Klimatizace: kam odchází teplo

Fyzika 2. stupeň ZŠ Střední škola Demonstrace Nízká

Klimatizace v autě fouká studený vzduch, a přesto chlad nevyrábí. Model klimatizace ukáže proč: termokamera najde vedle studených výdechů i teplou stranu, kam model odvádí teplo odebrané vzduchu. V modelu teplo přečerpává Peltierův článek, ve skutečném autě kompresor, ale princip je stejný.

Co termokamera ukáže

Studenou a teplou stranu Peltierova článku. Postupné zvětšení rozdílů teplot po zapnutí napájení. Proud z výdechů, porovnání teplého a studeného kanálu.

Princip

Klimatizace chlad nevyrábí. Vzduchu, který jí prochází, teplo vezme a jinde ho odevzdá. Má proto vždy studenou stranu, přes kterou prochází vzduch do kabiny, a teplou stranu, která teplo odvádí ven. Teplá strana přitom odevzdá víc tepla, než studená vzala: přidá se k němu energie, kterou klimatizace spotřebuje. Přenosná klimatizace, jejíž hadice s teplým vzduchem nevede z okna, proto místnost neochladí, ale ohřeje.

Ventilátor vzduch neochladí, jen ho žene přes studenou stranu do výdechů. Když běží sám, fouká vzduch stejně teplý jako místnost. Člověka ochladí jen proto, že proudící vzduch rychleji odnáší teplo a pot z kůže.

V modelu přečerpává teplo Peltierův článek z pokusu „Peltierův článek: hřeje i chladí“: proud přenáší teplo z jedné strany destičky na druhou. Skutečná klimatizace v autě i v domě má místo něj kompresorový okruh jako lednice z pokusu „Stlačení a expanze plynu“. Chladivo se vypařuje ve výparníku v palubní desce a bere teplo vzduchu, kompresor ho stlačí a ve výměníku vpředu před chladičem motoru teplo odevzdá. Auto má kompresor proto, že za stejnou elektřinu přečerpá několikrát víc tepla. Peltierův článek se vyplatí tam, kde je důležitější malá velikost, ticho a žádné chladivo pod tlakem: v autochladničce a v modelu pro školu.

Studená strana skutečné klimatizace navíc suší vzduch. Vodní pára se na ní sráží stejně jako na vychlazené lahvi, a proto pod autem se zapnutou klimatizací kape voda.

Klimatizace: kam odchází teplo — Princip

Příklad z reálného života

Autoklimatizace odevzdává teplo z kabiny ve výměníku vpředu před chladičem motoru. Proto v létě po zastavení fouká z přední masky teplý vzduch i z auta, které stálo se zapnutou klimatizací, a pod autem kape voda z výparníku.

Domácí klimatizace má teplou stranu ve venkovní jednotce, která v létě fouká teplý vzduch. U přenosné klimatizace musí hadice s teplým vzduchem vést z okna; jinak se teplo vrací do místnosti a klimatizace ji ohřívá.

Postup

Prohlídka modelu. Ukažte žákům, kudy model nasává vzduch, kudy ho fouká do „kabiny“ a kde je Peltierův článek. Položte otázku, kolem které se pokus točí: když klimatizace fouká studený vzduch, kam se podělo teplo, které vzduchu vzala? Ať žáci tipnou, která část modelu se ohřeje, a tip zapíšou.
Snímek před zapnutím. Vyfoťte model celý a odečtěte teplotu jednotlivých stran Peltierova článku a obou výdechových kanálů.
Kontrola: jen ventilátor. Zapněte model, Peltierův článek nechte vypnutý. Po dvou minutách odečtěte teploty. Zůstanou stejné jako vzduch v místnosti: ventilátor vzduch neochladí.
Chlazení. Zapněte PELTIER a nechte běžet ventilátor. Každou minutu po dobu pěti minut odečtěte teplotu na obou stranách Peltierova článku a zapište je do tabulky.
Zapnutí ventilátoru. Zapněte UPPER FAN a nechte PELTIER běžet. Ze studeného výdechu začne foukat chladný vzduch. Pozorujte shora výdechové kanály.

Proč velký ventilátor nejde vypnout. Velký ventilátor na teplém kanálu stále běží. Je to ochrana Peltierova článku před poškozením vlivem vysoké teploty.

Pro střední školu. Proč auto nemá Peltierův článek. Klimatizace osobního auta přečerpá z kabiny řádově 4 kW tepla. Peltierův článek přečerpá za jeden joule elektřiny obvykle jen asi půl joulu tepla, kompresorový okruh dva až tři jouly. Spočítejte, jaký příkon by potřebovala klimatizace s Peltierovými články a jaký proud by to byl z 12V palubní sítě. Vyjde přes 600 A, zatímco alternátor dodá obvykle 100 až 200 A. Kolik by potřeboval kompresor?

Pomůcky

Model klimatizace (kit Klima)
Termokamera
stojan pro termokameru
stopky nebo hodinky

Orientační čas

25 min

Na co si dát pozor

Proud vzduchu termokamera nevidí, vzduch je pro tepelné záření průhledný. Studený vzduch z výdechů je vidět jen na tom, co ofoukne: na šikmých plochách na konci výdechu.
Na plochy Peltierova článku se dívá skrz otvory zakryté folií z polypropylenu. Termokamera neukazuje přesnou teplotu, ale pro vysvětlení jevu to není podstatné. Pro zjištění přesné teploty je potřeba nastavit v termokameře v části Thermal parameters propustnost okénka (Window) 0,6. Pro snímání vnějších ploch výstupních kanálů ji tlačítkem reset vraťte na výchozí hodnotu 0,867.
Srovnávejte vždy se snímkem před zapnutím a termokamerou mezi snímky nehýbejte.

Bezpečnost

Model napájejte jen tak, jak uvádí výrobce, a nezakrývejte mřížky ani výdechy. Nesahejte dovnitř modelu a na chladič teplé strany, dokud model běží nebo je těsně po vypnutí horký.

Zařazení do RVP

Kódy OVU (ZŠ): CAP-FYZ-002-ZV9-006; CAP-FYZ-001-ZV9-002
Kódy RVP 2021 (ZŠ): F-9-4-03; F-9-1-01
Okruh RVP G: Stavba a vlastnosti látek

Katalog pokusů