Lato rozpoczęło się z opóźnieniem i temperaturami raczej łagodnymi. Dopiero ten weekend przypomniał chicagowskie duszne dni. Mimo globalnego ocieplenia, od kilku lat nie narzekamy na upały, stąd ostatnie hasło obrońców planety „im cieplej, tym chłodniej”. Z wygód jakie przyniosła nam technika jednak nie rezygnujemy i już za oknami huczą „air-conditionery”.
Ludzie wyrośli w cieple. Pierwsze cywilizacje rozwijały się tam, gdzie śnieg był prawie nieznany a rzeki i jeziora nigdy nie zamarzały. Teraz też ludzie tęsknią do ciepłego klimatu i na emeryturze powszechna jest chęć przeprowadzki do „ciepłych krajów”. Ciepło jednak rozleniwia i zniechęca do większego wysiłku, stąd te rejony, z których wywodzi się ludzkość, nazywamy „trzecim światem”, w domyśle – nierozwiniętym.
Znalezienie chłodu w ciepłym klimacie nie było łatwe. Cień drzew, jaskinie w skałach, zacienione doliny, bliskość dużych zbiorników wody nie wszędzie były dostępne. Chłód we wnętrzu budynków był luksusem, gdyż wymagał bardzo grubych ścian nieprzepuszczających ciepła.
Do wymuszonego ochładzania początkowo używano lodu i śniegu. Lód wycinano zimą z zamarzniętych tafli jezior i składano w jamach i szopach przysypując go trocinami. Śnieg zbity w bryły zwożono z wysokich gór. Jeszcze w połowie XX wieku rozwożenie lodu latem po metropoliach Ameryki było dobrym biznesem. Do niedawna (a może i do dzisiaj) budynek Węgierskiego Parlamentu chłodzony był (jest?) bryłami lodu wycinanymi zimą z jeziora Balaton.
W niektórych amerykańskich domach funkcjonowały od XIX wieku klimatyzatory na lód. Wozacy codziennie doładowywali do metalowego zbiornika tonę lub więcej lodu, który topiąc się utrzymywał niską temperaturę i ochładzał przedmuchiwane wokół powietrze. Podobnie funkcjonowały „lodówki” będące małymi spiżarkami, w których centralne miejsce zajmował pojemnik na lód z cynkowanej blachy.
Pierwsze mechaniczne ochładzacze pojawiły się w połowie XIX wieku, ale dopiero po stu latach zajęły trwałe miejsce w naszych domach. Średniej wielkości motor wraz z oprzyrządowaniem ważącym kilkaset funtów dawał taki sam efekt jak dowożenie codziennie tony magazynowanego od zimy lodu. Stąd przetrwało do dzisiaj określenie wielkości domowego ochładzacza. Pracujący bez przerwy air-conditioner 2 lub 3 „tony” daje taki sam efekt jak 2 lub 3 tony dowożonego codziennie lodu.
„Zimno” nie jest samoistną wielkością fizyczną. Fizycy uznają jedynie pojęcie ciepła. To, co zimniejsze, ma po prostu w sobie mniej ciepła. Jak wobec tego wytłumaczyć pracę lodówek i ochładzaczy? Otóż urządzenia te nie wytwarzają zimna, lecz tylko „przepompowują” ciepło z jednego miejsca w inne. Lodówka wypompowuje ciepło ze swojego wnętrza, wydzielając go z tyłu na czarnej siatce rurek, czasem widocznej a czasem przykrytej obudową i tylko przedmuchiwanej powietrzem, aby to ciepło rozproszyć w otoczeniu. Lodówka chłodzi to, co w środku, ale ogrzewa powietrze w pomieszczeniu gdzie stoi. Podobnie działa domowy ochładzacz, air-conditioner. Jeśli zainstalowany jest w oknie lub w ścianie domu, do wnętrza dmucha zimnym powietrzem, lecz po zewnętrznej stronie jest gorący i ciepło jest rozdmuchiwane wokoło. Jeżeli przed latem zapomnimy zdjąć z niego ochronną osłonę, to po kilku minutach ochładzacz się przegrzeje i wyłączy.
