Πως λειτουργεί το Κλιματιστικό ;

Απολαμβάνοντας χαλαρά στον καναπέ του σπιτιού μου την δροσερή ατμόσφαιρα που το κλιματιστικό είχε δημιουργήσει, αναλογίστηκα πόσο υπέροχη εφεύρεση μπορεί να είναι. Ξαφνικά, όμως, συνειδητοποίησα ότι δεν ήξερα πως λειτουργεί. Έκανα λοιπόν μια βιβλιογραφική έρευνα, για να καταλάβω τις βασικές αρχές λειτουργίας του κλιματιστικού, και τιμής ένεκεν στις συσκευές αυτές, που δροσίζουν τα καλοκαίρια μας, σκέφτηκα να το μοιραστώ με τους αναγνώστες του  Science Behind. 

Ο  άνθρωπος ήταν ανέκαθεν από την φύση του εφευρετικός, ανήσυχος και δημιουργικός. Προσπαθούσε να βρει τρόπους να προσαρμόσει το περιβάλλον του στις δικές του ανάγκες.

Willis Carrier το 1902

Η χρήση της φωτιάς,  για να ζεστάνει τους χώρους όπου ζούσε είναι από τις πρώτες μεγάλες του ανακαλύψεις, η οποία θα άλλαζε για πάντα τη ζωή του. Ενώ το να θερμάνει έναν χώρο, μετά την ανακάλυψη της φωτιάς, φάνταζε απλό, το να δροσίσει έναν χώρο τους ζεστούς καλοκαιρινούς μήνες αποτελούσε πρόκληση. Από τις πρώτες προσπάθειες που έκαναν οι άνθρωποι προκειμένου να λύσουν το τελευταίο πρόβλημα ήταν να αρχίσουν να μαζεύουν χιόνι και πάγο και να τα αποθηκεύουν σε θερμομονωτικές αποθήκες, ώστε να χρησιμοποιηθούν το καλοκαίρι. Άργησε πολύ η εφεύρεση του πρώτου ηλεκτρικού κλιματιστικού,  που ήρθε στην αρχή του 20ου αιώνα (1902) από τον Willis Carrier[4].

 

Η ιδιότητα των υλικών στην οποία βασίζεται η αρχή λειτουργίας των κλιματιστικών[2] είναι  η ίδια που δροσίζει το δέρμα όταν το οινόπνευμα (ή και ο ιδρώτας) εξατμίζεται πάνω του.  

Αυτή η ιδιότητα του υλικού ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα[3] (Latent Heat) και είναι η ενέργεια που είναι «κρυμμένη» στο υλικό, και που χρειάζεται ή αποδίδεται από αυτό για την αλλαγή της φάσης του, π.χ. από υγρό σε αέριο, χωρίς να αλλάξει η θερμοκρασία του.  Παραδείγματος χάριν, στην περίπτωση του νερού, όταν είναι πάγος και αυξάνουμε σταδιακά την θερμοκρασία, όταν αυτή φτάσει τους 0ο C δεν γίνεται νερό, αλλά χρειάζεται λίγη ακόμα ενέργεια για να αρχίσει να μετατρέπεται σε νερό. 

 Για τα κλιματιστικά αντί για νερό χρησιμοποιείται μια άλλη ουσία στις σωληνώσεις τους, το ψυκτικό υγρό, που είναι μία ουσία με πολύ χαμηλό σημείο βρασμού , δηλαδή θερμοκρασία στην οποία μετατρέπεται από υγρό σε αέριο. Κατά την μετατροπή αυτή, απάγει (αφαιρεί) θερμοκρασία από το περιβάλλον και μέσω ενός ανεμιστήρα μεταφέρει αυτή τη δροσιά στον χώρο.  

Θα ρωτήσει όμως κανείς, τι γίνεται όταν όλο το ψυκτικό υγρό γίνει αέριο; 

Λανθάνουσα θερμότητα, παράδειγμα με το νερό. Το νερό απορροφάει θερμότητα και άρα ψύχει το περιβάλλον του όταν μετατρέπεται από πάγο σε νερό και από νερό σε αέριο. Το ανάποδο συμβαίνει στην αντίστροφη διαδικασία.

Μια λύση θα ήταν να υπάρχουν τεράστιες δεξαμενές με ψυκτικό υγρό το οποίο να ανατροφοδοτεί το κλιματιστικό και το αέριο να ελευθερώνεται στο περιβάλλον, λύση όμως ιδιαίτερα κοστοβόρα και βλαβερή για το περιβάλλον καθώς οι ουσίες, που είναι κατάλληλες ως ψυκτικά υγρά, είναι πολύ ισχυρά αέρια του θερμοκηπίου. 

