Níže budeme krok za krokem analyzovat princip fungování freonu v chladicích zařízeních od jednoduchých po složitější.
Článek je psán po etapách, proto jej doporučujeme číst v uvedené sémantické posloupnosti, bez přeskakování částí textu.
Než přistoupíme k věcné úvaze o problematice, je nutné dohodnout si podmínky, za tímto účelem níže uvedeme několik stručných definic.
Teplo (teplo) je druh energie, která se pohybuje v důsledku teplotních rozdílů mezi oblastmi nebo předměty pohybu. Teplo je přítomno všude v té či oné formě a v různé míře. Tepelný typ energie nemá tu vlastnost, že by se z ničeho nic vytvořil nebo nikam ničil, zatímco jiné druhy energie se mohou přeměnit v tepelný typ energie – například mechanická nebo elektrická v tepelnou energii a naopak, ale tepelná energie nemůže nenávratně zmizet. Šíření tepla je vždy jednosměrné a je určeno teplotním rozdílem mezi chladnějším a teplejším objektem nebo oblastí. Šíření tepla mezi objekty je možné pouze jedním směrem, v jednom čase.
Latentní teplo je teplo vynaložené na přechod látky z jednoho stavu agregace do druhého, například k přeměně kapalné látky na páru, pevné látky na kapalinu – beze změny teploty látky. Latentní teplo se měří jako množství tepla (např. J, kalorie, W) na jednotku hmotnosti látky (např. mol, mg), která prochází změnou skupenství.
Chlad je relativní nepřítomnost tepla v oblasti hmoty nebo předmětu. Relativní nepřítomnost, protože v praxi ještě nebylo dosaženo absolutní nuly, je její hodnota obecně považována za minus 273.16°C.
Chlazení je proces odstraňování nežádoucího tepla z cílového objektu, oblasti nebo látky a jeho přenos na jiný cílový objekt, oblast nebo látku v okamžiku. Odvod tepla snižuje teplotu předmětu, oblasti nebo látky.
Technické chlazení probíhá pomocí složitých vícesložkových technických zařízení – lednic, chladičů, jednotek.
2. Princip chlazení
Chlazení je založeno na přeměně (expanzi) kapaliny v plyn. Při odpařování (expanzi) je teplo z chlazeného předmětu (v kontaktu s kapalinou – „mokrý, vlhký“) předáváno okolnímu vzduchu pomocí páry, aby se dosáhlo požadované úrovně chladu v cílovém objektu, ploše, látce.
Můžeme provést jednoduchý praktický experiment, totiž namočte si prst, při větru ucítíte mírné mrazení nebo silný chlad, který zvyšuje konvekci, což znamená odvod tepla z prstu a v důsledku toho máme rychlejší chlazení.
(Níže je odbočka od tématu – užitečný life hack, není povinná četba)
Výše popsaný jednoduchý princip lze použít pro domácí účely. Například, pokud v horku potřebujete vychladit nápoj v láhvi, ale v blízkosti není žádný přírodní (studená vodní plocha) nebo technický zdroj chladu (lednička). Neváhejte aplikujte tento fyzikální princip. Najděte kus materiálu – hadr, hadry atd. a jakýkoli dostupný (i vyhřívaný) zdroj vody, zabalte láhev do vlhkého hadru a umístěte ji na nejslunnější místo, a přestože byl hadr navlhčen teplou vodou a sluneční paprsky jsou přímé a silné, voda v láhvi se ochladí, stupeň a rychlost chlazení závisí na mnoha faktorech. Pokud fouká mírný vítr (i horký), pak bude chlazení účinnější, protože odvádění odpařené páry do vzduchu bude probíhat intenzivněji. Do sušícího hadru můžete postupně přidávat tekutinu libovolné teploty pro další chlazení. Jakmile hadr výrazně uschne, odpařování bude probíhat pomaleji a kapalina v láhvi může přestat chladnout nebo se znovu začít zahřívat. Pomocí hadru (nejčastěji trička), teplé tekutiny a slunce můžete v horkém počasí chladit například nápoj. Je to jen základní fyzika chlazení, užijte si to!
Stejný základní princip platí pro technické chlazení.
Ale v technickém chlazení probíhají procesy varu a vypařování (a kondenzace) pod kontrolou a s přesně specifikovanými parametry. Při různých tlacích mají kapaliny různé body varu.
Existují průmyslové chladiče, které nepoužívají jako chladivo freon, ale stejné vodní – absorpční chladiče. Voda s amoniakem nebo bromidem lithným. Bromid lithný je vhodnější díky své větší bezpečnosti.
Když se voda vaří, mění se z kapaliny na páru. Při atmosférickém tlaku se voda vaří při 100 °C, ale při jiném tlaku se bude vařit při jiné teplotě. Při zvýšení tlaku se voda začne vařit při vyšší teplotě, při poklesu tlaku se voda bude vařit při nižší teplotě. Tento princip se používá v technickém chlazení, pokud jde o vodu v absorpčním chladiči. Při udržování teploty v absorbéru a výparníku chladiče blízko vakua (~840 Pa) se voda vaří při teplotě asi +4.5 °C, což umožňuje technické chlazení. Cyklická změna stavu agregace (kapalina – pára – kapalina – pára) vody a bromidu lithného jim umožňuje udržovat chlazení. Jedná se o ekologický systém, ale jeho zásadní nevýhodou je relativně nízký bod varu – vypařování, což znamená, že vodu lze tímto systémem ochladit pouze na určitou minimální úroveň, a to cca +4.5°C. Mezi významné nevýhody tohoto systému patří také značné rozměry – několikanásobně, někdy i desítkykrát větší ve srovnání s tradičními freonovými parokompresními chladničkami se srovnatelným chladicím výkonem. Jsou také mnohem dražší než běžnější parní kompresní chladničky; v tomto ohledu nejsou absorpční chladničky příliš používané a nepředstavují velkou konkurenci parním kompresním chladničkám, ve kterých se používají. freon jako vroucí a odpařující se kapalina – chladivo.
3. Freonový provoz v tradiční parní kompresní chladničce
V parních kompresních chladničkách (VC) se freon používá jako chladivo k přenosu tepla. Hlavní předností freonů je jejich nízká teplota varu-vypařování při daném tlaku. Tato funkce umožňuje ochladit látku (prostředí, předmět) na velmi nízké teploty v závislosti na typu freonu. Pomocí kompresoru a regulačních ventilů (např. expanzního ventilu nebo kapiláry) může konstruktér nebo operátor chladiče nastavit požadovaný tlak v systému, a tím nastavit teplotu vypařování freonu, a tedy požadovanou teplotu chlazení cílové látky (např. vzduch, kapalina).
Při provozu chladicí jednotky (zapnutí kompresoru) je nutné plynule předávat teplo z chlazené látky freonové páře.
V PH se teplo z ochlazené látky předává parám freonu ve speciálním teplosměnném aparátu – výparníku, od slova odpařovat, jak se v něm vaří a expanduje – vypařuje se freon. Výparník umožňuje přes stěny teplosměnné plochy provádět intenzivnější výměnu tepla mezi médiem (freonovou párou a chlazenou látkou), aniž by se tyto dvě látky vzájemně mísily. Teplosměnná plocha je obvykle vyrobena z materiálu s vysokým koeficientem tepelné vodivosti, jako je měď, ocel nebo specializované termopolymery.
Freon se do výparníku dostává přes speciální expanzní zařízení (TRV nebo kapilára), z vysokotlaké oblasti – výtlaku kompresoru, do výparníku, přičemž chodem chladícího kompresoru vzniká ve výparníku řízený nízký tlak (dle výkon kompresoru).
4. Podstata procesu
Při prudkém rozdílu tlaků před expanzním ventilem (vysoký – výtlak kompresoru) a za expanzním ventilem (nízký – sání kompresoru) je freon pod vlivem tlakového rozdílu protlačován úzkým otvorem expanzního ventilu (např. škrticí klapkou nebo tryskou), poté freon prochází úzkým otvorem TRV (jako tryska, škrticí klapka, tryska) – expanduje podobně jako rozprašovač aerosolové plechovky, když je kapalina z plechovky (například deodorant) pod tlakem uvolňuje do atmosféry s nižším tlakem než uvnitř plechovky. Dále, po škrticím zařízení (také známém jako dávkovací zařízení), se freon přemění na směs pára-kapalina a při určité nízké teplotě se vyvaří. Sedmička pára-kapalina, která se okamžitě nevyvařila, by se také měla proměnit v páru při pohybu kanály výparníku. Bod varu freonu při tlaku dosaženém kompresorem odpovídá značce a vlastnostem použitého freonu. Vroucí a vypařující se freon při nízké teplotě přes stěny teplosměnné plochy výparníku odebírá ochlazované látce teplo, tento proces probíhá cyklicky a nepřetržitě za chodu kompresoru a vytváří tlakový rozdíl před a po škrtící (dávkovací) zařízení – expanzní ventil, kapilára (škrticí klapka, tryska). Díky řízené hodnotě tlakového rozdílu přes kompresor a značku freonu můžeme přesně udržovat a řídit bod varu freonu, a tím i teplotu chlazené látky.
