Zjawiska fizyczne zachodzące w układach klimatyzacji
Sztuczne korygowanie warunków klimatycznych w kabinie samochodu podczas upałów ma ogromne znaczenie dla kierującego. Zapewnia ono właściwy komfort jazdy, a więc powoduje znaczne podwyższenie bezpieczeństwa.
Komfort jazdy ma bardzo istotny wpływ na bezpieczeństwo prowadzenia pojazdu przez kierującego, a tym samym również całego ruchu drogowego. Organizm ludzki przy wysokich temperaturach otoczenia poci się, podwyższa się w nim ciśnienie krwi, które wywołuje niedokrwienie innych narządów. Powoduje to pogorszenie ogólnej sprawności fizycznej i psychicznej. W związku z tym sztuczne korygowanie warunków klimatycznych w kabinie samochodu podczas upałów ma ogromne znaczenie dla kierującego. Zapewnia ono właściwy komfort jazdy, a więc powoduje znaczne podwyższenie bezpieczeństwa. Za warunki komfortowe, tzn. takie, w których kierujący pojazdem nie męczy się i jest wystarczająco odprężony do skoncentrowania się wyłącznie na bezpieczeństwie jazdy, uznaje się zakres temperatur od 21 do 270C. Komfort warunków klimatycznych w samochodzie w trakcie jego prowadzenia zależy poza temperaturą również od wilgotności powietrza. Przy wysokiej wilgotności względnej powietrza można czuć się komfortowo tylko w znacznie niższych zakresach temperatur otoczenia. Natomiast im niższa jest wilgotność względna powietrza, tym w wyższych zakresach temperatur otoczenia można się czuć równie komfortowo. Najkorzystniejszy zakres wilgotności powietrza dla organizmu człowieka mieści się w przedziale od 35 do 60 proc. Zasada działania układów regulujących temperaturę w kabinie samochodu oparta jest na wykorzystaniu właściwości ciepła polegającej na przemieszczaniu się energii cieplnej z substancji cieplejszej do chłodniejszej. Z fizyki znane są trzy sposoby przemieszczania się ciepła:
- konwekcja – to przenoszenie ciepła występujące w substancjach płynnych i gazowych polegające na unoszeniu się podgrzanej porcji substancji i ustępowaniu miejsca chłodniejszej. Doprowadzanie świeżych, ciepłych porcji substancji powoduje samoistne mieszanie się i rozprowadzanie ciepła w całej objętości;
- przewodzenie – to przemieszczanie się ciepła w ciele stałym. Szybkość przemieszczania się ciepła zależy od współczynnika przewodzenia ciepła materiału. Najczęściej materiałem przekazującym ciepło (wymiennikiem ciepła) z płynu do powietrza jest aluminium;
- promieniowanie – to przemieszczanie ciepła za pomocą podczerwonych fal elektromagnetycznych. Każdy podgrzany przedmiot promieniuje ciepło.
W układzie ogrzewania samochodu wykorzystywane są wszystkie trzy sposoby przemieszczania się ciepła. Przez wymiennik ciepła, który wykonany jest w postaci metalowych rurek, przepompowywany jest płyn chłodzący silnik. Ciepło płynu chłodzącego przemieszcza się (poprzez przewodzenie) do powietrza, a następnie wentylator przedmuchuje chłodnym powietrzem system rurek wymiennika ciepła i ciepło przekazywane jest z nich do powietrza (poprzez promieniowanie). Podgrzane powietrze skierowane do kabiny samochodu powoduje wymieszanie się całej objętości powietrza i wyrównanie podwyższonej w ten sposób temperatury (poprzez konwekcję). Samochód podczas parkowania i jazdy, zwłaszcza w okresie letnim i występujących w tym czasie wysokich temperatur otoczenia, wystawiony jest na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Efektem tego jest wzrost temperatury w jego wnętrzu znacznie poza zakres temperatury zapewniającej utrzymanie komfortowych warunków prowadzenia samochodu.
Spowodowane jest to przez przemieszczanie się w wyniku przewodzenia i promieniowania do kabiny samochodu ciepła emitowanego przez słońce na metalowe powierzchnie nadwozia. W podobny sposób dostaje się do wnętrza pojazdu ciepło oddawane przez gorące nawierzchnie dróg, silnik i układ wydechowy samochodu. Zjawiska te powodują, że warunki we wnętrzu samochodu nie należą w takich sytuacjach do zbyt komfortowych. Typowe wyposażenie pojazdu zawierające system nawiewu ciepłego i zimnego powietrza, niestety, nie jest w stanie zapewnić najkorzystniejszych dla kierowcy warunków klimatycznych, czyli temperaturę w zakresie od 21 do 270C i wilgotność w zakresie od 35 do 60 proc. W związku z tym dla osiągnięcia optymalnych parametrów konieczne jest wyposażanie pojazdów w systemy ogrzewania i klimatyzacji, które regulują temperaturę, wilgotność i cyrkulację powietrza przez ochładzanie powietrza w kabinie pojazdu, gdy na zewnątrz jest gorąco lub ogrzewanie, gdy na zewnątrz jest chłodno. Zadaniem takiego systemu jest utrzymywanie wewnątrz pojazdu żądanej temperatury wraz z właściwymi, ustawionymi przez kierowcę wielkościami tych parametrów dla różnych miejsc wewnątrz kabiny. Coraz niższy koszt systemów klimatyzacji oraz coraz cieplejsze lata w naszej strefie klimatycznej powodują ciągły wzrost ich popularności.
Obecnie coraz większa liczba pojazdów posiada system klimatyzacji i to nie tylko tych z grupy samochodów luksusowych. Klimatyzacja przestaje być luksusowym dodatkiem i staje się standardem. Przy dzisiejszej technologii większość współcześnie produkowanych modeli samochodów może być wyposażana w klimatyzację standardowo bądź opcjonalnie. Coraz częściej producenci tak konstruują samochody, aby istniała możliwość doposażenia tego układu bezpośrednio u dealera, co pozwala na dostosowanie danego auta do potrzeb i oczekiwań konkretnego klienta. Zasada działania samochodowego układu klimatyzacji bardziej polega na usuwaniu ciepłego powietrza z wnętrza pojazdu niż jego chłodzeniu. Odbywa się to poprzez wchłanianie ciepła z wnętrza kabiny i przenoszenia na zewnątrz do atmosfery. Klimatyzacja może utrzymać temperaturę wewnątrz pojazdu na poziomie od 10 do 150C niższym od temperatury powietrza na zewnątrz pojazdu. Proces ten jest możliwy dzięki wykorzystaniu trzech naturalnych zjawisk fizycznych i sterowaniu procesem ich przebiegania. Do zjawisk tych należą:
- przemieszczanie się ciepła – polegające na tym, że w przypadku dwóch substancji o różnych temperaturach umieszczonych blisko siebie, ciepło z substancji o wyższej temperaturze będzie zawsze przemieszczać się do substancji o niższej temperaturze, aż do chwili wzajemnego wyrównania się ich temperatur. Do podniesienia temperatury dowolnej substancji potrzebne jest dostarczenie do niej określonej ilości ciepła i odwrotnie, obniżenie temperatury substancji wymaga usunięcia z niej również określonej ilości ciepła;
- utajone ciepło parowania – podczas wrzenia (zamiany w gaz) ciecz wchłania ciepło, a temperatura powstającego gazu nie podnosi się. Ciepło dostarczane do cieczy podczas wrzenia zostaje przez nią wchłonięte i podczas parowania ulatnia się w postaci pary. Kiedy para zetknie się z chłodnym powietrzem, to utajone ciepło ujawni się i przemieści do niego podczas zamiany pary w ciecz (skraplania);
- wpływ ciśnienia na wrzenie lub skraplanie – temperatura nasycenia (temperatura, w której zachodzi wrzenie lub skraplanie) płynu lub pary wzrasta ze wzrostem ciśnienia.