Η λύση που δόθηκε από τους μηχανικούς[2] ήταν να χρησιμοποιήσουν έναν συμπιεστή (compressor), για να αυξήσουν την πίεση και την θερμοκρασία της ψυκτικής ουσίας , στην αέρια πια φάση της. Στη συνέχεια, μέσω σωληνώσεων οδηγείται έξω από τον χώρο που πρόκειται να ψυχθεί όπου πλέον η ψυκτική ουσία έχει υψηλότερη θερμοκρασία λόγω της συμπίεσής της, και όπως είναι αναμενόμενο μεταφέρεται θερμότητα από την υψηλότερης θερμοκρασίας ουσία προς το περιβάλλον με τη βοήθεια ανεμιστήρα ξανά.  

 Έπειτα, το ψυκτικό υγρό περνάει από μια αντλία εκτόνωσης που του ελαττώνει τη θερμοκρασία και το μετατρέπει και πάλι στην υγρή του φάση. Οδηγείται μέσω των σωληνώσεων ξανά μέσα στο χώρο που θέλουμε να δροσίσουμε και επαναλαμβάνεται η διαδικασία συνεχώς μέχρι να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία. 

Όπως καταλαβαίνετε, η επιλογή του κατάλληλου ψυκτικού υγρού[1] είναι πολύ σημαντική. Η κυριότερη ιδιότητα που πρέπει να έχουν τα ψυκτικά υγρά είναι σημείο βρασμού κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά πρέπει επίσης να είναι οικονομικά, μη-τοξικά και συμβατά με το υλικό των σωληνώσεων.

Σχηματική αναπαράσταση αντλίας θερμότητας (κλιματιστικό). Στο σημείο (3) το ψυκτικό υγρό ψύχει τον χώρο (evaporator coil), στο σημείο (4) είναι ο συμπιεστής, στο σημείο (1) το υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας αέριο χάνει θερμότητα στο εξωτερικό περιβάλλον, στο σημείο (2) βρίσκεται η αντλία εκτόνωσης.

Οι πρώτες ουσίες που χρησιμοποιήθηκαν και διέθεταν αυτή την ιδιότητα ήταν οι χλωροφθοράνθρακες (CFCs), οι οποίοι όμως συντελούν στην καταστροφή του στρατοσφαιρικού όζοντος,  αλλά παράλληλα είναι και πολύ ισχυρά αέρια του θερμοκηπίου . Πλέον τα περισσότερα από τα CFCs έχουν αποσυρθεί , έπειτα από παγκόσμιες συμφωνίες,  ενώ ερευνώνται και χρησιμοποιούνται άλλες ουσίες όπως οι υδροφθοράνθρακες (HFC), οι οποίοι επίσης συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου αλλά σε μικρότερο βαθμό. Εναλλακτικές επιλογές ψυκτικών υγρών αποτελούν οι φυσικές ουσίες, όπως η Αμμωνία (είναι τοξική) και το Διοξείδιο του άνθρακα ( έχει υψηλό σημείο βρασμού: 31ο C), αλλά απαιτείται περαιτέρω έρευνα για την αποτελεσματική χρήση τους. 

 Συνοψίζοντας, τα ηλεκτρικά κλιματιστικά βασίζονται στην έννοια της λανθάνουσας θερμότητας.

Χρησιμοποιούν ένα ψυκτικό υγρό, το οποίο μέσα στον εσωτερικό χώρο εξατμίζεται και τον ψύχει. Στη συνέχεια, εισέρχεται σε έναν συμπιεστή όπου του αυξάνει την πίεση και, κατά συνέπεια, και τη θερμοκρασία, και οδηγείται έξω από τον χώρο του σπιτιού όπου χάνει θερμότητα.

Τέλος, ακολουθεί το πέρασμα της ψυκτικής ουσίας από την αντλία εκτόνωσης όπου γίνεται και πάλι υγρό χαμηλής θερμοκρασίας, οδηγείται ξανά στο σπίτι/εσωτερικό χώρο κ.ο.κ.

Πηγές :

  1. Ciconkov, R. (2018). Refrigerants: There is still no vision for sustainable solutions. International Journal of Refrigeration. 86: 441–448. 
  2. Dossat R. J. (1961). Principles of Refrigeration. New York and London: John Wiley & Sons, Inc. 
  3. Hewitt P.G. (2013). Οι έννοιες της φυσικής. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. 
  4. Ingels, M. (1952). Willis Haviland Carrier: Father of Air Conditioning. New York: Country Life Press.
Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu