Technologický přehled ledniček

Technologický přehled ledniček

Kompresorové chladničky

Kompresorová

Kompresorové chlazení je v současnosti naprostým standardem pro domácnosti i drtivou většinu průmyslových aplikací. Spoléhá na takzvaný parní kompresorový oběh, který využívá fyzikálního faktu, že při změně skupenství (odpařování a kondenzaci) dokáže látka pojmout, respektive odevzdat obrovské množství tepelné energie (latentní teplo).

Celý systém tvoří uzavřený okruh, ve kterém cirkuluje chladivo. Typický cyklus má čtyři hlavní fáze:

Kompresor (stlačení)

Do kompresoru vstupuje chladivo v podobě plynu o nízkém tlaku a nízké teplotě. Kompresor (poháněný elektromotorem) tento plyn prudce stlačí. Zvýšením tlaku dojde podle termodynamických zákonů k výraznému nárůstu teploty plynu.

Kondenzátor (odevzdání tepla okolí)

Horký, stlačený plyn putuje do kondenzátoru, což je typicky černá kovová mřížka na zadní straně lednice. Protože je plyn nyní teplejší než vzduch v místnosti, začne teplo odevzdávat do okolí. Tím se plyn ochlazuje a postupně mění skupenství na kapalinu (kondenzuje), stále však zůstává pod vysokým tlakem.

Expanzní ventil / Kapilára (snížení tlaku)

Zkapalněné chladivo následně prochází přes velmi úzký průřez (u domácích lednic je to dlouhá tenká trubička, tzv. kapilára, u průmyslových systémů expanzní ventil). Při průchodu touto překážkou dojde k prudkému poklesu tlaku. S poklesem tlaku dramaticky klesne i bod varu chladiva a jeho teplota.

Výparník (chlazení vnitřního prostoru)

Studené chladivo s nízkým tlakem vstupuje do výparníku, což jsou trubky skryté ve stěnách vnitřního prostoru lednice a mrazáku. Teplota uvnitř lednice je nyní vyšší než teplota chladiva, takže chladivo do sebe absorbuje teplo z potravin. Přitom se začne vařit a odpařovat (mění se zpět na plyn). Tento plyn je následně opět nasán kompresorem a celý cyklus se opakuje.

Proč tato technologie zcela ovládla trh

Extrémní energetická účinnost: Kompresorové lednice mají vynikající chladicí faktor (COP). K přenosu určitého množství tepla spotřebují mnohem méně elektrické energie (ta slouží jen k pohonu kompresoru) ve srovnání s absorpčními nebo termoelektrickými systémy.
Vysoký výkon a hluboké mrazení: Na rozdíl od předchozích technologií dokáže kompresorový okruh snadno a rychle dosáhnout velmi nízkých teplot (běžně -18 °C až -24 °C v mrazáku) a udržet je bez ohledu na výkyvy okolní teploty.
Škálovatelnost: Stejný fyzikální princip pohání malou domácí chladničku, klimatizaci v autě i obrovské mrazírny. Využívají ho i tepelná čerpadla, která okruh de facto provozují “obráceně” (využívají teplo z kondenzátoru k vytápění domu).

Termoelektrické chlazení (Peltierův článek)

Tento typ chlazení nevyužívá žádné chladicí plyny ani kompresor. Spoléhá na tzv. Peltierův jev, kdy při průchodu stejnosměrného elektrického proudu obvodem ze dvou různých polovodičů dochází k přesunu tepla – jedna strana článku se zahřívá a druhá ochlazuje.

Peltier

peltier-TEG

Využití: Běžné levnější autochladničky (často na 12 V).
Výhody: Extrémně jednoduchá a odolná konstrukce bez pohyblivých částí (až na externí ventilátory), nízká cena a možnost pouhým přepólováním přepnout z chlazení na ohřev.
Nevýhody: Mají velmi špatnou energetickou účinnost a omezený výkon, dokážou zchladit vnitřní prostor obvykle jen o 15 až 20 °C vůči okolní teplotě.

Odpařovací chlazení (Evaporativní)

Jde o nejstarší způsob chlazení vůbec. K přeměně vody na páru je potřeba poměrně velké množství energie (skupenské teplo vypařování), která se odebírá ze zachlazovaného prostoru.

Typickým a krásně funkčním příkladem je africký „Zeer pot“. Jedná se o dvě neglazované hliněné nádoby vložené do sebe, přičemž prostor mezi nimi se vyplní pískem. Tento písek se udržuje mokrý. Voda prolíná póry vnější nádoby ven, kde se na suchém vzduchu odpařuje, a tím efektivně odebírá teplo potravinám ve vnitřní nádobě.

Využití: Rozvojové země bez přístupu k elektrické síti nebo tzv. „swamp coolers“ jednoduché klimatizace v pouštních a velmi suchých oblastech USA.

Absorpční chladničky

Jak funguje bezkompresorová (absorpční) lednice

Místo mechanického stlačování chladiva elektromotorem a kompresorem využívá tento systém k pohonu chladicího cyklu teplo. Obvod nemá žádné pohyblivé části a je hermeticky uzavřený.

Nejběžnější systém (využívaný mj. firmou Electrolux) pracuje se směsí tří látek: amoniakem (čpavek), který slouží jako chladivo, vodou, jež funguje jako absorbent, a vodíkem, který slouží k vyrovnávání tlaku v systému.

Absorpční

Varník (generátor): Zdroj tepla (v 50. letech typicky elektrická topná spirála, ale často i plynový hořák nebo petrolejová lampa) zahřívá roztok amoniaku ve vodě.
Separace: Amoniak má nižší bod varu než voda, takže se začne odpařovat. Cestou nahoru se oddělí od zbytků vodní páry.
Kondenzace: Čistý plynný amoniak se dostane do kondenzátoru (žebrování na zadní straně lednice), kde odevzdá teplo do okolí a zkapalní.
Výparník (chlazení): Zkapalněný amoniak stéká do výparníku uvnitř lednice. Zde se setká s plynným vodíkem. Tím klesne parciální tlak amoniaku, ten se začne prudce odpařovat, a tím odebírá teplo z vnitřního prostoru lednice (chladí).
Absorpce: Plynná směs amoniaku a vodíku klesá do absorbéru, kde se setká s vodou ochuzenou o amoniak (která mezitím stekla z varníku). Voda plynulý amoniak do sebe opět absorbuje (pohltí), lehký vodík stoupá zpět do výparníku a celý cyklus se opakuje.

Historický kontext a 50. léta

Tento princip si nechali patentovat švédští inženýři Baltzar von Platen a Carl Munters už v roce 1922 (patent následně koupil Electrolux). Vlastní návrh absorpční lednice podali v roce 1926 dokonce i Albert Einstein a Leó Szilárd.

V 50. letech zažívaly tyto lednice obrovský boom. V tehdejším Československu je masově vyráběl národní podnik Elektrosvit (např. v Nových Zámcích nebo ve Zlatých Moravcích). Důvodů k jejich rozšíření bylo hned několik:

Absolutně tichý chod: Díky absenci kompresoru a jakýchkoliv pohyblivých částí lednice nevydávala žádný hluk (žádné bzučení nebo vibrace).
Nezávislost na elektrické síti: Varník šlo ohřívat propan-butanem. To bylo klíčové v oblastech s nespolehlivou nebo chybějící elektrickou sítí.
Extrémní spolehlivost a životnost: Bez mechanických částí nedocházelo k opotřebení materiálu. Pokud trubky nezrezivěly a neunikl čpavek, lednice fungovala prakticky neomezeně dlouho.

Absorpční_chladnička

Proč je nahradily kompresory?

I když se v 50. letech absorpční chladničky běžně používaly v domácnostech, kompresorové lednice je postupně vytlačily kvůli jedné zásadní nevýhodě: velmi nízké energetické účinnosti. K dosažení stejného chladicího výkonu potřebuje absorpční systém násobně více energie (tepla) než systém kompresorový. Navíc absorpční systémy hůře dosahovaly hlubokých mrazicích teplot potřebných pro moderní kombinované chladničky s velkými mrazáky.