Od vynálezu umělého chlazení k výrobě tepelných čerpadel

Ing. Josef Hodboď, TZB-info, redakce

Doložitelná historie chladicích strojů i tepelných čerpadel sahá do roku 1756. Impulsem k výrobě se stala nutnost chladit potraviny uměle vyrobeným ledem. Možnost užitečného využití tepelné energie vystupující z chladicích strojů formuloval v roce 1852 Lord Kelvin. Jaká byla od tohoto okamžiku cesta až k tepelnému čerpadlu?

Obr. Základ techniky tepelných čerpadel položily výrobníky ledu. Tedy zařízení, která s využitím principu odpařování látky při sníženém tlaku ochladila kapalnou vodu pod bod mrazu, ale tepelnou energii odebranou vodě nijak dále nevyužívala. Na rozdíl od tepelných čerpadel.

Úvod

O prvotní myšlenku, respektive její převedení až do současné praxe tepelných čerpadel se zasloužilo mnoho světově známých, ale i méně známých vědců a praktických techniků. Většina z nich navazovala nejen na předchozí poznatky, ale i poznatky jejich současníků. I proto je možné, že historické prameny vztahující se k určitému státu, národu, upřednostňují některé z nich. Tento článek zmiňuje jen velmi omezenou část těch, kteří techniku tepelných čerpadel dostali do pozice nejrychleji prodejně rostoucího segmentu zdrojů tepla v současnosti.

Pionýrskou zemí instalací tepelných čerpadel, pokud je bereme jako zdroj tepla pro vytápění, bylo v Evropě Švýcarsko. Zásadním impulsem k tomu bylo teoretické zázemí ve spojení s vyspělou strojírenskou výrobou, o které se opřela nutnost řešit energetickou soběstačnost. Tento fakt se silně projevil během druhé světové války, kdy byla země odkázána na dovoz veškerých fosilních paliv. Nutnost snížit spotřebu paliv se stala impulsem pro těsnou spolupráci univerzitní sféry se špičkovými podniky podpořenou i státem. Například v roce 1955 bylo ve Švýcarsku v provozu již cca 60 tepelných čerpadel, největší s výkonem 5,86 MW. Nicméně k masovému nasazení tepelných čerpadel menších tepelných výkonů okolo 25 kW k vytápění došlo o desítky let později. S tím šla ruku v ruce potřeba velkých investic do vývoje a výroby a začal narůstat podíl jiných výrobců.

K významným posunům v technické úrovni tepelných čerpadel docházelo nejen na základě posunu teoretických znalostí termodynamického chování par látek při jejich stlačování, ale i na základě zvládnutí výroby různých konstrukcí kompresorů, způsobů jejich mazání i vhodných mazacích látek či kompresorů bez potřeby mazání, expanzních ventilů, tepelných výměníků a systému řízení provozu atd. Přestože sorpční tepelná čerpadla jsou mechanicky jednodušší než kompresorová, jejich vývoj probíhal pomaleji. I z toho důvodu, že vyžaduje teoretické poznání vzájemných interakcí různých látek až na úrovni atomů, molekul a nemohl se tak více opírat o empirické zkušenosti, jak se to dělo u kompresorových tepelných čerpadel. A druhým důvodem je i jejich nižší topný faktor, který zásadně ovlivňuje rozhodování s ohledem na budoucí provozní náklady.

Z historie kompresorových tepelných čerpadel

Historie umělého chlazení, a tedy i tepelných čerpadel, začala v roce 1756. Tehdy skotský lékař, chemik a zemědělec, jeden z nejvýznamnějších profesorů na lékařské fakultě v Edinburghu William Cullen, provedl první historicky doloženou veřejnou ukázku umělého chlazení. Nebo-li přečerpání tepelné energie z chladnější látky do teplejší, čímž teplota chladnější látka dále klesla a teplota teplejší látky stoupla. Použil tehdy v podstatě jednoduché pístové čerpadlo k vytvoření částečného vakua v nádobě s diethyletherem. Tuto látku jako lékař velmi dobře znal. Patří do skupiny látek označovaných jako ethery, jde o rozpouštědlo používané i při výrobě léčivých přípravků a tehdy se tato látka běžně využívala v klinické praxi jako anestetikum. Snížením tlaku v nádobě se snížila teplotu varu, diethylether se začal vařit a odpařovat, a přitom reakce absorbovala teplo z okolí. To dokazovalo i malé množství vytvořeného ledu, jinovatky, vzniklé z vodních par obsažených v okolním vzduchu.

