Kończy się zima – to znak, że nadchodzi gorący okres dla klimatyzacji samochodowej. Aby wypełniała swoje zadania, a jednocześnie nie była źródłem kłopotów zdrowotnych, musi być okresowo obsługiwana. Pożądane jest, aby osoba wykonująca taką obsługę, znała zasadę pracy tego układu. Poznajmy ją. 
Rys. 1. Woda wskutek dostarczania lub utraty ciepła zmienia temperaturę (odcinki A-B, C-D, E-F, F-G, H-I) lub stan skupienia przy stałej temperaturze (odcinki B-C, D-E, G-H). Podane temperatury zmiany stanów skupienia występują przy ciśnieniu zewnętrznym ok. 100 kPa (ciśnienie absolutne, czyli względem próżni). Opis wykresu w artykule.
Rys. 2. Schemat typowego układu klimatyzacji. Elementy układu: 1 – sprężarka; 2 – sprzęgło sprężarki; 3 – skraplacz; 4 – wentylator elektryczny; 5 – filtr-osuszacz; 6 – parownik; 7 – dmuchawa elektryczna; 8 – zawór rozprężny. Temperatury powietrza zaznaczone na ilustracji (w nawiasach temperatury przykładowe): T1 – temperatura powietrza otoczenia (25OC); T2 – temperatura powietrza napływającego z otoczenia po przepłynięciu przez skraplacz (32OC); T3 – temperatura powietrza napływającego z otoczenia po przepłynięciu przez parownik (10OC). W charakterystycznych dla układu klimatyzacji przekrojach przewodów czynnika chłodniczego, zaznaczonych też na wykresie na rys. 3, temperatury i ciśnienia mają następujące teoretyczne wartości: A i B – p = 250 kPa, T = -5OC; C i D – p = 1500 kPa, T = 56OC (uwaga! ciśnienia są w skali absolutnej). Rzeczywiste temperatury są nieco inne, co wyjaśniam w artykule. Również w rzeczywistości ciśnienia w przekrojach A i B oraz B i C nie mają tych samych wartości ze względu na opory przepływu. (Na podstawie materiałów firmy Hella i Poradnika Serwisowego nr 2/2004: Klimatyzacja, Wydawnictwa Instalator Polski.)
Rys. 3. Granica pomiędzy stanem ciekłym a gazowym lub inaczej wykres temperatury wrzenia dla czynnika chłodniczego R134a w zależności od ciśnienia. Zaznaczone na wykresie punkty – niebieski i czerwony – ilustrują teoretyczne wartości ciśnień i temperatur występujące w przekrojach, odpowiednio: A i B oraz C i D, układu klimatyzacji przedstawionego na rys. 2. (Na podstawie materiałów firmy Hella i Poradnika Serwisowego nr 2/2004: Klimatyzacja, Wydawnictwa Instalator Polski.)
Rys. 4. Przekrój zespołu klimatyzacyjnego i schemat jego układu sterowania. Elementy układu: 1 – dmuchawa; 2 – parownik, 3 – czujnik temperatury parownika; 4 – nagrzewnica; 5 – czujnik temperatury powietrza wypływającego do przedziału pasażerskiego; 6 – regulator wymaganej temperatury w przedziale pasażerskim; 7 – czujnik temperatury powietrza w przedziale pasażerskim; 8 – sterownik układu klimatyzacji; 9 – odprowadzenie wody skraplającej się na parowniku; 10 – sprężarka układu klimatyzacji; 11 – zawór elektromagnetyczny płynu chłodzącego silnik. Kanały przepływu powietrza: a – dopływ powietrza z zewnątrz; b – nawiew powietrza na szyby; c – nawiew do strefy środkowej przedziału pasażerskiego; d – wlot powietrza z przedziału pasażerskiego, tzw. obieg wewnętrzny powietrza; e – kanał obejściowy; f – nawiew powietrza na nogi. (Źródło: Bosch)
Rys. 5. Elektryczna nagrzewnica powietrza i jej elementy: 1 – złącze elektryczne oraz elektroniczne układy regulacyjne; 2 – lamele oddające ciepło przepływającemu powietrzu; 3 – elementy grzejne typu PTC. (Źródło: Catem)
Rys. 6. Przekrój zespołu klimatyzacyjnego z elektryczną nagrzewnicą powietrza. Elementy na rysunku: 1 – parownik układu klimatyzacji; 2 – nagrzewnica układu chłodzenia silnika; 3 – nagrzewnica elektryczna. (Źródło: Catem)
Druga dawka teorii dotyczy zmiany stanów skupienia ciał na przykładzie wody. Jeśli będziemy ogrzewać lód o temperaturze -10OC (odcinek A-B, rys. 1), to lód będzie przyjmował to ciepło. Woda pozostanie nadal w formie lodu, ale jego temperatura będzie rosnąć. Gdy osiągnie 0OC, rozpocznie się zmiana stanu skupienia – ze stałego na płynny (odcinek B-C). Mimo stałego dostarczania ciepła podczas topnienia lodu temperatura mieszanki wody i lodu jest stała. Dostarczane ciepło nazywamy utajonym ciepłem topnienia. Jego dostarczanie nie powoduje wzrostu temperatury, ale jest konieczne do zmiany lodu w płyn. Po całkowitym stopieniu lodu dalsze dostarczanie ciepła do wody podnosi jej temperaturę (odcinek C-D). Rośnie ona aż do osiągnięcia 100OC, w której woda wrze. Jest to zmiana stanu skupienia, z ciekłego na gazowy, zachodząca w całej objętości cieczy (odcinek D-E). W przypadku wody ten gaz nazywamy parą wodną. Podobnie jak przy topnieniu lodu dostarczane ciepło nie podnosi temperatury wody i jej pary (woda jest w obu stanach). Jest ono niezbędne, aby woda w stanie płynnym zmieniła się w parę. Dostarczone ciepło nazywamy utajonym ciepłem parowania. Dopiero, gdy cała woda zamieni się w parę, a dalej będziemy dostarczać ciepło (odcinek E-F), temperatura pary będzie rosnąć. Jeśli nie będziemy doprowadzać ciepła, a para wodna będzie miała kontakt z ciałem o niższej temperaturze, np. ściankami zbiornika, to ciepło z pary będzie przepływać do tych ścianek, a temperatura pary będzie maleć (odcinek F-G). Spadek ten trwa do momentu osiągnięcia temperatury 100OC, w której woda zmienia stan skupienia z gazowego na ciekły (odcinek G-H). Podczas zmiany stanu skupienia temperatura pary i powstającej z niej wody jest stała, a do otoczenia o niższej temperaturze jest odprowadzane tzw. utajone ciepło skraplania.