Ve skladu nedochází k provozním ztrátám freonu, požadované množství je účtováno jednorázově, při netěsnosti freonového okruhu.
v suchém zbytku.
Při prudkém poklesu tlaku po přidání plynu (TRV) se kapalný freon vaří a expanduje – odpařuje se a přeměňuje se na páru. Odpařující se freon odebírá teplo z předmětu kontaktu – teplosměnné plochy výparníku (chladí teplosměnnou plochu). Ochlazená látka předává teplo přes teplosměnnou plochu odpařujícímu se freonu, čímž dochází k ochlazování. Ohřátý, odpařený freon (pára) je nasáván do kompresoru, který jej přečerpává do vysokotlaké oblasti – až ke škrticí klapce, do kondenzátoru, kde pára kondenzuje zpět do kapalné fáze a je stlačována pod vysokým tlakem do vstup škrticí klapky (TRV, kapiláry) – cyklus je uzavřen.
Níže budeme uvažovat o provozu freonu na příkladu chladicího cyklu. (pro zvětšení klikněte na obrázek)
5. Základní freonový chladicí cyklus
1. Freon zahřátý ve výparníku (přesněji přehřátý freon) je násilně nasáván do kompresoru.
(poznámka) Přehřátí freonu — opětovné zahřátí po odpaření celé kapalné fáze freonu, nutné zajistit, aby se kapky kapaliny nedostaly do kompresoru spolu s nasávanou párou, ale aby se 100% odpařily na výstupu z výparníku.
2. Kompresor stlačuje freonový plyn a mění jej na horký vysokotlaký plyn.
3. Uvnitř kondenzátoru se plyn ochlazuje a přechází do stavu páry. Dále ochlazení freonových par v kondenzátoru vede k jejich kondenzaci – přeměně na horký kapalný vysokotlaký freon. Dále se kapalný freon dále ochladí (přechlazuje) a stává se přechlazenou vysokotlakou kapalinou.
(pozn.) Podchlazení freonu je nutné, aby freon odcházel z kondenzátoru bez příměsi páry – pouze v kapalném stavu, což slouží k tomu, aby se ke škrticí klapce dostal pouze plně zkondenzovaný – kapalný freon (TRV – dávkovací zařízení).
4. Po kondenzaci je kapalný freon pod vlivem tlakového rozdílu protlačen škrticí klapkou (TRV – dávkovací zařízení). Freon, procházející škrticí klapkou, vstupuje do výparníku, kde je nízký tlak, což způsobuje intenzivní vaření freonu – odpařování.
5. Freonové páry ve výparníku absorbují teplo z chlazené látky (vzduchu) stěnami výparníku a udržují var freonu. „Chlad“ získaný z freonové páry je odváděn vzduchem a freonová pára ohřátá ze vzduchu je odváděna (nasávána) kompresorem, čímž se udržuje požadovaný nízký tlak ve výparníku. Jak se dále pohybuje výparníkem, freonové páry se přehřívají a přeměňují parní freon na plynný freon, než je nasáván do kompresoru a uzavře cyklus.
(podrobnosti o procesu ve výparníku) Cyklus chlazení je kontinuální a probíhá současně ve všech částech freonového okruhu, každá sekce má svůj vlastní proces. Ale velmi obrazně, abychom pochopili proces ve výparníku, lze jej rozdělit do kroků a popsat takto:
— kapalný freon vstupuje do nízkotlaké oblasti za účelem výměny tepla
— zvýšení tlaku uvnitř výparníku v důsledku zvětšení objemu ve výparníku v důsledku vytvořené ohřáté páry
— odčerpávání vzniklé ohřáté páry kompresorem, dokud se objem nesníží a nedosáhne se požadovaného tlaku varu freonu
– opět kapalný freon vstupuje do oblasti nízkého tlaku.
(!) Ve skutečném chladicím cyklu, když funguje správně, dochází k přívodu kapalného chladiva do výparníku škrticí klapkou a k odčerpávání ohřáté páry současně a nepřetržitě, proto tlak varu freonu (a tedy i teplota) zůstává stejný a stabilní. Kolik kapalného freonu vstoupí do výparníku v daném čase, stejné množství je kompresorem odčerpáno ve formě odpařené ohřáté páry, v daném čase je tlak a teplota varu freonu stabilní. To znamená, že chlazený předmět se také ochlazuje při dané stabilní teplotě.
Mnoho lidí slyšelo o tom, že nějaký druh freonu proudí v „žilách“ ledniček a klimatizací. Ale co je freon? Proč to lednice potřebuje a je možné ji vyměnit za něco jiného? Odpovědi jsou v tomto materiálu.
Co je to chladivo a proč je potřeba?
Mezi lidmi, kteří nejsou obeznámeni s tímto tématem, existuje názor, že chladivo je chladicí kapalina „v opačném směru“. Zdá se, že horká voda v radiátorech přenáší teplo z kotle do prostoru a chladivo pouze chlad, ne teplo. Ale odkud to bere? Venku, kde je instalována externí klimatizační jednotka, je někdy tepleji než doma, ale proud vzduchu z vnitřní jednotky je studený. A komu zbylo v hlavě něco ze školních hodin fyziky, ten si asi vzpomene na druhý termodynamický zákon. Teplo se nemůže samovolně přenášet z chladnějšího tělesa na teplejší. Jak se chladivo venku ochladí?
Ledničky a klimatizace totiž nevyužívají princip přirozeného přenosu tepla, jako u radiátorů topení. Funguje zde termodynamika fázových přechodů. Jakákoli látka, která se vypařuje, odebírá teplo z okolního prostoru. To je důvod, proč je po sprše chladno i v teplé místnosti – vlhkost odpařující se z pokožky ji ochlazuje.
Při kondenzaci dochází k opačnému procesu – teplo se přenáší do prostoru. A pak je vše jednoduché. Chladivo se vypařuje tam, kde má být chladné, a kondenzuje tam, kde „může být teplejší“. Ale nekondenzuje samo o sobě – proč by také, když je na tomto místě ještě větší horko, než kde se vypařilo? Aby mohla kondenzovat, je stlačena pomocí kompresoru. Čím vyšší je tlak, tím vyšší je teplota varu/kondenzace. Pokud se tlak zvýší na takovou hodnotu, že kondenzační teplota je vyšší než okolní teplota, chladivo se stane kapalným.
Je nějaká látka vhodná jako chladivo? Samozřejmě že ne. Vlastnosti chladiva jsou dány podmínkami jeho použití. Měl by se prudce vařit při teplotě požadované ve studené zóně instalace. A v horké zóně instalace musí chladivo kondenzovat při tlaku, který není příliš vysoký – jinak bude muset být kompresor příliš výkonný. První látka splňující tyto podmínky byla objevena v roce 1928 – ukázalo se, že jde o plynný dichlordifluormethan. Vynálezce, americký chemik Thomas Midgley, pojmenoval plyn „Freon-12“ (z anglického „freeze“ – „zmrazit“). Od té doby se všechna chladiva chladicích a klimatizačních zařízení nazývají freony. I když je jich mnoho a jejich složení je velmi odlišné.
Běžné typy chladiv
Od prvního Freonu-12 byla všechna chladiva označena písmenem R a digitálním indexem. Označení freonu-12 je R12.
Dnes je známo asi sto freonů. Za různých podmínek jsou některé freony účinnější, jiné méně. Proto je jejich výběr tak pestrý.
Své požadavky klade kromě provozních podmínek také bezpečnost pro člověka a šetrnost k životnímu prostředí. Negativní vliv chlorfluoruhlovodíků (například stejný R12) na ozonovou vrstvu se tak stal důvodem jejich plošného zákazu a vyřazení z provozu. Mnoho freonových lahví je dokonce označeno slovy „CFC free“ – „neobsahuje chlorfluoruhlovodíky“.
V domácích spotřebičích jsou podmínky přibližně stejné, takže rozsah freonů používaných v nich je malý.
R134a – fluorovaný uhlovodík, používaný hlavně v klimatizacích automobilů. V domácích spotřebičích jej najdeme v některých chladničkách a mrazničkách. R134a je netoxický a nehořlavý. Má se však za to, že přispívá ke skleníkovému efektu, takže se v mnoha zemích postupně vyřazuje.
R290 — propan, běžný zemní plyn. Je šetrný k životnímu prostředí, ale je hořlavý. Jeho směs se vzduchem může být výbušná. Obvykle ho ale v systému není mnoho a ani úplný únik veškerého chladiva nevytvoří výbušnou koncentraci. V domácích spotřebičích se občas vyskytuje ve velkoobjemových lednicích a mrazničkách.
R600a — isobutan je plyn vyrobený ze zemního plynu butanu. Je také hořlavý, ale v chladicích systémech pro domácnost je ho ještě méně než propanu. Toto chladivo se nejčastěji používá v domácích chladničkách a mrazničkách.