Na základě předchozích poznatků postavil v roce 1834 americký vynálezce působící v Anglii Jacob Perkins vůbec první ledničku a získal patent na cyklicky probíhající proces stlačování par (Vapour-Compression Cycle). Jako chladivo používal ether a jeho konstrukce obsahovala čtyři hlavní komponenty používané v moderní technice, tedy kompresor, kondenzátor, expanzní ventil a výparník. Šlo v podstatě také i o první tepelné čerpadlo, byť však nebylo využito ke zvýšení teploty.

V roce 1852 matematický fyzik a inženýr Lord Kelvin, narozený v Belfastu, vyslovil teorii, že pokud může být cyklus komprese páry použit k ochlazení vzduchu odebráním tepla, pak může být použit i obráceně k ohřevu vzduchu. Tedy základní myšlenku konstrukce tepelných čerpadel.

Do dalšího vývoje se významně zapsal rakouský inženýr Peter Rittinger, syn šikovatele würzburského pluku narozený v roce 1811 v kasárnách v Novém Jičíně. Jeho činnost je především spojena s báňskými revíry v Báňské Štiavnici na Slovensku, kde se věnoval rudnému úpravnictví a v českém Jáchymově, kde se podílel na modernizaci zdejších dolů v souvislosti s rozvojem těžby uranových rud. V roce 1855 navrhl Rittinger zařízení k účinnějšímu odpařování solanky (solí nasycené důlní vody). Pomocí vodním kolem poháněné mechanické komprese odpadních par z varné pánve a jejich následné dekompresi v prostoru spodní části varné pánve mělo dojít k dalšímu ohřátí těchto par ze solného roztoku a k úspoře palivového dřeva. Toto zařízení bylo nejprve teoreticky popsáno jako „parní čerpadlo“ v publikaci (Rittinger 1855) a následně pokusně postaveno v letech 1856–1857 na solných dolech v Ebensee v Rakousku. Zařízení, které mělo mít teoretický výkon 14 kW a podle Rittingera přinášet až 80 % úsporu paliva, však v reálu příliš nefungovalo. Prosolené páry zanášely celý systém, a také nebylo možné zajistit kontinuální provoz. Neboť krystalizovanou sůl bylo nutno mechanicky odstraňovat, a tudíž bylo nutné otevírat pánev, ze které tak ucházel potřebný tlak.

Na Rittingerův vynález navázali další průkopníci, a tak v roce 1877 na solných dolech ve švýcarském Bexu bylo zdokonalené zařízení skutečně uvedeno do trvalého provozu.

Po vynálezci, který má tolik společného i s nynější Českou a Slovenskou republikou, je pojmenovaná Mezinárodní cena Petera von Rittingera. Ta je od roku 2005 každé tři roky udělována IEA nejlepším výrobkům z oblasti tepelných čerpadel a klimatizační techniky.

Obr. Pohled na část prvního tepelného čerpadla obsahující elektrický motor a kompresor instalovaného ve Švýcarsku pro vytápění radnice v Zurichu v roce 1938

Méně je známé, že s vývojem tepelných čerpadel je úzce spojen i významný, ale velmi slabě doceněný slovenský vědec Aurel Stodola, který poprvé prakticky použil rovnici, jejíž autorem je Louis Georges Gouy v roce 1889. Stodola jako rodák z Liptova a osobní přítel Alberta Einsteina se nemalou měrou podílel na konstrukci prvního tepelného čerpadla, které se využívalo jak k vytápění, tak ke chlazení. Systémy představené před tímto tepelným čerpadlem se zaměřovaly jen na vytápění. Základním krokem pro konstrukci tepelných čerpadel byla v podání Stodoly rovnice Gouy-Stodolova, která formuluje termodynamické vztahy v otevřených systémech. Tato rovnice pro tepelná čerpadla stanoví podmínky, při jejichž nedodržení by se ze systému ztrácela energie nenávratně a systém by nemohl fungovat jako tepelné čerpadlo.

