleníkové plyny v oběhu
Chladivem by teoreticky mohla být jakékoli látka, ale existují chemikálie, které tuhle práci dělají lépe než jiné. A historie je na chladící látky pestrá.
Chladivo musí mít velmi nízký bod varu, a to nejlépe takový, který se dá v upravit podle potřeby změnou tlaku v pokojové teplotě. Mělo by být dobrým vodičem tepla, a tedy mít dobrou schopnost absorpce tepla. V neposlední řadě musí být chladivo levné, široce dostupné, nehořlavé a pokud možno netoxické. To trochu zužuje výběr chemických látek.
Dlouhou dobu si vědci mysleli, že našli perfektní chladivo, freony, což je komerční označení pro skupinu halogenderivátů uhlovodíků. Bezbarvé, bez zápachu, nehořlavé a při vdechování netoxické látky přece jen mají Achillovu patu, a sice negativní vliv na ozónovou vrstvu zemské atmosféry.
Většinou byly nahrazeny fluoruhlovodíky. Ale ani ty se neobejdou bez problému. Fluorované uhlovodíky (HFC) sice nepoškozují ozonovou vrstvu, ale spolu s ostatními F-plyny patří mezi skleníkové plyny. Hledání zdá se zatím končí u jednoduchých uhlovodíků, hydrofluoroolefinů (HFO), které jsou pro klima méně drsné než fluoruhlovodíky, ale jsou také dražší. Alternativní potenciální náhradou je CO2, a přestože jako takový je symbol skleníkových plynů, oproti výše zmíněným je to jen slabý odvar.
Jde to i bez chladiva
Možná ale budoucnost chladiva úplně eliminuje. Od vynálezu Peltierova článku v roce 1834 se tuto technologii snažíme ohnout pro multifunkční využití. Jedná se totiž o termoelektický princip - když protéká proud Peltierovým článkem, jedna z jeho stran (elektrod) se ochlazuje a druhá otepluje.
V současnosti se Peltierův jev běžně používá např. v termoelektrických autochladničkách. Má spoustu výhod. Má malé rozměry, efekt chlazení či topení je okamžitý, má snadno regulovatelný výkon, při provozu je absolutně tichý, protože neobsahuje žádné pohyblivé části a má dlouhou životnost. Jenže není moc účinný, snadno se přehřívá a oproti kompresorovému chlazení má velkou spotřebu energie. Stále se však pracuje na efektivnějším využití tohoto jevu.
Ať již budeme v budoucnu používat cokoli, zdá se nepravděpodobné, že se klimatizace úplně vzdáme. Za současných tendencí to bude spíše naopak.
