Чтобы оценить прелесть прохлады в салоне авто, достаточно оставить его постоять под солнцем всего пару часов даже при комфортных 20 градусах. Потом, открыв дверь, вы ощутите такой жар, которому позавидует даже любитель русской бани. Конечно, можно быстро охладить разгоряченную машину, открыв на скорости окна, а если попадаете в чадящую пробку?
С кондиционером же все просто: 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 полезно с точки зрения безопасности. Пытливые шведы из Volvo провели эксперимент, целью которого была попытка установить зависимость скорости реакции и степени сосредоточенности водителя 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 «побочную» функцию кондиционера, как снижение влажности воздуха. Если у вас сильно запотели окна, то, включив его, вы быстро избавитесь от раздражающей пелены даже на небольшой скорости вентилятора – пары воды в воздухе будут конденсироваться на холодном радиаторе кондиционера, и влажность в салоне резко упадет.
ТЕОРИЯ
С физической точки зрения задача кондиционера состоит в отводе тепла из салона автомобиля. Для этого можно применять различные устройства и схемы, например, элементы Пельте – близко расположенные 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 (в отличие от холодильников) они не прижились.
Впрочем, это отдельная тема, а нам интересен тот факт, что, несмотря на 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, ради высокой производительности приходится прибегать к дополнительным мерам. Так, чтобы испарение, а следовательно, и охлаждение были интенсивными, нужна жидкость с низкой температурой кипения. Обычно используют фреоны, процесс кипения которых начинается при минусовых температурах: -40…-20 градусов. То есть в нормальных условиях (при атмосферном давлении и околонулевой температуре) испарение происходит очень интенсивно – они буквально кипят, стремительно охлаждаясь до отрицательных температур.
Итак, жидкость испаряется, охлаждая радиатор и тем самым отбирая тепло из салона. Но что делать с полученным паром? Его нужно превратить обратно в жидкость, которую можно повторно испарить. Добиться этого непросто, ведь при температуре выше точки кипения жидкости ее пар не конденсируется. А температура эта очень низкая. Не охлаждать же пары фреона до -40!
Остается другой вариант – повысить саму температуру кипения, что обеспечивается поднятием давления в системе. Теперь нужно лишь немного охладить разогретый от сжатия пар, и цепочка замкнется: конденсируясь, фреон перейдет в жидкое состояние и будет опять готов к испарению.
ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ КОМПРЕССОР КОНДИЦИОНЕРА МОЖЕТ ОТНИМАТЬ У ДВИГАТЕЛЯ ДО 15 ЛОШАДИНЫХ СИЛ
ПРАКТИКА
Теперь рассмотрим, как все устроено под капотом машины. Циркуляцию и давление в системе обеспечивает компрессор, вращаемый двигателем автомобиля посредством ременной передачи. Работает он не постоянно, а периодически.
Газообразный фреон, нагнетаемый компрессором под давлением от 7 до 15 бар, поступает в конденсор – радиатор, расположенный в носовой части автомобиля, – где пар охлаждается и конденсируется. Далее уже в сжиженном состоянии под давлением фреон продвигается к испарителю – второму радиатору, установленному в салоне автомобиля. Но на входе в испаритель путь ему перекрывает клапан, называемый терморегулирующим вентилем (ТРВ). Он управляет процессом испарения, точно отмеряя впрыскиваемые в испаритель порции. Если подаваемого фреона окажется слишком мало, то и радиатор не сильно охладится. Если много – в испарителе поднимется давление, повысится температура кипения и само испарение окажется не столь интенсивным. Наконец, уже в газообразном состоянии фреон поступает на вход компрессора.
Помимо упомянутых узлов в систему кондиционирования встраиваются и дополнительные устройства. Так, на выходе из конденсора устанавливается ресивер-осушитель (внешне это небольшой цилиндр). Его задача – фильтрация фреона, удаление из него воды и механических примесей, а также сглаживание пульсаций давления, возникающих из-за включения и выключения компрессора. Иногда после испарителя ставят еще одно устройство – аккумулятор-осушитель, задачей которого является доиспарение не успевшего до конца перейти в газообразное состояние фреона.
КОНКУРСНЫЙ ОТБОР
Говоря о принципах работы кондиционера, мы лишь вскользь затронули вопрос выбора хлад"я ругаюсь я дурак"агента – жидкости или газа, используемых для переноса тепла. Хотя этот аспект очень важен и сейчас именно он активно обсуждается инженерами и экологами.
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 количеством тепла, поглощаемого каждым килограммом испаряющегося хладагента. А такой параметр, как критическая температура, определяет требования к системе охлаждения: если она окажется очень низкой, то, превысив ее, вообще не удастся добиться конденсации паров хладагента ни при каком давлении. В общем, нюансов много, а за последние лет тридцать к ним добавились еще и требования экологической безопасности.
Поэтому кандидатов на роль хладагента немало, но оптимальный вариант еще предстоит найти. Так, изначально в холодильных машинах использовался аммиак. Но, несмотря на отличные термодинамические характеристики, он оказался очень ядовит и взрывоопасен. Вместо аммиака стали применять разнообразные фреоны – фторсодержащие производные углеводородов. Но и здесь все оказалось неоднозначно. Популярный до 90-х 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 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 во весь рост встала проблема глобального потепления, этого оказалось достаточно для приговора – с 2017 года применению R134a в автомобилях будет положен конец.
Что дальше? Пока четкого ответа нет. Одни думают применять в качестве хладагента углекислый газ, другие синтезируют новые фреоны, третьи пытаются подобрать оптимальную смесь из старых. Кто окажется прав, угадать сложно.?
(с) Олег Карелов, Autunews