Dopiero gdy cała para zamieni się w wodę, a nadal będziemy odprowadzać ciepło z wody, jej temperatura będzie się obniżać (odcinek H-I). Jeśli woda osiągnie temperaturę 0OC (niepokazane na rys. 1), to rozpocznie się zmiana stanu skupienia wody z płynnego na stały. Będzie ona przebiegać w stałej temperaturze, z jednoczesnym odprowadzeniem do otoczenia o niższej temperaturze tzw. utajonego ciepła krzepnięcia, aż do chwili całkowitej zamiany wody w lód. Gdzie stykamy się na co dzień z opisanymi procesami? Topnienie i krzepnięcie powtarza się wielokrotnie w okresie zimowym. Wodę doprowadzamy do wrzenia, gotując ją na herbatę, a proces jej skraplania można zaobserwować na wewnętrznej stronie pokrywki garnka z gotującą się zupą. Podane na rys. 1 temperatury zmiany stanów skupienia zależą od panującego ciśnienia. Przykładowo wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury wrzenia, a jego zmniejszenie obniża temperaturę wrzenia. Ciśnienie atmosferyczne, któremu jesteśmy codziennie poddani, zmienia się w niewielkim zakresie, dlatego zmiany tych temperatur, w zależności od tego ciśnienia, są nieistotne w codziennym życiu. W układach klimatyzacji odbywają się zmiany stanów skupienia, z ciekłego w gazowy lub odwrotnie, tzw. czynnika chłodniczego, którym napełniony jest układ. Temperatury, w których to następuje, zależą od rodzaju czynnika.
Czynnik chłodniczy
To substancja, która w układzie klimatyzacyjnym podlega ciągłym zmianom stanu skupienia – z płynnego na gazowy i odwrotnie. Podstawowe cechy środka chłodniczego to:
- możliwie niska temperatura wrzenia;
- skraplanie się gorącego środka chłodniczego, np. w temperaturze 70OC, przy możliwie niskim ciśnieniu;
- możliwie wysokie utajone ciepło parowania i skraplania przy różnych ciśnieniach i temperaturach;
- zdolność do szybkiego transportu dużych ilości ciepła i jego wymiany ze ściankami parownika lub skraplacza.
Są różne czynniki chłodnicze. Ich oznaczenie składa się z litery R (od słowa „refrigeration”) oraz oznaczenia cyfrowego, które jest informacją o składzie chemicznym i budowie cząsteczki. W samochodach osobowych był używany środek chłodniczy o symbolu R12, zastąpiony przez R134a ze względu na przyczynianie się do powiększania tzw. dziury ozonowej. Powoduje ona, że więcej promieniowania ultrafioletowego dopływa od Słońca do Ziemi. Jest ono szkodliwe dla organizmów żywych. Według obecnych standardów ekologicznych również czynnik chłodniczy R134a nie spełnia wymagań. Po przedostaniu się do atmosfery (jest to nieuniknione) przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Aby ograniczyć to niekorzystne zjawisko, od 1 stycznia 2011r., układy klimatyzacji samochodów z nowymi homologacjami, są napełniane nowym czynnikiem chłodniczym o oznaczeniu R1234yf.
Droga czynnika chłodniczego przez układ klimatyzacji
Omówimy kolejne procesy zachodzące podczas pracy typowego układu klimatyzacji (rys. 2).
1. Uzyskanie czynnika chłodniczego o temperaturze niższej od temperatury powietrza otoczenia T1, tak by czynnik mógł pobrać z niego ciepło.
Dopływający do zaworu rozprężnego (8, rys. 2) płyn chłodzący ma wysokie ciśnienie i temperaturę – przykładowo p = 1500 kPa; T = 52-56OC. Jak wynika z wykresu na rys. 3, jest w stanie płynnym. W zaworze rozprężnym (8) czynnik chłodniczy jest rozpylany w postaci mgły, a jego ciśnienie i temperatura obniża się do wartości p = 250 kPa; T = -5OC (przekrój A). Jak wynika z wykresu na rys.3, czynnik o takim ciśnieniu i temperaturze jest na granicy przejścia z fazy ciekłej w gazową, ale musi pobrać ciepło.