Większe ochładzacze, tak zwane centralne, złożone są często z dwóch zespołów. Zwoje rur chłodzących (coil) umieszczane są w systemie kanałów powietrznych służących w zimie do ogrzewania (najczęściej w komorze pieca). Drugi zespół to siatka rurek, wewnątrz której warczą silniki. Jest to tak zwany kondensor (lub kompresor) umieszczany w ogrodzie lub na dachu. Zespoły te połączone są rurkami, którymi przepompowywana jest substancja przenosząca ciepło.
Ze zjawiskiem przepływu ciepła spotykamy się codziennie. Jeżeli coś jest cieplejsze, to stygnie, oddaje swoje ciepło do otoczenia. Ciepło dąży do równego rozłożenia się wokół. Nie łatwo przypomnieć sobie zjawisko, gdy jakaś substancja sama z siebie ochładza się do temperatury niższej niż otoczenie. Chociaż… Gdy wyjdziemy w gorący dzień z basenu poczujemy chłód, mimo że temperatura powietrza jest większa niż temperatura wody. Gdy rękę zwilżymy szybko parującą cieczą (benzyną, spirytusem) i będziemy na nią dmuchali, chłód będzie bardzo intensywny.
A więc tak! Temperaturę można obniżyć dzięki parowaniu cieczy, pod warunkiem, że parę się gdzieś usuwa. Rozpryskiwanie wody w gorącym powietrzu też obniża temperaturę, nawet o 20 stopni. W pobliżu fontanny czujemy chłód.
Inne zjawisko, trudniejsze do wytłumaczenia to obniżanie temperatury przy wymuszanym topnieniu. Zauważono już dawno, że gdy śnieg i lód posypiemy solą, to się topi, ale jego temperatura spada. Tak dawniej zamrażano w lecie lody (ice-cream), używając tłuczony lód, który zmieszany z solą obniżał swoją temperaturę kilkanaście stopni poniżej zera.
Podobnie, gdy będziemy mieszali dwie ciecze albo rozpuszczali gaz w cieczy, temperatura mieszaniny w niektórych przypadkach się obniży, w innych podwyższy. Fizycy nie bardzo potrafią wytłumaczyć dlaczego, ale tak już jest. Zjawiska te wykorzystywane są w lodówkach i ochładzaczach, w których nie ma silnika a tylko umieszczone są grzałki zasilane prądem lub gazem.
Ale wróćmy do mechanicznych lodówek i ochładzaczy. Wewnątrz systemu rur krąży napędzana pompą substancja raz będąca cieczą a w innych warunkach gazem – freon. Ta firmowa nazwa koncernu DuPont określa całą grupę związków chemicznych chloru, fluoru, wodoru i węgla, o różnych proporcjach, zależnie od potrzeb. To chlorofluorowęglowodory.
Związki te nie tworzą się same w przyrodzie, ale nauczono się wytwarzać je sztucznie. Cechują się one trwałością, nie reagują z otoczeniem ani z żywymi organizmami, ale co najważniejsze, w temperaturach, jakie występują wokół, mogą być gazem, a pod innym ciśnieniem – cieczą. Parując, czyli przechodząc ze stanu cieczy do gazu, odbierają z otoczenia sporo ciepła, jak wspomniana woda, benzyna czy spirytus.