Niezbędny dla systemu klimatyzacji jest czynnik chłodniczy. Powinien on mieć dobre właściwości termodynamiczne i chemiczne. Stosowany w układach klimatyzacji czynnik chłodniczy jest substancją wchłaniającą, przenoszącą i uwalniającą ciepło. Do najważniejszych cech czynnika chłodniczego należą:
- wysokie utajone ciepło parowania – duża ilość ciepła, która może być wchłonięta przez czynnik chłodniczy podczas parowania;
- niska temperatura punktu wrzenia (temperatura, w której płyn wrze musi być niższa od temperatury substancji, którą ma ochłodzić. Punkt wrzenia czynnika chłodniczego stosowanego w samochodowych układach klimatyzacji wynosi od -25 do -30 0C;
- właściwa zależność między temperaturą i ciśnieniem – jeśli ciśnienie czynnika chłodniczego jest niskie, to i temperatura parowania powinna być niska. Najkorzystniejsze warunki dla czynnika chłodniczego, a tym samym największa sprawność układu klimatyzacji występuje w sytuacji, kiedy temperatura parowania jest jak najniższa, a temperatura skraplania jak najwyższa.
Poza tym czynnik chłodniczy nie może być szkodliwy dla środowiska, a przede wszystkim dla organizmu człowieka w przypadku ewentualnego wycieku z instalacji. W samochodowych układach klimatyzacji stosowane są jeszcze dwa czynniki chłodnicze: R 12 i R134 a. Pierwotnie używany do 1998 roku czynnik chłodniczy R 12 jest pod względem chemicznym węglowodorem fluorowochlorowym, niszczącym warstwę ozonową. Z tego powodu R 12 został wycofany z eksploatacji i nowe układy klimatyzacji nie są nim już napełniane. Obecnie stosuje się do napełniania tylko czynnik chłodniczy R 134 a, który jest węglowodorem fluorowym. Pomimo że zasada działania układu klimatyzacji wykorzystującego zarówno czynnik R 12, jak i R 134 a jest taka sama, to nie ma możliwości napełniania instalacji przystosowanej do czynnika R 12 czynnikiem R 134 a. W związku z tym, w przypadku pojazdów starszych, w których wystąpi uszkodzenie układu klimatyzacji zasilanego czynnikiem R12, zachodzi konieczność przestrajania go na układ zasilany R 134 a.
Sztuczne korygowanie warunków klimatycznych w kabinie samochodu podczas upałów ma ogromne znaczenie dla kierującego. Zapewnia ono właściwy komfort jazdy, a więc powoduje znaczne podwyższenie bezpieczeństwa.
Komfort jazdy ma bardzo istotny wpływ na bezpieczeństwo prowadzenia pojazdu przez kierującego, a tym samym również całego ruchu drogowego. Organizm ludzki przy wysokich temperaturach otoczenia poci się, podwyższa się w nim ciśnienie krwi, które wywołuje niedokrwienie innych narządów. Powoduje to pogorszenie ogólnej sprawności fizycznej i psychicznej. W związku z tym sztuczne korygowanie warunków klimatycznych w kabinie samochodu podczas upałów ma ogromne znaczenie dla kierującego. Zapewnia ono właściwy komfort jazdy, a więc powoduje znaczne podwyższenie bezpieczeństwa. Za warunki komfortowe, tzn. takie, w których kierujący pojazdem nie męczy się i jest wystarczająco odprężony do skoncentrowania się wyłącznie na bezpieczeństwie jazdy, uznaje się zakres temperatur od 21 do 270C. Komfort warunków klimatycznych w samochodzie w trakcie jego prowadzenia zależy poza temperaturą również od wilgotności powietrza. Przy wysokiej wilgotności względnej powietrza można czuć się komfortowo tylko w znacznie niższych zakresach temperatur otoczenia. Natomiast im niższa jest wilgotność względna powietrza, tym w wyższych zakresach temperatur otoczenia można się czuć równie komfortowo. Najkorzystniejszy zakres wilgotności powietrza dla organizmu człowieka mieści się w przedziale od 35 do 60 proc. Zasada działania układów regulujących temperaturę w kabinie samochodu oparta jest na wykorzystaniu właściwości ciepła polegającej na przemieszczaniu się energii cieplnej z substancji cieplejszej do chłodniejszej. Z fizyki znane są trzy sposoby przemieszczania się ciepła:
- konwekcja – to przenoszenie ciepła występujące w substancjach płynnych i gazowych polegające na unoszeniu się podgrzanej porcji substancji i ustępowaniu miejsca chłodniejszej. Doprowadzanie świeżych, ciepłych porcji substancji powoduje samoistne mieszanie się i rozprowadzanie ciepła w całej objętości;
- przewodzenie – to przemieszczanie się ciepła w ciele stałym. Szybkość przemieszczania się ciepła zależy od współczynnika przewodzenia ciepła materiału. Najczęściej materiałem przekazującym ciepło (wymiennikiem ciepła) z płynu do powietrza jest aluminium;
- promieniowanie – to przemieszczanie ciepła za pomocą podczerwonych fal elektromagnetycznych. Każdy podgrzany przedmiot promieniuje ciepło.