2. Odparowanie czynnika chłodniczego z pobraniem ciepła z powietrza przepływającego przez parownik.
Czynnik chłodniczy ma temperaturę niższą od temperatury powietrza otoczenia (T1, rys. 2). Może więc, za pośrednictwem ścianek parownika, pobrać potrzebne do parowania ciepło z powietrza przepływającego wokół parownika, w następstwie czego temperatura powietrza obniży się do temperatury T3. Teoretycznie ciśnienie i temperatura czynnika chłodniczego przed i za parownikiem, odpowiednio w przekrojach A i B, są takie same, ponieważ czynnik chłodniczy powinien pobrać od powietrza (w parowniku) tylko tyle ciepła, ile potrzeba do procesu odparowania, natomiast nie powinna wzrosnąć jego temperatura. W praktyce pozwala się jednak, aby czynnik w stanie gazowym lekko się zagrzał, np. od -5 do -2OC, aby mieć pewność, że jego całość będzie w stanie gazowym. Czynnik w stanie gazowym ponownie wpływa do zaworu rozprężnego (8), którego zadaniem jest regulacja ilości rozpylanego czynnika chłodniczego w zależności od ilości przepływającego przez parownik powietrza. Jeśli czynnika chłodniczego będzie za mało, to będzie parować gwałtownie, a chłodzenie będzie mniej efektywne. Jeśli czynnika chłodniczego zostanie rozpylone za dużo, to może on pozostać w formie kropelek płynu, co jest niebezpieczne dla sprężarki (1), bowiem powinna ona sprężać gaz, bez kropelek płynu. Na zewnętrznej powierzchni parownika skrapla się para wodna zawarta w chłodzonym powietrzu. Powstała woda spływa po parowniku do odpływu, a dalej rurką na zewnątrz pojazdu. Ilość skraplanej wody zależy od wilgotności powietrza oraz od temperatury, do której jest schładzane powietrze. Osuszanie chłodzonego powietrza jest korzystne ze względu na eliminację niebezpieczeństwa parowania szyb samochodu, ale nie jest korzystne ze względów zdrowotnych dla osób jadących samochodem.
3. Podniesienie temperatury czynnika chłodniczego w stanie gazowym, aby była ona wyższa od temperatury powietrza otoczenia oraz ciśnienia, aby umożliwić zmianę stanu skupienia z gazowego na ciekły.
Czynnik chłodzący, płynący w stanie gazowym od zaworu rozprężnego (8, rys. 2) do sprężarki, niesie z sobą ciepło pobrane z powietrza podczas parowania w parowniku. Ponieważ czynnik chłodniczy krąży w układzie klimatyzacji w obiegu zamkniętym, więc za chwilę ten sam czynnik będzie ponownie przepływał przez parownik i będzie musiał ponownie odebrać od powietrza otoczenia kolejną porcję ciepła.
Aby to uczynić, musi najpierw oddać ciepło już pobrane podczas parowania. Ponieważ ciepło będzie oddawane również do powietrza otoczenia, ale do innego strumienia niż ten, który płynie do przedziału pasażerskiego, tak więc temperatura czynnika chłodniczego musi zostać podniesiona powyżej temperatury powietrza otoczenia. Trzeba też zmienić stan skupienia czynnika gazowego z gazowego na płynny, aby możliwe było ponowne parowanie, podczas którego nastąpi pobór ciepła z otoczenia. Podniesienie temperatury i ciśnienia czynnika chłodniczego następuje w sprężarce (1, rys. 2). Utrzymuje ona również krążenie czynnika chłodniczego. Sprężarka jest napędzana przez silnik samochodu za pośrednictwem sprzęgła (2). Czynnik chłodniczy po wypłynięciu ze sprężarki, ale przed wpłynięciem do skraplacza (przekrój C), jest w stanie gazowym, pod ciśnieniem p = 1500 kPa i o temperaturze T = 56OC. Proszę zauważyć na rys. 3, że czynnik chłodniczy w stanie gazowym, o tym ciśnieniu i temperaturze, może ulec skropleniu – musi jednak oddać ciepło.
4. Skroplenie czynnika chłodniczego z oddaniem ciepła do powietrza otoczenia.
Czynnik w stanie gazowym wpływa do skraplacza. Za pośrednictwem ścianek skraplacza oddaje ciepło do powietrza przepływającego wokół żeberek skraplacza. Teoretycznie jest to ta sama ilość ciepła, którą czynnik odebrał od powietrza, które przepłynęło wokół parownika do przedziału pasażerskiego. Czynnik chłodniczy stopniowo zmienia stan z gazowego na ciekły, a temperatura powietrza przepływającego wokół skraplacza zwiększa się od T1 do T2. Na wyjściu ze skraplacza, w przekroju D, ciśnienie i temperatura czynnika chłodniczego są takie same jak w przekroju C. Aby mieć jednak pewność, że cały czynnik chłodniczy zamieni się w ciecz, lekko się go schładza, do ok. 52OC.
5. Filtracja i osuszenie czynnika chłodniczego.
Czynnik chłodniczy po wypłynięciu ze skraplacza płynie do filtra-osuszacza (5). Usuwa on z niego cząstki stałe o średnicy większej niż 0,015mm, które mogą zakłócić pracę zaworu rozprężnego oraz uszkodzić sprężarkę. Filtr-osuszacz wiąże też wodę zawartą w czynniku chłodniczym. Dostaje się ona do czynnika chłodniczego podczas napełniania układu oraz przez ścianki węży i uszczelnienia połączeń. Woda może zamarznąć w zaworze rozprężnym lub parowniku, hamując cyrkulację. Ponadto może wchodzić w reakcje z olejem lub czynnikiem chłodniczym, powodując powstawanie kwasów, które powodują korozję elementów układu. Inną funkcją filtra-osuszacza (5) jest utrzymywanie zapasu czynnika chłodniczego w układzie. Jeśli chwilowo zawór rozprężny (8) rozpyla więcej czynnika chłodniczego niż tłoczy sprężarka, różnica jest uzupełniana z zapasu przechowywanego w filtrze-osuszaczu. W odwrotnej sytuacji, gdy sprężarka tłoczy więcej czynnika niż zawór rozprężny rozpyla, jego nadmiar przyjmuje filtr-osuszacz. Filtr-osuszacz pełni też rolę tłumika pulsacji ciśnienia w układzie klimatyzacji, których źródłem jest sprężarka.
Część „zimna” i „gorąca” układu klimatyzacji
Z przedstawionego opisu pracy układu klimatyzacji wynika, że ma on część „zimną” i „gorącą”. W części „zimnej” występują niskie temperatury i ciśnienia. Do tej części układu należą (w kierunku przepływu czynnika chłodniczego): przewód łączący zawór rozprężny (8, rys. 2) z parowalnikiem (6), parowalnik (6), przewód powrotny łączący parowalnik (6) z zaworem rozprężnym (8), przewód łączący zawór rozprężny (8) ze sprężarką (1). W części „gorącej” występują wysokie temperatury i ciśnienia. Do tej części układu należą (w kierunku przepływu czynnika chłodniczego): przewód pomiędzy sprężarką (1, rys. 2) a skraplaczem (3), skraplacz (3), przewód pomiędzy skraplaczem (3) a filtrem-osuszaczem (5), filtr-osuszacz (5) i przewód pomiędzy filtrem-osuszaczem (5) a zaworem rozprężnym (8).
Taki podział jest podstawą do prostej diagnostyki układu klimatyzacji wykonywanej przez kontrolę temperatury, wykonywanej ręką – uwaga, elementy gorące mogą poparzyć, dlatego do elementów gorących rękę należy najpierw zbliżyć, a potem dotknąć, jeśli nie grozi to poparzeniem! Elementy zaliczane do części „gorącej” mają być gorące, a zaliczane do części „zimnej” zimne. Inne temperatury pracującego układu świadczą o jego uszkodzeniu.
Zespół klimatyzacyjny samochodu
Zespół przedstawiony na rys. 4 może powietrze ogrzewać lub chłodzić. W układach bez elektronicznego układu regulacji kierowca zależnie od własnej oceny decyduje, czy włączyć układ ogrzewania lub chłodzenia. W układach klimatyzacyjnych, sterowanych elektronicznie, kierowca, wykorzystując regulator (6), określa tzw. wymaganą temperaturę w przedziale pasażerskim. Układ regulacji stara się ją utrzymać. Sterownik układu klimatyzacji ocenia, jak wywiązuje się z tego zadania, mierząc temperaturę powietrza w przedziale pasażerskim (7). Zależnie od tego, czy zmierzona temperatura przedziału pasażerskiego jest niższa lub wyższa od wymaganej, powietrze słabiej lub silniej jest chłodzone lub ogrzewane. Sterownik kontroluje wilgotność powietrza pośrednią drogą, przez pomiar temperatury parownika (3). Jeśli nie ma zagrożenia, że zaparują szyby w samochodzie, to może być zwiększona temperatura parownika.
Nagrzewnica elektryczna w układzie klimatyzacji
Oprócz nagrzewnicy zasilanej płynem chłodzącym silnik źródłem ciepła w samochodzie może być też nagrzewnica elektryczna. Jej montaż może być koniecznością, gdyż coraz bardziej oszczędne silniki spalinowe mogą w niektórych stanach pracy nie tracić do układu chłodzenia takiej ilości ciepła, która jest potrzebna do ogrzewania przedziału pasażerskiego. Pomocne są wówczas nagrzewnice elektryczne (rys. 5).
Źródłem ciepła są elementy typu PTC (3, ich oporność rośnie wraz ze wzrostem temperatury). Ciepło z elementów PTC jest oddawane do przepływającego powietrza za pośrednictwem lameli (2). Obok złącza elektrycznego (1) znajdują się układy elektroniczne, których zadaniem jest uzyskanie maksymalnej sprawności nagrzewnicy.
Nagrzewnice elektryczne mogą być głównym źródłem ciepła podczas nagrzewania silnika. Wówczas ze względów ekologicznych, aby maksymalnie skrócić czas nagrzewania silnika do temperatury pracy, nie należy do ogrzewania używać płynu z układu chłodzenia silnika. Są układy, których konstrukcja to uniemożliwia. Wykorzystanie do tego celu nagrzewnicy elektrycznej jest korzystne, bowiem alternator zwiększa dodatkowo obciążenie silnika, przez co przyspiesza nagrzewanie silnika. Nagrzewnice elektryczne są montowane w zespole klimatyzacyjnym (3, rys. 6) lub w kanałach doprowadzających powietrze do tylnej części przedziału pasażerskiego, wówczas służą do ewentualnego dogrzewania powietrza płynącego w okolice tylnego siedzenia.
mgr inż. Stefan Myszkowski
Fizyka u podstaw
Praca układu klimatyzacji to następujące po sobie wymiany ciepła i zmiany stanów skupienia. Poznajmy najpierw podstawowe zasady dotyczące ciepła i jego wymiany:
- temperatura to informacja o stanie cieplnym ciała;
- jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to ich stan cieplny jest ten sam, a więc po ich zetknięciu energia cieplna, zwana w skrócie ciepłem, nie przepłynie między nimi;
- ciepło przepływa tylko między ciałami w różnym stanie cieplnym, czyli o różnych temperaturach;
- ciepło przepływa zawsze z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej, oczywiście do momentu ewentualnego wyrównania temperatur obu ciał.
Rys. 1. Woda wskutek dostarczania lub utraty ciepła zmienia temperaturę (odcinki A-B, C-D, E-F, F-G, H-I) lub stan skupienia przy stałej temperaturze (odcinki B-C, D-E, G-H). Podane temperatury zmiany stanów skupienia występują przy ciśnieniu zewnętrznym ok. 100 kPa (ciśnienie absolutne, czyli względem próżni). Opis wykresu w artykule.
Rys. 2. Schemat typowego układu klimatyzacji. Elementy układu: 1 – sprężarka; 2 – sprzęgło sprężarki; 3 – skraplacz; 4 – wentylator elektryczny; 5 – filtr-osuszacz; 6 – parownik; 7 – dmuchawa elektryczna; 8 – zawór rozprężny. Temperatury powietrza zaznaczone na ilustracji (w nawiasach temperatury przykładowe): T1 – temperatura powietrza otoczenia (25OC); T2 – temperatura powietrza napływającego z otoczenia po przepłynięciu przez skraplacz (32OC); T3 – temperatura powietrza napływającego z otoczenia po przepłynięciu przez parownik (10OC). W charakterystycznych dla układu klimatyzacji przekrojach przewodów czynnika chłodniczego, zaznaczonych też na wykresie na rys. 3, temperatury i ciśnienia mają następujące teoretyczne wartości: A i B – p = 250 kPa, T = -5OC; C i D – p = 1500 kPa, T = 56OC (uwaga! ciśnienia są w skali absolutnej). Rzeczywiste temperatury są nieco inne, co wyjaśniam w artykule. Również w rzeczywistości ciśnienia w przekrojach A i B oraz B i C nie mają tych samych wartości ze względu na opory przepływu. (Na podstawie materiałów firmy Hella i Poradnika Serwisowego nr 2/2004: Klimatyzacja, Wydawnictwa Instalator Polski.)
Rys. 3. Granica pomiędzy stanem ciekłym a gazowym lub inaczej wykres temperatury wrzenia dla czynnika chłodniczego R134a w zależności od ciśnienia. Zaznaczone na wykresie punkty – niebieski i czerwony – ilustrują teoretyczne wartości ciśnień i temperatur występujące w przekrojach, odpowiednio: A i B oraz C i D, układu klimatyzacji przedstawionego na rys. 2. (Na podstawie materiałów firmy Hella i Poradnika Serwisowego nr 2/2004: Klimatyzacja, Wydawnictwa Instalator Polski.)
Rys. 4. Przekrój zespołu klimatyzacyjnego i schemat jego układu sterowania. Elementy układu: 1 – dmuchawa; 2 – parownik, 3 – czujnik temperatury parownika; 4 – nagrzewnica; 5 – czujnik temperatury powietrza wypływającego do przedziału pasażerskiego; 6 – regulator wymaganej temperatury w przedziale pasażerskim; 7 – czujnik temperatury powietrza w przedziale pasażerskim; 8 – sterownik układu klimatyzacji; 9 – odprowadzenie wody skraplającej się na parowniku; 10 – sprężarka układu klimatyzacji; 11 – zawór elektromagnetyczny płynu chłodzącego silnik. Kanały przepływu powietrza: a – dopływ powietrza z zewnątrz; b – nawiew powietrza na szyby; c – nawiew do strefy środkowej przedziału pasażerskiego; d – wlot powietrza z przedziału pasażerskiego, tzw. obieg wewnętrzny powietrza; e – kanał obejściowy; f – nawiew powietrza na nogi. (Źródło: Bosch)
Rys. 5. Elektryczna nagrzewnica powietrza i jej elementy: 1 – złącze elektryczne oraz elektroniczne układy regulacyjne; 2 – lamele oddające ciepło przepływającemu powietrzu; 3 – elementy grzejne typu PTC. (Źródło: Catem)
Rys. 6. Przekrój zespołu klimatyzacyjnego z elektryczną nagrzewnicą powietrza. Elementy na rysunku: 1 – parownik układu klimatyzacji; 2 – nagrzewnica układu chłodzenia silnika; 3 – nagrzewnica elektryczna. (Źródło: Catem)
Druga dawka teorii dotyczy zmiany stanów skupienia ciał na przykładzie wody. Jeśli będziemy ogrzewać lód o temperaturze -10OC (odcinek A-B, rys. 1), to lód będzie przyjmował to ciepło. Woda pozostanie nadal w formie lodu, ale jego temperatura będzie rosnąć. Gdy osiągnie 0OC, rozpocznie się zmiana stanu skupienia – ze stałego na płynny (odcinek B-C). Mimo stałego dostarczania ciepła podczas topnienia lodu temperatura mieszanki wody i lodu jest stała. Dostarczane ciepło nazywamy utajonym ciepłem topnienia. Jego dostarczanie nie powoduje wzrostu temperatury, ale jest konieczne do zmiany lodu w płyn. Po całkowitym stopieniu lodu dalsze dostarczanie ciepła do wody podnosi jej temperaturę (odcinek C-D). Rośnie ona aż do osiągnięcia 100OC, w której woda wrze. Jest to zmiana stanu skupienia, z ciekłego na gazowy, zachodząca w całej objętości cieczy (odcinek D-E). W przypadku wody ten gaz nazywamy parą wodną. Podobnie jak przy topnieniu lodu dostarczane ciepło nie podnosi temperatury wody i jej pary (woda jest w obu stanach). Jest ono niezbędne, aby woda w stanie płynnym zmieniła się w parę. Dostarczone ciepło nazywamy utajonym ciepłem parowania. Dopiero, gdy cała woda zamieni się w parę, a dalej będziemy dostarczać ciepło (odcinek E-F), temperatura pary będzie rosnąć. Jeśli nie będziemy doprowadzać ciepła, a para wodna będzie miała kontakt z ciałem o niższej temperaturze, np. ściankami zbiornika, to ciepło z pary będzie przepływać do tych ścianek, a temperatura pary będzie maleć (odcinek F-G). Spadek ten trwa do momentu osiągnięcia temperatury 100OC, w której woda zmienia stan skupienia z gazowego na ciekły (odcinek G-H). Podczas zmiany stanu skupienia temperatura pary i powstającej z niej wody jest stała, a do otoczenia o niższej temperaturze jest odprowadzane tzw. utajone ciepło skraplania.
Dopiero gdy cała para zamieni się w wodę, a nadal będziemy odprowadzać ciepło z wody, jej temperatura będzie się obniżać (odcinek H-I). Jeśli woda osiągnie temperaturę 0OC (niepokazane na rys. 1), to rozpocznie się zmiana stanu skupienia wody z płynnego na stały. Będzie ona przebiegać w stałej temperaturze, z jednoczesnym odprowadzeniem do otoczenia o niższej temperaturze tzw. utajonego ciepła krzepnięcia, aż do chwili całkowitej zamiany wody w lód. Gdzie stykamy się na co dzień z opisanymi procesami? Topnienie i krzepnięcie powtarza się wielokrotnie w okresie zimowym. Wodę doprowadzamy do wrzenia, gotując ją na herbatę, a proces jej skraplania można zaobserwować na wewnętrznej stronie pokrywki garnka z gotującą się zupą. Podane na rys. 1 temperatury zmiany stanów skupienia zależą od panującego ciśnienia. Przykładowo wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury wrzenia, a jego zmniejszenie obniża temperaturę wrzenia. Ciśnienie atmosferyczne, któremu jesteśmy codziennie poddani, zmienia się w niewielkim zakresie, dlatego zmiany tych temperatur, w zależności od tego ciśnienia, są nieistotne w codziennym życiu. W układach klimatyzacji odbywają się zmiany stanów skupienia, z ciekłego w gazowy lub odwrotnie, tzw. czynnika chłodniczego, którym napełniony jest układ. Temperatury, w których to następuje, zależą od rodzaju czynnika.
Czynnik chłodniczy
To substancja, która w układzie klimatyzacyjnym podlega ciągłym zmianom stanu skupienia – z płynnego na gazowy i odwrotnie. Podstawowe cechy środka chłodniczego to:
- możliwie niska temperatura wrzenia;
- skraplanie się gorącego środka chłodniczego, np. w temperaturze 70OC, przy możliwie niskim ciśnieniu;
- możliwie wysokie utajone ciepło parowania i skraplania przy różnych ciśnieniach i temperaturach;
- zdolność do szybkiego transportu dużych ilości ciepła i jego wymiany ze ściankami parownika lub skraplacza.
Są różne czynniki chłodnicze. Ich oznaczenie składa się z litery R (od słowa „refrigeration”) oraz oznaczenia cyfrowego, które jest informacją o składzie chemicznym i budowie cząsteczki. W samochodach osobowych był używany środek chłodniczy o symbolu R12, zastąpiony przez R134a ze względu na przyczynianie się do powiększania tzw. dziury ozonowej. Powoduje ona, że więcej promieniowania ultrafioletowego dopływa od Słońca do Ziemi. Jest ono szkodliwe dla organizmów żywych. Według obecnych standardów ekologicznych również czynnik chłodniczy R134a nie spełnia wymagań. Po przedostaniu się do atmosfery (jest to nieuniknione) przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Aby ograniczyć to niekorzystne zjawisko, od 1 stycznia 2011r., układy klimatyzacji samochodów z nowymi homologacjami, są napełniane nowym czynnikiem chłodniczym o oznaczeniu R1234yf.
Droga czynnika chłodniczego przez układ klimatyzacji
Omówimy kolejne procesy zachodzące podczas pracy typowego układu klimatyzacji (rys. 2).
1. Uzyskanie czynnika chłodniczego o temperaturze niższej od temperatury powietrza otoczenia T1, tak by czynnik mógł pobrać z niego ciepło.
Dopływający do zaworu rozprężnego (8, rys. 2) płyn chłodzący ma wysokie ciśnienie i temperaturę – przykładowo p = 1500 kPa; T = 52-56OC. Jak wynika z wykresu na rys. 3, jest w stanie płynnym. W zaworze rozprężnym (8) czynnik chłodniczy jest rozpylany w postaci mgły, a jego ciśnienie i temperatura obniża się do wartości p = 250 kPa; T = -5OC (przekrój A). Jak wynika z wykresu na rys.3, czynnik o takim ciśnieniu i temperaturze jest na granicy przejścia z fazy ciekłej w gazową, ale musi pobrać ciepło.
2. Odparowanie czynnika chłodniczego z pobraniem ciepła z powietrza przepływającego przez parownik.
Czynnik chłodniczy ma temperaturę niższą od temperatury powietrza otoczenia (T1, rys. 2). Może więc, za pośrednictwem ścianek parownika, pobrać potrzebne do parowania ciepło z powietrza przepływającego wokół parownika, w następstwie czego temperatura powietrza obniży się do temperatury T3. Teoretycznie ciśnienie i temperatura czynnika chłodniczego przed i za parownikiem, odpowiednio w przekrojach A i B, są takie same, ponieważ czynnik chłodniczy powinien pobrać od powietrza (w parowniku) tylko tyle ciepła, ile potrzeba do procesu odparowania, natomiast nie powinna wzrosnąć jego temperatura. W praktyce pozwala się jednak, aby czynnik w stanie gazowym lekko się zagrzał, np. od -5 do -2OC, aby mieć pewność, że jego całość będzie w stanie gazowym. Czynnik w stanie gazowym ponownie wpływa do zaworu rozprężnego (8), którego zadaniem jest regulacja ilości rozpylanego czynnika chłodniczego w zależności od ilości przepływającego przez parownik powietrza. Jeśli czynnika chłodniczego będzie za mało, to będzie parować gwałtownie, a chłodzenie będzie mniej efektywne. Jeśli czynnika chłodniczego zostanie rozpylone za dużo, to może on pozostać w formie kropelek płynu, co jest niebezpieczne dla sprężarki (1), bowiem powinna ona sprężać gaz, bez kropelek płynu. Na zewnętrznej powierzchni parownika skrapla się para wodna zawarta w chłodzonym powietrzu. Powstała woda spływa po parowniku do odpływu, a dalej rurką na zewnątrz pojazdu. Ilość skraplanej wody zależy od wilgotności powietrza oraz od temperatury, do której jest schładzane powietrze. Osuszanie chłodzonego powietrza jest korzystne ze względu na eliminację niebezpieczeństwa parowania szyb samochodu, ale nie jest korzystne ze względów zdrowotnych dla osób jadących samochodem.
3. Podniesienie temperatury czynnika chłodniczego w stanie gazowym, aby była ona wyższa od temperatury powietrza otoczenia oraz ciśnienia, aby umożliwić zmianę stanu skupienia z gazowego na ciekły.
Czynnik chłodzący, płynący w stanie gazowym od zaworu rozprężnego (8, rys. 2) do sprężarki, niesie z sobą ciepło pobrane z powietrza podczas parowania w parowniku. Ponieważ czynnik chłodniczy krąży w układzie klimatyzacji w obiegu zamkniętym, więc za chwilę ten sam czynnik będzie ponownie przepływał przez parownik i będzie musiał ponownie odebrać od powietrza otoczenia kolejną porcję ciepła.
Aby to uczynić, musi najpierw oddać ciepło już pobrane podczas parowania. Ponieważ ciepło będzie oddawane również do powietrza otoczenia, ale do innego strumienia niż ten, który płynie do przedziału pasażerskiego, tak więc temperatura czynnika chłodniczego musi zostać podniesiona powyżej temperatury powietrza otoczenia. Trzeba też zmienić stan skupienia czynnika gazowego z gazowego na płynny, aby możliwe było ponowne parowanie, podczas którego nastąpi pobór ciepła z otoczenia. Podniesienie temperatury i ciśnienia czynnika chłodniczego następuje w sprężarce (1, rys. 2). Utrzymuje ona również krążenie czynnika chłodniczego. Sprężarka jest napędzana przez silnik samochodu za pośrednictwem sprzęgła (2). Czynnik chłodniczy po wypłynięciu ze sprężarki, ale przed wpłynięciem do skraplacza (przekrój C), jest w stanie gazowym, pod ciśnieniem p = 1500 kPa i o temperaturze T = 56OC. Proszę zauważyć na rys. 3, że czynnik chłodniczy w stanie gazowym, o tym ciśnieniu i temperaturze, może ulec skropleniu – musi jednak oddać ciepło.
4. Skroplenie czynnika chłodniczego z oddaniem ciepła do powietrza otoczenia.
Czynnik w stanie gazowym wpływa do skraplacza. Za pośrednictwem ścianek skraplacza oddaje ciepło do powietrza przepływającego wokół żeberek skraplacza. Teoretycznie jest to ta sama ilość ciepła, którą czynnik odebrał od powietrza, które przepłynęło wokół parownika do przedziału pasażerskiego. Czynnik chłodniczy stopniowo zmienia stan z gazowego na ciekły, a temperatura powietrza przepływającego wokół skraplacza zwiększa się od T1 do T2. Na wyjściu ze skraplacza, w przekroju D, ciśnienie i temperatura czynnika chłodniczego są takie same jak w przekroju C. Aby mieć jednak pewność, że cały czynnik chłodniczy zamieni się w ciecz, lekko się go schładza, do ok. 52OC.
5. Filtracja i osuszenie czynnika chłodniczego.
Czynnik chłodniczy po wypłynięciu ze skraplacza płynie do filtra-osuszacza (5). Usuwa on z niego cząstki stałe o średnicy większej niż 0,015mm, które mogą zakłócić pracę zaworu rozprężnego oraz uszkodzić sprężarkę. Filtr-osuszacz wiąże też wodę zawartą w czynniku chłodniczym. Dostaje się ona do czynnika chłodniczego podczas napełniania układu oraz przez ścianki węży i uszczelnienia połączeń. Woda może zamarznąć w zaworze rozprężnym lub parowniku, hamując cyrkulację. Ponadto może wchodzić w reakcje z olejem lub czynnikiem chłodniczym, powodując powstawanie kwasów, które powodują korozję elementów układu. Inną funkcją filtra-osuszacza (5) jest utrzymywanie zapasu czynnika chłodniczego w układzie. Jeśli chwilowo zawór rozprężny (8) rozpyla więcej czynnika chłodniczego niż tłoczy sprężarka, różnica jest uzupełniana z zapasu przechowywanego w filtrze-osuszaczu. W odwrotnej sytuacji, gdy sprężarka tłoczy więcej czynnika niż zawór rozprężny rozpyla, jego nadmiar przyjmuje filtr-osuszacz. Filtr-osuszacz pełni też rolę tłumika pulsacji ciśnienia w układzie klimatyzacji, których źródłem jest sprężarka.
Część „zimna” i „gorąca” układu klimatyzacji
Z przedstawionego opisu pracy układu klimatyzacji wynika, że ma on część „zimną” i „gorącą”. W części „zimnej” występują niskie temperatury i ciśnienia. Do tej części układu należą (w kierunku przepływu czynnika chłodniczego): przewód łączący zawór rozprężny (8, rys. 2) z parowalnikiem (6), parowalnik (6), przewód powrotny łączący parowalnik (6) z zaworem rozprężnym (8), przewód łączący zawór rozprężny (8) ze sprężarką (1). W części „gorącej” występują wysokie temperatury i ciśnienia. Do tej części układu należą (w kierunku przepływu czynnika chłodniczego): przewód pomiędzy sprężarką (1, rys. 2) a skraplaczem (3), skraplacz (3), przewód pomiędzy skraplaczem (3) a filtrem-osuszaczem (5), filtr-osuszacz (5) i przewód pomiędzy filtrem-osuszaczem (5) a zaworem rozprężnym (8).
Taki podział jest podstawą do prostej diagnostyki układu klimatyzacji wykonywanej przez kontrolę temperatury, wykonywanej ręką – uwaga, elementy gorące mogą poparzyć, dlatego do elementów gorących rękę należy najpierw zbliżyć, a potem dotknąć, jeśli nie grozi to poparzeniem! Elementy zaliczane do części „gorącej” mają być gorące, a zaliczane do części „zimnej” zimne. Inne temperatury pracującego układu świadczą o jego uszkodzeniu.
Zespół klimatyzacyjny samochodu
Zespół przedstawiony na rys. 4 może powietrze ogrzewać lub chłodzić. W układach bez elektronicznego układu regulacji kierowca zależnie od własnej oceny decyduje, czy włączyć układ ogrzewania lub chłodzenia. W układach klimatyzacyjnych, sterowanych elektronicznie, kierowca, wykorzystując regulator (6), określa tzw. wymaganą temperaturę w przedziale pasażerskim. Układ regulacji stara się ją utrzymać. Sterownik układu klimatyzacji ocenia, jak wywiązuje się z tego zadania, mierząc temperaturę powietrza w przedziale pasażerskim (7). Zależnie od tego, czy zmierzona temperatura przedziału pasażerskiego jest niższa lub wyższa od wymaganej, powietrze słabiej lub silniej jest chłodzone lub ogrzewane. Sterownik kontroluje wilgotność powietrza pośrednią drogą, przez pomiar temperatury parownika (3). Jeśli nie ma zagrożenia, że zaparują szyby w samochodzie, to może być zwiększona temperatura parownika.
Nagrzewnica elektryczna w układzie klimatyzacji
Oprócz nagrzewnicy zasilanej płynem chłodzącym silnik źródłem ciepła w samochodzie może być też nagrzewnica elektryczna. Jej montaż może być koniecznością, gdyż coraz bardziej oszczędne silniki spalinowe mogą w niektórych stanach pracy nie tracić do układu chłodzenia takiej ilości ciepła, która jest potrzebna do ogrzewania przedziału pasażerskiego. Pomocne są wówczas nagrzewnice elektryczne (rys. 5).
Źródłem ciepła są elementy typu PTC (3, ich oporność rośnie wraz ze wzrostem temperatury). Ciepło z elementów PTC jest oddawane do przepływającego powietrza za pośrednictwem lameli (2). Obok złącza elektrycznego (1) znajdują się układy elektroniczne, których zadaniem jest uzyskanie maksymalnej sprawności nagrzewnicy.
Nagrzewnice elektryczne mogą być głównym źródłem ciepła podczas nagrzewania silnika. Wówczas ze względów ekologicznych, aby maksymalnie skrócić czas nagrzewania silnika do temperatury pracy, nie należy do ogrzewania używać płynu z układu chłodzenia silnika. Są układy, których konstrukcja to uniemożliwia. Wykorzystanie do tego celu nagrzewnicy elektrycznej jest korzystne, bowiem alternator zwiększa dodatkowo obciążenie silnika, przez co przyspiesza nagrzewanie silnika. Nagrzewnice elektryczne są montowane w zespole klimatyzacyjnym (3, rys. 6) lub w kanałach doprowadzających powietrze do tylnej części przedziału pasażerskiego, wówczas służą do ewentualnego dogrzewania powietrza płynącego w okolice tylnego siedzenia.
mgr inż. Stefan Myszkowski
Komentarze (0)