Погода по заказу
Еще лет десять назад кондиционер в автомобиле вызывал столько же вожделенного трепета и страха, что и автоматическая коробка передач. А сейчас с гордо поднятыми стеклами в жару рассекают даже малолитражки, у которых и электростеклоподъемники-то не всегда встретишь.
Текст: Карелов Олег.
Чтобы оценить прелесть прохлады в салоне автомобиля, климат субтропиков совсем не обязателен. Даже при комфортных 20 градусах окружающей среды достаточно оставить автомобиль постоять под солнцем всего на пару часов, чтобы затем, открыв дверь, ощутить такой жар, которому позавидует даже любитель русской бани. Конечно, можно быстро охладить разгоряченный автомобиль, открыв на скорости окна, но что, если вы попадаете в пробку? А рядом еще дымящий автобус, да и асфальт на солнцепеке уже изрядно разогрелся. От такого проветривания едва ли станет лучше.
С кондиционером же выставил нужную температуру, нажал кнопку рециркуляции воздуха, закрыл окна и – наслаждаешься прохладой и тишиной. Красота!
Причем комфортная температура в салоне – это не только приятно, но и весьма полезно с точки зрения безопасности. Пытливые шведы из Volvo провели эксперимент, целью которого была попытка установить зависимость скорости реакции и степени сосредоточенности водителей от температуры окружающего воздуха. И оказалось, что повышение температуры с 21 до 27 градусов приводит к увеличению времени реакции на 22% и снижению внимательности на целых 50%, что выражалось в пропуске испытуемыми дорожных указателей и индикаторов состояния автомобиля.
Нельзя не отметить и такую важную “побочную” функцию кондиционера, как снижение влажности воздуха. Если у вас сильно запотели окна, то, включив его, вы быстро избавитесь от раздражающей пелены даже при небольшой скорости вентилятора – пары воды в воздухе будут конденсироваться на холодном радиаторе кондиционера, и влажность в салоне резко упадет. Сам же конденсат стечет по трубке на улицу.
ТЕОРИЯ
С физической точки зрения задача кондиционера состоит в отводе тепла из салона автомобиля. И, вообще говоря, для этого можно применять различные устройства и схемы, например, элементы Пельте – близкорасположенные параллельные пластины, перенос тепла между которыми происходит при протекании электрического тока через разделяющие их полупроводники. В результате одна пластина нагревается, а другая охлаждается. Однако в качестве системы охлаждения салона они так и не прижились, хотя и применяются во многих небольших портативных холодильниках.
Впрочем, это отдельная тема, а для нас же интересен тот факт, что, несмотря на уже весьма солидный возраст, конструкция автомобильного кондиционера существенных изменений не претерпела. Разумеется, идет процесс совершенствования материалов, снижения себестоимости, но в основе работы кондиционера по-прежнему лежит известный еще со школы эффект охлаждения испаряющейся жидкости.
Правда, чтобы добиться высокой производительности, приходится прибегать к дополнительным мерам. В частности, чтобы испарение, а, следовательно, и охлаждение было интенсивным, нужна жидкость с низкой температурой кипения. Как правило, для этого используются так называемые фреоны, процесс кипения которых начинается при -40..-20 градусах. Таким образом, в нормальных условиях, то есть при атмосферном давлении и околонулевой температуре, их испарение происходит очень интенсивно – они буквально кипят, стремительно охлаждаясь до отрицательных температур.
Итак, жидкость испаряется, охлаждая радиатор, то есть, отбирая тепло из салона. Но что делать с полученным паром? Его нужно превратить обратно в жидкость, которую можно будет повторно испарить. Но добиться этого не так просто, ведь при температуре выше точки кипения жидкости её пар не конденсируется. А температура эта, как мы помним, очень низкая. И что делать? Не охлаждать же пары фреона до -40!
Значит, остается другой вариант – повысить саму температуру кипения, что обеспечивается поднятием давления в системе. Теперь остается лишь немного охладить разогретый от сжатия пар, и цепочка замкнется: конденсируруясь, фреон перейдет в жидкое состояние и будет опять готов к испарению.
С термодинамической же точки зрения получается такая картина: испаряясь, пар поглощает тепло из салона автомобиля, а, конденсируясь, отдает его в окружающую среду. Так и осуществляется перенос тепла.
ПРАКТИКА
А теперь рассмотрим, как же все устроено под капотом автомобиля.
Циркуляцию и давление в системе обеспечивает компрессор, вращаемый двигателем автомобиля посредством ременной передачи. Работает он не постоянно, а периодически. Для этого вал компрессора присоединяется к шкиву с помощью электромагнитной муфты, которая при смыкании издает характерный щелчок.
Газообразный фреон, нагнетаемый компрессором под давлением от 7 до 15 бар, поступает в конденсор – радиатор, расположенный носовой части автомобиля, в котором пар охлаждается и конденсируется. Далее уже в сжиженном состоянии под давлением фреон продвигается к испарителю – второму радиатору, установленному уже в салоне автомобиля. Но на входе в испаритель путь ему перекрывает специальный клапан, обычно называющийся терморегулирующим вентилем (ТРВ). Он управляет процессом испарения, точно отмеряя впрыскиваемые в испаритель порции. Если подаваемого фреона, окажется слишком мало, то и радиатор несильно охладится. Если же слишком много - в испарителе поднимется давление, повысится температура кипения, и само испарение будет не столь интенсивным, что опять-таки скажется на эффективности охлаждения.
И, наконец, уже в газообразном состоянии фреон поступает на вход компрессора.
Помимо упомянутых узлов, в систему кондиционирования обычно встраиваются и дополнительные устройства. Так, на выходе из конденсора устанавливается ресивер-осушитель. Внешне, как правило, он представляет собой небольшой цилиндр. Задача же его состоит в фильтрации фреона, удалении из него воды и механических примесей, а так же в сглаживании пульсаций давления, возникающих вследствие периодических включений и выключений компрессора. Если этого не сделать, то клапан ТРВ не сможет осуществлять точную подачу фреона.
Иногда после испарителя устанавливается еще одно устройство — аккумулятор-осушитель, задачей которого является доиспрарение не успевшего до конца перейти в газообразное состояние фреона. Ведь, попав в компрессор, жидкость может вызвать гидроудар.
КОНКУРСНЫЙ ОТБОР
Говоря о принципах работы кондиционера, мы лишь вскользь затронули вопрос выбора хладагента, то есть жидкости или газа, использующегося для переноса тепла. Между тем, этот аспект очень важен, и сейчас именно он подлежит пристальному рассмотрению инженеров и экологов.
Дело в том, что к хладагенту предъявляется много требований, от которых зависит и техническая сложность деталей кондиционера, и их размеры, и эффективность работы. Например, интенсивность охлаждения определяется не только скоростью испарения, зависящей от температуры кипения, но и от количества тепла, поглощаемого каждым килограммом испаряющегося хладагента, то есть от удельной теплоты парообразования. А такой параметр, как критическая температура, определяет требования к качеству охлаждения конденсора – если она окажется очень низкой, то, превысив её, вообще не удастся добиться конденсации паров хладагента ни при каком давлении, развиваемым компрессором. В общем, нюансов здесь очень много, а за последние 30 лет к ним добавились и еще требования экологической безопасности.
Поэтому кандидатов на роль хладагента немало, но оптимальный вариант еще предстоит найти. Так, изначально в холодильных машинах использовался аммиак. Однако, несмотря на свои отличные термодинамические характеристики, он оказался очень ядовит и взрывоопасен, из-за чего вскоре пришлось от него отказаться.
Вместо аммиака стали применять разнообразные фреоны – фторсодержащие производные углеводородов. Но и здесь все оказалось не столько однозначно, как предполагалось ранее. Популярный до 90-ых годов фреон R12 отличался хорошими тепловыми качествами и был безвреден для человека, однако негативно влиял на озоновый слой. В результате, с 1995 года его производство вообще попало под запрет.
С тех пор автомобильные кондиционеры стали заправлять безопасным для озона хладагентом R134a. Но опять незадача: в отличие от R12-го он медленнее испаряется, на 15% меньше переносит тепла и требует более высокого давления в системе. Впрочем, все это меркнет на фоне главного недостатка – огромного влияния на увеличение парникового эффекта. По сравнению с CO2 он агрессивнее в 1300 раз! Разумеется, сейчас, когда поднялся шум на тему глобальным потепления, этого оказалось достаточным, чтобы подписать приговор – с 2017 года применению R134a в автомобилях будет положен конец.
А что дальше? Пока четкого ответа нет. Одни пробуют применять углекислый газ в качестве хладагента, другие синтезируют новые фреоны, а третьи пытаются подобрать оптимальную смесь из старых. И кто окажется прав, угадать сложно.
|
