Ako funguje tepelné čerpadlo v Tesle Model Y

V tomto preloženom videu si vysvetlíme rozdiel medzi kúrením v spaľovacom automobile a vykurovaním elektromobilu odporovým ohrievačom či tepelným čerpadlom, aké má Tesla Model Y. Popíšeme si princíp fungovania každého z týchto spôsobov kúrenia, dopad jeho použitia na spotrebu a teda aj dojazd, ako aj jeho silné a slabé stránky. Povieme si, prečo využitie odpadového tepla u elektromobilov nemá zmysel, aj kedy tepelné čerpadlo prichádza o svoje výhody.

Tepelné čerpadlo v Tesle Model Y (Zdroj: Electrek)

Pre tých, na ktorých bude video príliš rýchle, som ešte dole pripravil pár dodatkov vysvetľujúcich, ako čerpadlo mení energiu z chladu na vstupe na teplo na výstupe. Prajem príjemné sledovanie:

Chladiace zariadenie

Tepelné čerpadlo patrí medzi chladiace zariadenia, teda zariadenia využívajúce chladiaci cyklus. Najčastejšie používaným je „parný kompresorový chladiaci cyklus“ a na rovnakom princípe funguje napríklad aj klimatizácia či chladnička.[1] Cyklus je teoreticky obojsmerný a správne skonštruované zariadenie vie meniť tok chladiacej kvapaliny a teda cieľové prostredie ako chladiť, tak aj ohrievať. Tesla Model Y rozhoduje, ktoré okruhy potrebujú chladiť a ktoré ohrievať prostredníctvom ventilu octovalve.[2]

Ako bolo spomenuté vo videu, parný kompresorový chladiaci cyklus používa ako médium na prenos energie z vonku do vnútra vozidla chladiacu kvapalinu, ktorá vo výparníku pohlcuje energiu z okolia zmenou svojho skupenstva na paru a v kondenzátore odovzdáva svoju energiu okoliu zmenou svojho skupenstva späť na kvapalné. To, že kvapalina kondenzuje pri vysokej teplote, no odparí sa pri nízkej, by nebolo možné, nebyť zásahu z vonku. Tento zásah vykoná kompresor, ktorý zvýši tlak v kondenzačnej časti okruhu, čím posunie rosný bod chladiacej kvapaliny nahor. Sprievodným účinkom nárastu tlaku je nárast teploty a tak pri tlakovaní teplota pary ostáva stále nad rastúcim rosným bodom.

Chladiaca kvapalina

Každá kvapalina je schopná slúžiť ako chladiaca kvapalina. Napríklad aj voda (chladiaca kvapalina R718) či CO2.[3] Pri nula atmosférach (teda vo vákuu) sa všetky kvapaliny odparia ak ich teplota nie je pod teplotou tuhnutia, ktorú má každá látka inú. Pri rastúcom tlaku zas ich bod varu stúpa. Trik je v tom vybrať či vyrobiť látku, ktorá v požadovanom teplotnom rozsahu čo najlepšie prenáša energiu pri čo najnižších konštrukčných a energetických nárokoch na zariadenie.

Pri klimatizácii auta rátame s vonkajšou teplotou v rozsahu cca -20 až 40 °C a vnútornou teplotou okolo 20 °C. Teda aby sme vedeli v zime auto vykúriť a v lete ho ochladiť, mala by chladiaca kvapalina byť schopná odparovania a kondenzácie v rozsahu povedzme -30  až 50 °C. Pre zjednodušenie pobeží výparník pri atmosférickom tlaku (~1 bar).

Napríklad chladiaca kvapalina R134a sa pri tlaku 1 bar odparuje pri teplote -26°C, čo pre väčšinu podnebí bohate postačuje, a kompresor musí vedieť vyvinúť tlak na strane kondenzátora 10 až 15 bar, aby dosiahol kondenzáciu pri aspoň 40 °C.

Pri výbere chladiacej kvapaliny tiež vstupuje do rovnice jej cena a posledné desaťročia aj úroveň nepriaznivého dopadu na životné prostredie v podobe redukovania ozónovej vrstvy či pôsobenia ako skleníkový plyn (hovorí vám niečo slovo freón?).

Premena energie chladu na energiu tepla

Pozrime sa teda na obrázok vpravo a zosumarizujme si princíp fungovania tepelného čerpadla[4]:

  • Začneme pri tom, že chladiaca kvapalina v kvapalnom skupenstve je pri nízkom tlaku chladnejšia než je mráz vonku – bod (4)
  • Fúkaním vonkajšieho vzduchu cez výparník sa vonkajší vzduch od výparníka ochladzuje, zatiaľ čo chladiaca kvapalina ešte nižšej teploty sa od neho otepľuje na bod varu a mení skupenstvo na paru. Odparovanie spôsobuje ochladenie kvapaliny[5], no vonkajší teplejší vzduch ju naďalej otepľuje a odovzdáva jej viac energie – prechod z bodu (4) do bodu (1)
  • Kompresor výslednú paru stlačením ohreje a zvýšenie tlaku zdvihne aj jej rosný bod – prechod z bodu (1) do bodu (2). Kompresia pary vyžaduje menej energie, ako je schopná preniesť para v procese odparenie-kondenzovanie.
  • Ohriata para pod tlakom má vyššiu teplotu ako vzduch, ktorý chceme ohriať a tak zatiaľ čo sa vzduch otepľuje, para sa ochladzuje a kondenzuje v kondenzátore na kvapalinu – prechod z bodu (2) do bodu (3). Energia prijatá odparovaním (oranžová čiara) sa odovzdá kondenzovaním (modrá čiara) spolu s ochladzovaním tepla prijatého kompresiou (červená čiara).
  • Nakoniec sa horúca kvapalina prepúšťa škrtiacim ventilom do výparníka, kde nízky tlak spôsobí jej prudké ochladenie a pokles bodu varu – prechod z bodu (3) do bodu (4).

Zdroje

[1] Wikipedia: Chladiace zariadenie
[2] YouTube: Tesla Secret Octovalve Design is Genius According to Sandy Munro
[3] Industrial Heat Pumps: How It Works
[4] Faktory ovlivňující účinnost tepelných čerpadel
[5] Wikipedia: Vyparovanie

Ďalšie preložené videá o firmách Elona Muska s českými, alebo slovenskými titulkami nájdete tu.




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
4 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře