Régi idők hűtése – A hűtés története

Hűtésről beszélünk minden olyan esetben, amikor valamely közegből hőt vonunk el. („Hideget csinálni” ugyanis nem lehet.) A hőtan II főtétele szerint a hő azonban „magától” csak egy melegebb, vagyis egy nagyobb hőmérsékletű helyről egy hidegebb, vagyis kisebb hőmérsékletű helyre képes átáramlani. Ellenkező irányú vándoroltatásához munka befektetésére is szükség van. (A víz is magától lefolyik a hegyről, de visszafelé már szivattyúzni kell.)

A mesterséges hűtés hűtőkamrával
Ha a hűtendő közeg hőmérséklete nagyobb a környezet hőmérsékleténél, akkor a hűtés a természetben rendelkezésre álló alkalmas közegekkel: levegővel, vízzel, (ha van, akkor természetes jéggel) is megoldható. Az ilyen esetekben természetes hűtésről beszélünk. Ha azonban a hűtendő közeg hőmérsékletét a természetes hűtőközegek hőmérsékleténél kisebb hőmérsékletre kell csökkenteni vagy azon tartani, illetve nem áll rendelkezésre a megfelelő hőmérsékletű és mennyiségű természetes hűtőközeg, akkor a feladatot csak mesterséges hűtéssel, munka befektetése árán lehet végrehajtani. Ennek gyakorlati megoldásaival foglalkozik a hűtőtechnika.

Napjainkban a mesterséges hűtésre túlnyomóan a mechanikai energia felhasználásával működő kompresszoros hűtőberendezéseket használják. Ezek működtetéséhez mindenek előtt szükség van egy alkalmasan megválasztott közegre, egy ún. hűtőközegre, amely a hűtéshez szükséges hőmérsékleten elpárologtatható, és (egy nagyobb nyomáson) a környezet hőmérsékletszintjén cseppfolyósítható.

A kompresszoros hűtési rendszer működési elve röviden a következő. A hűtőközeg a hűtési feladatnak megfelelő hőmérsékleten (az ennek megfelelő kis nyomáson) elpárologtatva hőt von el a környezetéből, és ezzel hasznos hűtőhatást fejt ki. A keletkező hűtőközeg-gőzt a kompresszorral folyamatosan el kell szállítani, és egy olyan nagy nyomásra kell összeüríteni, amelyen a környezetben rendelkezésre álló természetes hőfelvevő közegek (víz, vagy levegő) segítségével, azok adott hőmérsékletszintjén cseppfolyósítani lehet.

A cseppfolyósított nagynyomású hűtőközeget nyomáscsökkentés (fojtás, vagy más típusú expanzió) után vissza kell juttatni a hűtés helyére.
A működést termodinamikailag vizsgálva: a mesterséges hűtést végző hűtőrendszerekben a hűtőközeg állapotváltozásainak zárt sorozata megy végbe, miközben a hűtőközeg a hűtendő közegből alacsony hőmérsékletszinten felvett hőt külső energia segítségével a hőleadás hőmérsékletszintjére szállítja. Ezt a hőtranszformációt általában egy mechanikus kompresszorral valósítják meg.

A kompressziót követően a hűtőközeg a felvett hő és a befektetett hajtóenergia összegét a természetes hűtőközegnek leadja, majd expandáltatás után ismét hőfelvételre alkalmas kezdeti állapotba kerül. A bemutatott körfolyamat kialakítása mellett a hűtőtechnika feladatai közé tartozik a hűtőközeg és a hűtendő közeg, illetve a hűtőközeg és a hőfelvevő természetes (atmoszférikus állapotú) közeg megfelelő kapcsolatának biztosítása is. Lehetővé kell tenni, hogy a lehűtendő közeget a hideg hűtőközeg lehűtse, illetve, hogy a hűtőközeg által a lehűtendő közegből elvont és magas hőmérsékletszintre transzformált hőt a környezet átvegye. Ezeket a feladatokat hőcserélőkkel oldják meg.

A mesterséges hűtés fejlődésének főbb állomásai A fönnmaradt írások, emlékek arról tanúskodnak, hogy a hűtés iránti igény valószínűleg az emberiség kultúrtörténetével egyidős. Hosszú időn keresztül a környezetinél kisebb hőmérsékletek előállítására a természetes jeget vagy havat használták, hogy velük a meleg időszakokban is hűthessenek italokat, ételeket, sőt nem ritkán lakóhelyiségeket is. A hideg időszakban kitermelt jeget elvermelték, azaz laza anyagokkal bélelt, hőszigetelt, föld alatti tárolókban raktározták.

A híres ókori orvos, Hippokratész már a Kr.e. ötödik században elítéli azt a „rossz szokást”, hogy egyesek jéghideg italokat fogyasztanak, mert ez a test hőállapotának hirtelen megváltoztatása miatt az egészségre nézve káros. Tudjuk, hogy Nagy Sándor császár katonáinak örömére Perzsiából szállíttatott jeget Petrába, hogy borukat hűthessék. A rómaiak pedig nem csak ételeiket-italaikat hűtötték a télen a hegyekből leszállított hóval, jéggel, hanem Varius Avarus császár már „klímatizálás”-ra is használta: villájának kertjében hóhegyeket halmoztatott fel, hogy nyáron vendégeivel együtt kellemes környezetben tartózkodhasson. Az egyik bagdadi kalifa pedig az örményországi hegyekből hozatott havat hasonló célból nyaralójának kettős falai közé tömette.

A havat és a jeget főleg hajókon, de szárazföldi úton is szállították a meleg égövi vidékekre. A magas költségek és a nagy veszteségek miatt azonban a jeget mindenhová eljuttatni nem lehetett. Ezeken a helyeken „mesterséges” hűtést alkalmaztak. A víz száraz levegőbe való intenzív bepárolgásának hűtőhatását már Kr.e. kb. 2500-ban felhasználták Egyiptomban. A falfestmények megörökítették, hogy a vizet zománctalan agyagkorsókba öntötték, amelyeknek a pórusain át a víz könnyen kiszivárog, és az edények külső felületén elpárologva hűti az edény tartalmát. A falfestményeken az is látható, hogy a párolgás hatásosságát nagy legyezőkkel élénk légáramlást okozva mesterségesen is növelték. Indiában a Föld erős éjszakai kisugárzását is kiaknázták hűtésre: derült éjszakákon lapos agyagedényekben vizet helyeztek ki szalmával bélelt gödrökbe vagy a lapos háztetőkre. Kedvező időjárási körülmények között (derült időben, igen kis páratartalom mellett) az edényekbe töltött víz annyira lehűl, hogy a felszínén vékony jéghártya is keletkezik.

A hó, jég és a párologtatás mellett azonban már viszonylag korán felfedezték az ún. hűtőkeverékeket is. Indiában pl. már a IV. században (i.sz.) tudták, hogy a vizet só hozzáadásával hűteni lehet. Olaszországban és Spanyolországban is már a középkorban rájöttek, hogy a vizet szalmiáksó bekeverésével le lehet hűteni. A XVI. századtól ezeket a hideg sóoldatokat elsősorban tudományos célra használták, de később cukrászdákban, háztartásokban is hűtöttek velük. Fahrenheit hó és szalmiáksó keverékével állította elő az akkor legalacsonyabbnak tartott hőmérsékletet (-17,8 °C-ot), amely hőfokskálájának alappontját képezte. Sokkal jelentősebb volt ennél a fejlődésnek az az irányzata, amely a régi egyiptomiak módszerének, a párologtatásnak a módszerét tökéletesítette.

Csakhogy már nem vizet, hanem a víznél kisebb hőmérsékleten párolgó folyadékokat kezdtek kipróbálni. Ezeket a közegeket – amelyeket ma hűtőközegeknek hívunk -, hogy elvesztésüket elkerüljék, az elpárologtatásuk után egy csőrendszeren át egy kompresszorba vezették, majd újra cseppfolyósították. Ezt a készülékcsoportot hívjuk ma kompresszoros hűtőberendezésnek. Az első kompresszoros hűtőberendezést az amerikai Jakob Perkins szabadalmaztatta 1834-ben. Berendezése etil-éterrel működött. Ez a hűtőközeg azonban rendkívül robbanásveszélyesnek bizonyult, Perkins ötlete nem terjedhetett el.

A 19. évszázadban azonban az ipar fejlődésével együtt fokozódó hűtési igényt természetes jéggel és hóval (elsősorban a tárolási problémák miatt) már végképp nem lehetett gazdaságosan fedezni, és egyre sürgetőbbé vált helyette valamilyen más eljárás alkalmazása. A mesterséges hűtésre várt az a feladat, hogy a hűtési igényeket évszaktól, időjárástól és földrajzi helytől függetlenül ki lehessen elégíteni. Nem szabad elfelejteni, hogy ez a feladat eleinte szinte kizárólag a jég mesterséges előállítása volt!