Kolem roku 1900 zůstávala tepelná čerpadla použitelná hromadně pro vytápění stále ještě jen vizí některých inženýrů. K rozvoji techniky tepelných čerpadel velmi přispělo Švýcarsko jako stát bez větších energetických zdrojů, ale s vysokou schopností přesné strojírenské výroby a díky těsné spolupráci univerzit s praxí. Švýcarský inženýr Heinrich Zoelly byl první, kdo navrhl elektricky poháněné tepelné čerpadlo země-voda pro výrobu nízkoteplotního tepla. Patent mu byl přiznán v roce 1912, nicméně v té době ještě nebyly k dispozici vhodné komponenty. Například dnes oblíbený kompresor scroll byl patentován v roce 1905, ale komerční výroba se rozběhla až po roce 1980.

V roce 1991 bylo ve Švýcarsku v provozu již asi 30 000 tepelných čerpadel s průměrným tepelným výkonem 25 kW. Asi 2/3 z nich využívaly jako zdroj tepla okolní vzduch, ale rychle rostl podíl tepla ze zemních vrtů. V té době se reálných sezónní topný faktor pohyboval kolem 2,4 u systémů vzduch-voda a u systémů solanka-voda (země-voda) 2,5, což bylo dáno i malou účinností čerpadel.

Z historie sorpčních tepelných čerpadel

Sorpční tepelná čerpadla využívají změn mezimolekulárních sil mezi sorbentem a pracovní látkou, chladivem, které vyvolává působení tepelné energie. Tepelná energie se získávala spalováním paliv. Využití sorpčního cyklu pro vytápění však předcházela poměrně dlouhá doba jeho využití jen pro chlazení.

V roce 1851 navrhl francouzský technik Ferdinand Carré první komerčně úspěšný sorpční chladicí systém s pracovní látkou amoniakem (čpavkem). Přitom navázal na práce svého bratra Edmonda, který vyvinul první absorpční chladicí stroj pracující s vodou a oxidem siřičitým SO₂.

Carrého malé „domácí“ zařízení“ dokázalo vyrobit 0,5 až 2 kg ledu na každou operaci, neboť nepracovalo cyklicky a chladivo čpavek přecházelo mezi dvěma kopulemi, jednou vyhřívanou. Po vyčerpání sorbentu v kopuli se musel proces manuálně přestavit a začala se zahřívat druhá kopule. Náklady, velikost a složitost těchto chladicích systémů spolu s toxicitou čpavkových chladiv zabránily obecnému rozšíření těchto ledniček v domácnostech.

Další vývojová verze byla slibnější. Byla patentována v roce 1859 a 1860 ve Francii, ve Velké Británii a v USA. Tento Carréův a tento stroj již měl všechny prvky moderních zařízení včetně kotle s usměrňovačem a pracoval kontinuálně. Tento stroj byl vyroben již v roce 1860 Mignon&Rouart v Paříži. Nejprve vyrobili 5 modelů, produkujících 12 až 100 kg ledu za hodinu.

Obr. Výrobník ledu, který navrhl Ferdinand Carré. Jako absorbentu využívá vodu a jako chladivo amoniak. Zdrojem tepelné energie je spalování paliva. (Zdroj: Wikipedie)

Carréův stroj byl záhy i exportován a vyráběn v několika zemích. Bylo to tedy první chladicí stroje, které dosáhly obecného průmyslového významu.

Přestože se využitím obnovitelných zdrojů energie intenzivně zabýváme posledních cca 40 let, nemělo by upadnout v zapomnění, že například již v roce 1878 předvedl na pařížské světové výstavě Augustin Mouchot absorpční chladicí stroj využívající slunečního záření. Záření bylo trychtýřovitou soustavou zrcadel koncentrováno na ohřívanou část sorpčního stroje.