R717 (NH3) – čpavek, plyn se silným nepříjemným zápachem. Jedovatý, hořlavý, výbušný při smíchání se vzduchem. Proto se častěji používá v průmyslových chladicích jednotkách. V domácích spotřebičích se používá velmi zřídka.
R410a – fluorovaný uhlovodík, často používaný v klimatizačních zařízeních pro domácnost. Netoxický a nehořlavý, ale přispívá ke skleníkovému efektu. Plyn je dvousložkový, ale při úniku se složky směsi vypařují přibližně stejně. Pokud tedy dojde k úniku až 50 %, lze jej znovu naplnit, než jej zcela vyměnit.
R32 je jednou ze složek R410a, ale v poslední době se stále častěji používá samostatně v mnoha klimatizačních zařízeních pro domácnost. Netoxický, šetrnější k životnímu prostředí než R410a. Je však hořlavý, i když teplota vznícení je poměrně vysoká. Zároveň je rychlost hoření R32 nízká, takže netvoří výbušné sloučeniny.
Je možné nahradit jedno chladivo jiným?
Různé freony mají různou účinnost za různých podmínek. Majitelé chladicích a klimatizačních zařízení mají často představu o zvýšení účinnosti svých zařízení pouhou výměnou freonu. To neznamená, že tato myšlenka je sama o sobě špatná. Výměna chladiva může ve skutečnosti zlepšit výkon zařízení – snížit náklady na energii nebo zvýšit chladicí kapacitu. Ale nemůžete prostě jít a vyměnit jeden freon za jiný.
Za prvé, každý freon má své vlastní fyzikální vlastnosti. A všechny součásti chladničky nebo klimatizace jsou navrženy pro vlastnosti „nativního“ chladiva. Pokud jej nahradíte jiným, mohou být následky velmi nepříjemné. Elektronky nemusí vydržet zvýšený tlak, kompresor nemusí mít dostatečný výkon a elektronika nemusí fungovat správně.
Za druhé, chladicí systém obsahuje také olej. Je potřebný k mazání kompresoru a je přenášen cirkulujícím freonem. Každý typ freonu vyžaduje svůj vlastní olej, který s nimi optimálně interaguje. Při výměně freonu s ním může reagovat „nevhodný“ starý olej zbývající v systému. Totéž se může stát, pokud se v systému smíchají zbytky starého oleje a nového oleje. V důsledku toho může kompresor zůstat bez mazání a rychle selže.
Výměna jednoho chladiva za druhé je poměrně složitá operace, kterou provádějí specializované firmy. Často to zahrnuje kompletní propláchnutí systému, výměnu kompresoru, těsnění, filtrdehydrátoru a dalších prvků.
Ale to je obecný případ. V některých speciálních případech může být vše jednodušší – pokud jsou fyzikální vlastnosti freonů velmi podobné. Jako například R410a a R32.
Výměna R410a za R32
Oba tyto freony patří do stejné třídy fluorovaných uhlovodíků a používají se s nimi stejné oleje. Jejich provozní tlak je stejný, grafy závislosti teploty na tlaku jsou si velmi blízké. Můžete tedy změnit R410a na R32. Dává tohle smysl? Ano.
- Hustota a viskozita R32 je nižší než u R410a. Při výměně se sníží zatížení kompresoru, což poskytuje až 5% úsporu energie.
- Tepelná vodivost R32 je vyšší než u R410a. To poskytuje o 4 % lepší chladicí výkon.
Čísla nejsou příliš velká, takže výměna freonu na nové klimatizaci se pravděpodobně nevyplatí. Pokud ale potřebujete naplnit starou klimatizaci novým freonem, má smysl použít R32 místo R410.
R32 je dražší než R410a – za objem plynu potřebného k tankování budete muset zaplatit asi 1500 800 rublů místo XNUMX. Rozdíl je ale malý a může se časem vyplatit.
Závěry
Chladivo je látka, která přenáší teplo z jednoho bodu do druhého v důsledku fázových přechodů. Když se chladivo vypařuje, odebírá teplo z jednoho bodu, poté ho kondenzací uvolňuje do jiného.
Chladivo cirkulující v chladicích a klimatizačních zařízeních se obvykle nazývá freon, podle názvu prvního vynalezeného chladícího plynu.
Existuje mnoho freonů různého složení pro různé provozní podmínky. Nejčastěji je zařízení navrženo pro konkrétní chladivo a není možné jednoduše vyměnit jeden typ freonu za jiný.
