Jak funguje freon v lednici?

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 si pro tento účel dohodnout podmínky, 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). Najděte kus materiálu – hadr, hadry atd. a jakýkoli dostupný (i vyhřívaný) zdroj vody, zabalte láhev do dobře navlhčeného hadru a umístěte ji na nejslunnější místo – voda v láhvi se bude postupně ochlazovat, stupeň a rychlost ochlazení 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 pro další chlazení. Jakmile hadr začne vysychat, bude odpařování probíhat pomaleji a kapalina v láhvi může přestat chladnout a začít se znovu ohřívat. Pomocí hadru (nejčastěji trička), tekutiny a slunce je možné v horkém počasí nápoj mírně zchladit.

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 voda vře při 100 °C, ale při jiném tlaku se bude vařit při jiné teplotě. Když se tlak zvýší, voda se začne vařit při vyšší teplotě, když se tlak sníží, voda se 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, absorpční chladničky nejsou příliš používané a nepředstavují velkou konkurenci parních kompresních chladniček, 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.

Při PH se teplo z ochlazené látky předává parám freonu ve speciálním teplosměnném přístroji – výparníku, od slova odpařovat, jak vaří a expanduje – freon se vypařuje. 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 klapka nebo vstřikovač), pak freon prochází úzkým otvorem TRV (jako tryska, škrticí klapka, tryska) – expanduje jako rozprašovací tryska aerosolová plechovka, kdy se kapalina z plechovky (například deodorant) uvolňuje pod tlakem 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. Var a vypařování freonu 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 žádným provozním ztrátám freonu, požadované množství je účtováno jednorázově, při netěsnostech ve freonovém 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). Chlazená látka předává teplo přes teplosměnnou plochu odpařujícímu se freonu, čímž dochází k ochlazování. Ohřátý, odpařený freon (pára) je nasáván kompresorem, který jej přečerpává do vysokotlaké oblasti – až ke škrticí klapce, do kondenzátoru, kde pára kondenzuje zpět do kapalné fáze a pod vysokým tlakem je stlačována 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 parný 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 v daném čase odčerpáno kompresorem ve formě odpařené ohřáté páry, tlak a teplota varu freonu jsou stabilní. To znamená, že chlazený předmět se také ochlazuje při dané stabilní teplotě.

6. Opatření při práci s freonem

Při krátkodobé inhalaci malé části freonu nemá složení většiny freonů výraznou toxicitu a nezpůsobí žádné poškození lidského života a zdraví. Ale stojí za zvážení, že freon je inertní, je těžší než vzduch a nemá výrazný zápach. Do určitého bodu jej může člověk vdechovat, aniž by pociťoval nějaké nepohodlí (jako například u čpavku). Při vysoké koncentraci freonu v místnosti se plíce člověka nepostřehnutelně zaplní freonem, který se v nich usazuje, a pro část vzduchu bude stále méně místa, ale zároveň bude mít člověk pocit, jako by dýcháte jako obvykle – „naplno“.

Část objemu plic obsazená freonem vám nedovolí přijímat množství kyslíku potřebné pro normální funkci mozku ze stále menší části vzduchu, kterou lze skutečně vdechnout (nikoli pocitem). Kyslíkové hladovění může vést ke ztrátě vědomí. Před ztrátou vědomí člověk pocítí následující příznaky: závratě, zrychlený tep, hluk v hlavě – v uších, mírná panika, pokud nereagujete a urgentně opustíte místnost, paniku vystřídá apatický stav, neboť pokud je opilý.

(Důležité!) U výkonných chladičů může být objem freonu v přijímači velmi významný vzhledem k místnosti, kde je instalován. Když se spustí vysokotlaký nouzový ventil – uvolňující freon – může být místnost naplněna velkou koncentrací freonu během několika sekund. V tomto ohledu se doporučuje vést potrubí nebo hadici z nouzového ventilu (umístěného na přijímači) na ulici. Pokud není hadice, pak v případě nouzového uvolnění freonu okamžitě (na chvíli) opusťte místnost a vyvětrejte ji. Měli byste také varovat ty, kteří jsou na podlaze níže, protože freon je vysoce tekutý a bude se usazovat přes trhliny atd.

Freon může také způsobit tepelné popáleniny. Při odtlakování systému je vhodné nosit gumové rukavice.