Az első, iparilag is hasznosított jéggyártó hűtőberendezés, amelyet 1859-ben Ferdinánd Carré szabadalmaztatott, abszorpciós rendszerű volt, és 1867-ben ő alkalmazta először hűtőközegként az ammóniát is. Vele csaknem egyidejűleg (1870 körül) Carl von Linde alkotott egy ugyancsak ammónia hűtőközeggel működő, de kompresszoros rendszerű hűtőberendezést. Linde rendszere a dugattyús gőzgépek egyidejű forradalmi fejlődésével és elterjedésével párhuzamosan (és részben annak köszönhetően, hogy az akkori hűtőkompresszorok elemei a gőzgépekével nagyrészt azonosak voltak) gyorsan és általánosan elterjedt. A mesterséges hűtés problémájának sikeres megoldásával nemcsak a jégigény maradéktalan kielégítésére volt mód, hanem a hűtés alkalmazási területei is bővültek. Megkezdődött a hűtő- és fagyasztóházak létesítése, sőt megépültek a XX. század elején az első műjégpályák is.

A korabeli hűtőberendezések azonban a maiakkal összehasonlítva gigantikus méretűek voltak, állandó felügyeletet igényeltek, indításuk, leállításuk, szabályozásuk nagy kézikerekek forgatásával, kizárólag szakszerű emberi beavatkozással történhetett. Emiatt csak a nagy raktárak, jéggyárak stb. hűtésére lehetett az ilyen hűtőberendezéseket gazdaságosan használni, az üzletek, a hentesek stb., valamint a háztartások pedig a most már mindig beszerezhető mesterséges jéggel feltöltött jégszekrényekben hűtötték az élelmiszereiket.

A XX. század kezdetére Amerikában megszületett az a találmány, amely valamivel később azután forradalmasította az egész hűtőtechnikát. Kifejlesztettek egy olyan kisméretű hűtőberendezést, amelyet az addig használt jégszekrénybe be lehetett építeni. Ehhez a legfontosabb támogatást a XIX. század végén feltalált villanymotor, és a villamos világítási hálózatok kiépítése nyújtotta. Így lehetőség nyílt olyan automatikusan működő, laikusok által is használható kompresszoros kishűtő-berendezések megalkotására, amely a korábbi hajtási lehetőségekkel, azaz gőzgép- vagy robbanómotoros hajtással elképzelhetetlen volt. De jóllehet ez a rendszer harminc éven keresztül, mint üzembiztos és teljesítőképes megoldás rendelkezésre állt, nagyobb elterjedését megakadályozták az akkor ismert hűtőközegek (ammónia, kén-dioxid stb.) kellemetlen tulajdonságai. Ezek ugyanis valamennyien vagy mérgezők, vagy robbanásveszélyesek voltak, és a hűtőberendezés meghibásodásakor balesetet, kárt okozhattak.

Jelentős új fejezetet nyitott a hűtőtechnika történetében a ’30-as években feltalált és „freon” márkanéven ismertté vált hűtőközegek bevezetése. Ezek a szénhidrogén-számazékú szagtalan, nem mérgező, nem éghető, nem robbanó gázok forradalmasították a kisméretű kompresszoros hűtőberendezések elterjedését. A második világháborút követően azután a hadicélú robbanómotor-gyártás bázisain megindult a hermetikus hűtőkompresszorok nagy sorozatú, gazdaságos gyártása is. Ezek, a velük együtt fejlesztett és ugyancsak nagy sorozatban gyártott automatika-elemekkel és szerelvényekkel együtt nagy üzembiztosságú, szakfelügyelet nélküli automatikus üzemre alkalmas hűtőberendezések megépítését, és igen széles területen történő felhasználását tették lehetővé.

A XX. század végére a technológiai fejlődés utat nyitott az alternáló dugattyús kompresszortípusok mellett az addig is ismert, de a gyártási nehézségek miatt elterjedni még nem tudó más kompresszortípusok (csavar-, forgódugattyús- és „scroll”-kompresszorok) széleskörű alkalmazására is. Századunk nagy vívmányai: az elektronika és a számítástechnika is bevonult a hűtőberendezések szakterületére, tovább javítva a hajtás, az automatikus szabályozás és az üzemellenőrzés lehetőségeit.

A századvégen azonban egy új probléma is előtérbe került. Kiderült, hogy az egyébként veszélytelennek minősülő freon-típusú hűtőközegek egy része a környezetet károsítja: a szabadba jutva hozzájárul a Föld ózonpajzsának lerombolásához, és a légkör üvegház-hatását fokozva az atmoszféra általános felmelegedéséhez is. Napjainkban a fejlesztők figyelme elsősorban arra irányul, hogy azon, a hűtőtechnikai szempontból jól bevált hűtőközegek helyett, amelyeket a jövőben környezetvédelmi okokból nélkülöznünk kell, megfelelő, távlatilag is alkalmas helyettesítőket találjanak. Mert ahogy a régi római mondás szerint „hajózni pedig mindenképpen kell”, ma már azt is elmondhatjuk: a mesterséges hűtésre is minden felmerülő nehézség ellenére nélkülözhetetlenül szükség van.

Szemelvények Dr. Jakab Zoltán Kompresszoros hűtés I-II. című könyvéből