Кондиционирование

Мы пользуемся дома и на работе бытовыми и промышленными кондиционерами. Рассмотрим несколько основных понятий относящихся к работе кондиционера. Что такое кондиционирование воздуха? Как устроен кондиционер? Как происходит охлаждение воздуха?

Сначала немного истории. Первая современная система кондиционирования воздуха была разработана в 1902 году молодым инженером-электриком по имени Уиллис Хэвилэнд Кэрриер. Он был разработан для устранения проблемы влажности бумаги и в компании Sackett-Wilhelms Lithography and Publishing Company в Бруклине. Бумажный материал на заводе иногда поглощал влагу из теплого летнего воздуха, что затрудняло многослойную цветную печать. Кэрриер обрабатывал воздух внутри здания, пропуская его через охлажденные трубы. Воздух охлаждался, когда он проходил по холодным трубам, и поскольку холодный воздух не мог содержать столько влаги, как теплый воздух, влажность в типографской машине уменьшалась, и содержание влаги становилось стабильным. Таким образом, влажность воздуха уменьшалась путем снижения температуры воздуха. Так родилась новая технология. Кэрриер сразу понял, что разработал перспективную технологию, позволяющую не только уменьшать влажность , но температуру воздуха. В скором времени кондиционеры начали применяться не только для поддержания технологических процессов, но и для охлаждения помещений. Первые кондиционеры были большими и громоздкими и устанавливались в публичных зданиях. Как правило, такие кондиционеры были составной частью системы вентиляции. В процессе развития появились более компактные бытовые кондиционеры.

Главная задача системы кондиционирования поддерживать комфортные условия в обслуживаемом помещении.

Кондиционирование воздуха в помещениях предусматривается для создания и поддержания в них:

• установленных нормами допускаемых условий воздушной среды, если они не могут быть обеспечены более простыми средствами;
• искусственных климатических условий в соответствии с технологическими требованиями внутри помещения или части их круглогодично или в течение теплого либо холодного периода года;
• оптимальных (или близких к ним) гигиенических условий воздушной среды в производственных помещениях, если это экономически оправдано увеличением производительности труда;
• оптимальных условий воздушной среды в помещениях общественных и жилых зданий, административных и многофункциональных, а также вспомогательных зданий промышленных предприятий.

Кондиционирование воздуха, используемое для поддержания благоприятных условий внутри помещений, называется комфортным, а для поддержания климатических условий необходимых для технологического процесса называется технологическим.

Первые бытовые кондиционеры были моноблочными – т.е. все устройства кондиционера помещались в одном корпусе. Недостатком таких кондиционеров была их высокая шумность. В процессе развития систем кондиционирования наиболее шумную часть кондиционера стали размещать в отдельном блоке, вынесенном на улицу. Моноблоки тоже применяются, например в мобильных и оконных кондиционерах.

Устройство кондиционера.

Для уменьшения шумов в современном кондиционере система разделена на две части

Наружный и внутренний блоки. Каждый из блоков выполняет свою функцию. Внутри наружного блока расположен теплообменник – конденсатор, вентилятор, компрессор, а также расширительный клапан. Кроме указанных устройств электродвигатель, приводящий в действие компрессор и элементы автоматики, с помощью которых происходит включение и выключении двигателя компрессора.

В том случае, когда конструкцией предусматривается работа сплит-системы на обогрев, в наружном блоке дополнительно установлен четырехходовой клапан с электроприводом, подогреватель компрессора и регулятор давления конденсации. С помощь этого клапана происходит переключение режима работы кондиционера с холода на тепло.