V té době se využívaly především empirické zkušenosti a teorie absorpčního stroje přišla mnohem později. Na jejím vzniku a rozšíření se významně podílel německý vědec Edmund Altenkirch, a to i vydáním publikace Komplexní termodynamická studie binárních směsí pro absorpční chladicí stroje, a to v roce 1913.

K většímu rozvoji těchto tepelných čerpadel k vytápění došlo až mnohem později a vývoj šel mnohem pomaleji ve srovnání s kompresorovými tepelnými čerpadla. Velkou příležitost ke snížení spotřeby zemního plynu náhradou za plynové kotle v nich vidělo Švýcarsko. V roce 1993 tam bylo úspěšně otestováno tzv. difusní absorpční tepelné čerpadla (DAWP) pracující s vodou a amoniakem s tepelným výkonem okolo 3,5 kW. Prototyp byl podrobně testován v laboratorních podmínkách v souladu s německými normami DIN 8900 a DIN 33830, přičemž test dopadl s povzbudivými výsledky. Při 0 °C/35 °C byl naměřen topný faktor 1,43 a při 0 °C/50 °C to bylo 1,35. Na trh bylo toto zařízení nabídnuto v kombinaci se špičkovým plynovým kotlem s cílem zajistit komfort i při přípravě teplé vody.

Z historie chladiv

Historie chladicích strojů, tedy i tepelných čerpadel je těsně spojena s historií chladiv.

Jak bylo uvedeno v historii kompresorových tepelných čerpadel, tak za první látku použitou jako chladivo, tedy pracovní látku kompresorových chladicích strojů a tepelných čerpadel, lze považovat diethylether CH₃CH₂)₂O v polovině osmnáctého století. Je to nejrozšířenější člen třídy sloučenin obecně nazývaných ethery.

Methylether CH₃OCH₃ jako chladivo byl představen a patentován Charlesem Tellierem v roce 1863. Byl použit například ve stroji zkonstruovaném německou společností Linde v roce 1875 [Linde 2004].

V roce 1866 byl jako chladivo zaveden oxid uhličitý CO₂. Američan Thaddeus S.C. Lowe si nechal chladicí systém s oxidem uhličitým patentovat v roce 1867. Velkého úspěchu se dočkal po roce 1890 s uplatněním na lodích.

Amoniak NH₃ (čpavek) byl použit v Americe v továrně na výrobu ledu v roce 1868. Dvojčinný čpavkový kompresor zhotovil v roce 1869 Francis DeCoppet. David Boyle (narozen ve Skotsku) vyrobil první čpavkový kompresor v roce 1873 ve věku 23 let let!

Švýcar Raoul Pictet, professor v Ženevě, který pracoval na zkapalňování plynů, zavedl jako chladivo oxid siřičitý SO₂ v roce 1874. Tato látka má výhodu v tom, že jde současně o mazivo, tedy snižuje tření ploch v kompresoru a je nehořlavá. Na druhé straně při kontaktu s vlhkostí vytváří síru, a poté kyselinu sírovou, silnou žíravinu, a korozí snižuje životnost strojů.

V dějinách tepelných čerpadel během dvacátého století se vedle amoniaku, který má vynikající termodynamické vlastnosti, a proto si i přes svou jedovatost drží významnou pozici, prosadila chladiva na bázi sloučenin metanu s chlorem a fluorem, obecně nazývaných freony. Například dlouhodobě byla velmi oblíbená chladiva R12 (dichlordifluormetan) nebo R22 (chlordifluormetan). Po zjištění jejich toxicity pro ozónovou vrstvu koncem sedmdesátých let se následkem vývoje legislativy na ochranu životního prostředí freony koncem devadesátých let začaly omezovat v nových zařízeních a přecházelo se na chladiva bez chlóru, například R-410A a R-134a. V současné době již ani tato chladiva nejsou perspektivní a snahou je přecházet na chladiva, která nejen nepoškozují ozónovou vrstvu, ale mají i velmi nízký skleníkový efekt. Například pro tepelná čerpadla v domácnostech a bytových domech se nyní upřednostňují chladiva R32 (difluormetan), R290 (propan) a R744 (oxid uhličitý).