Sprężarka w lodówce ściska freon powodując jego rozgrzanie. Nawet niewielkie ciepło zawarte w gazie, jeżeli jest ściśnięte do małej objętości, powoduje wzrost temperatury. Ściśnięty, gorący gaz tłoczony jest przez czarne, cienkie rurki, które oddają ciepło do otoczenia. Czasem pomaga w tym mały wiatraczek z tyłu lodówki lub silny wentylator w zewnętrznej części „air-conditionera”. Po częściowym ochłodzeniu ściśnięty gaz zamienia się w ciecz. Ta częściowo schłodzona, lecz nadal ciepła ciecz przetłaczana jest do drugiego systemu rurek zwanych parownikiem (evaporator). Tam ciecz wtryskiwana przez dysze do znacznie grubszych rurek, gdzie panuje dużo niższe ciśnienie. Ciecz paruje, zamienia się z powrotem w gaz, który staje się dużo chłodniejszy. Oczywiście cały system obiegu gazu jest uszczelniony, aby ta cenna substancja chłodząca nie uciekła.
Zimny gaz krąży jeszcze w zwoju zimnych rur i pochłania ciepło, które chcemy wyprowadzić z lodówki lub z pokoju. Już trochę ogrzany wyciągany jest przez pompę, sprężany i ponownie zamieniany na gorącą ciecz, która oddaje ciepło na zewnątrz. I tak w kółko. Ciepło z jednego miejsca (z wnętrza) przenoszone jest do drugiego (na zewnątrz).
Miejsce, z którego chcemy usunąć nadmiar ciepła może już być chłodne (na przykład wnętrze lodówki), a na zewnątrz, gdzie ciepło rozpraszamy może być znacznie cieplej. Przepływ ciepła następuje jakby „pod prąd”. Aby ciepło można było przemieszczać w takim sprzecznym z naturą kierunku, musimy do ochładzacza dostarczać energii. Dlatego fizycy i inżynierowie nazywają te urządzenia pompami cieplnymi.
Pompy cieplne pracują bardzo wydajnie. Przepompowują kilka razy więcej energii cieplnej niż zużywają. Pozornie zakrawa to na paradoks. Trzeba sobie jednak uświadomić, że to tylko transport energii a nie jej wytwarzanie. Przecież samochód-cysterna przewiezie kilkaset razy więcej benzyny niż zużyje. Tego przetransportowanego ciepła nie można jednak w całości zamienić z powrotem na energię mechaniczną. Nawet używając pompy cieplnej o sprawności kilkaset procent, nie można zbudować perpetuum mobile – wiecznego darmowego ruchu.
Zawsze włączając „air-conditioner” zastanawiamy się, jak wzrosną nasze wydatki na energię elektryczną. Na urządzeniach ochładzających producenci muszą podawać sezonową efektywność ochładzania. Podaje się ilość tysięcy „przepompowywanych” jednostek ciepła ( BTU – British Thermal Unit) przy zużyciu kilowatogodziny energii elektrycznej. Im większa ta liczba (np. 10 i więcej) tym sprawniejszy i tańszy w eksploatacji ochładzacz.
Ogólne koszty ochładzania nie są tak wysokie jak wielu ludziom się wydaje. Średni „3-tonowy” ochładzacz do jednorodzinnego domu jest napędzany mocą około 3kW (kilowaty). Kosztuje to około 30 centów na godzinę. Na dobę niby $7.20, ale przecież nie pracuje cały czas – odpowiednio ustawiony termostat włącza go i wyłącza. Przypuśćmy $4 dziennie. Przez 30 dni miesiąca to $120 – ale znowu, nie wszystkie dni wymagają ochładzania. W rezultacie można oszacować miesięczny koszt klimatyzacji domu na poniżej $100.
Chyba nikt obecnie nie zgodziłby się dostarczać po 2 tony lodu za $4 dziennie. Ale jeżeli uznamy, że ochładzanie kosztuje zbyt dużo, możemy jak miliardy ludzi mieszkających w Azji i Afryce, nie korzystać z tej techniki. Nasi przodkowie jakoś to przeżyli.
Miejsce na felieton się kończy, a tu jeszcze do omówienia tyle ciekawych spraw związanych z tym działem techniki. Zapraszam więc na dalszy ciąg za tydzień… (ami)
Redakcja