Внутренний блок кондиционера помимо корпуса содержит теплообменник – испаритель с вентилятором центробежного типа, фильтрующие элементы, жалюзи для направления потока воздуха и ванночку для сбора конденсата. Между внутренним и наружным блоком прокладываются 2 трубки для хладагента, по трубе с большим диаметром он движется в виде газа, с меньшим – в жидком состоянии. Ниже на рисунке показано устройство сплит-системы с указанием основных элементов:

• 1 – компрессор;
• 2 – четырехходовой клапан для переключения режимов «зима – лето»;
• 3 – электронный блок;
• 4 – осевой вентилятор;
• 5 – теплообменник – конденсатор;
• 6 – магистрали для хладагента;
• 7 – центробежный вентилятор;
• 8 – теплообменник – испаритель;
• 9 – фильтр грубой очистки;
• 10 – фильтр тонкой очистки.

Сплит – система, как и всякая холодильная машина, отличается очень высокой эффективностью. Для примера: охладитель, потребляющий электрическую мощность в размере 1 кВт, обладает холодопроизводительностью ориентировочно 3 кВт. При этом никакие законы сохранения энергии не нарушаются и КПД установки вовсе не 300%, как можно подумать.

Следует понимать, что принцип работы кондиционера заключается не в производстве холода, а в переносе тепловой энергии из одного места в другое посредством хладагента, называемого рабочим телом. Именно таким образом достигается энергоэффективность.

В качестве рабочего тела выступает фреон, чья температура кипения почти на 100 ºС ниже того же показателя у воды. Суть процесса состоит в том, что для парообразования любая жидкость должна получить большое количество тепловой энергии, ее рабочее тело и отнимает у комнатного воздуха в испарителе. В физике эта энергия называется удельной теплотой парообразования.

Испаренный во внутреннем блоке фреон по трубке большого диаметра поступает в компрессор, создающий давление в сплит-системе и далее, в теплообменник – конденсатор. Рабочее тело, находящееся под давлением, интенсивно конденсируется в нем при контакте с наружным воздухом, высвобождая в атмосферу ранее поглощенное тепло. Только теперь это называется удельной теплотой конденсации, при постоянном количестве фреона в системе ее величина равна затраченной энергии парообразования. Как происходит описанный процесс, показывает схема работы кондиционера сплит-системы:

После перехода в жидкую фазу хладагент проходит через осушитель с целью отделения влаги и входит в расширительный клапан или терморегулирующий расширительный вентиль (ТРВ). Регулируя свое сечение, он может регулировать количество хладогента, циркулирующего в установке. Здесь за счет резкого увеличения размера канала (сопла) снижается давление, и рабочее тело снова возвращается в испаритель за очередной порцией тепла. В бытовых кондиционерах часто вместо ТРВ используется капилляр.

Из электрооборудования, потребляющего значительную мощность, на схеме можно увидеть два вентилятора и компрессор, остальные источники энергопотребления ничтожно малы. То есть, приведенный в примере 1 кВт электричества расходуется лишь на вращение осей вентиляторов и компрессора, всю остальную работу проделывает фреон.

Все прочие функции – за системами автоматики. По достижении установленной температуры в помещении датчик подает сигнал на блок управления, а тот останавливает компрессор и вентиляторы, процесс прекращается. Воздушная среда в комнате нагрелась, — и датчик снова инициирует запуск охладителя, такая циклическая работа идет непрерывно. В то же время инверторные сплит – системы, чья конструкция немного отличается от устройства обычных кондиционеров, никогда не останавливают процесс. Такие агрегаты характеризуются плавным изменением температуры и тихим режимом работы компрессора.

Примечание. При интенсивных процессах теплообмена на ребрах испарителя и конденсатора выпадает влага, содержащаяся в воздухе, для ее сбора и отвода конструкция кондиционера предусматривает ванночку и систему трубок.

Для перехода установки в режим подогрева воздуха происходит переключение направления движения рабочего тела, вследствие чего теплообменники меняются функциями, наружный становится испарителем и отбирает теплоту из окружающей среды, а внутренний действует как конденсатор, передавая эту энергию в помещение. Для перераспределения потоков в cхему введен четырехходовой клапан.

Сплит системы, как и другие холодильные машины, являются очень экономичными. Именно по этой причине они получили широкое распространение для создания комфортных условий в быту и промышленности.