W układzie ogrzewania samochodu wykorzystywane są wszystkie trzy sposoby przemieszczania się ciepła. Przez wymiennik ciepła, który wykonany jest w postaci metalowych rurek, przepompowywany jest płyn chłodzący silnik. Ciepło płynu chłodzącego przemieszcza się (poprzez przewodzenie) do powietrza, a następnie wentylator przedmuchuje chłodnym powietrzem system rurek wymiennika ciepła i ciepło przekazywane jest z nich do powietrza (poprzez promieniowanie). Podgrzane powietrze skierowane do kabiny samochodu powoduje wymieszanie się całej objętości powietrza i wyrównanie podwyższonej w ten sposób temperatury (poprzez konwekcję). Samochód podczas parkowania i jazdy, zwłaszcza w okresie letnim i występujących w tym czasie wysokich temperatur otoczenia, wystawiony jest na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Efektem tego jest wzrost temperatury w jego wnętrzu znacznie poza zakres temperatury zapewniającej utrzymanie komfortowych warunków prowadzenia samochodu.
Spowodowane jest to przez przemieszczanie się w wyniku przewodzenia i promieniowania do kabiny samochodu ciepła emitowanego przez słońce na metalowe powierzchnie nadwozia. W podobny sposób dostaje się do wnętrza pojazdu ciepło oddawane przez gorące nawierzchnie dróg, silnik i układ wydechowy samochodu. Zjawiska te powodują, że warunki we wnętrzu samochodu nie należą w takich sytuacjach do zbyt komfortowych. Typowe wyposażenie pojazdu zawierające system nawiewu ciepłego i zimnego powietrza, niestety, nie jest w stanie zapewnić najkorzystniejszych dla kierowcy warunków klimatycznych, czyli temperaturę w zakresie od 21 do 270C i wilgotność w zakresie od 35 do 60 proc. W związku z tym dla osiągnięcia optymalnych parametrów konieczne jest wyposażanie pojazdów w systemy ogrzewania i klimatyzacji, które regulują temperaturę, wilgotność i cyrkulację powietrza przez ochładzanie powietrza w kabinie pojazdu, gdy na zewnątrz jest gorąco lub ogrzewanie, gdy na zewnątrz jest chłodno. Zadaniem takiego systemu jest utrzymywanie wewnątrz pojazdu żądanej temperatury wraz z właściwymi, ustawionymi przez kierowcę wielkościami tych parametrów dla różnych miejsc wewnątrz kabiny. Coraz niższy koszt systemów klimatyzacji oraz coraz cieplejsze lata w naszej strefie klimatycznej powodują ciągły wzrost ich popularności.
Obecnie coraz większa liczba pojazdów posiada system klimatyzacji i to nie tylko tych z grupy samochodów luksusowych. Klimatyzacja przestaje być luksusowym dodatkiem i staje się standardem. Przy dzisiejszej technologii większość współcześnie produkowanych modeli samochodów może być wyposażana w klimatyzację standardowo bądź opcjonalnie. Coraz częściej producenci tak konstruują samochody, aby istniała możliwość doposażenia tego układu bezpośrednio u dealera, co pozwala na dostosowanie danego auta do potrzeb i oczekiwań konkretnego klienta. Zasada działania samochodowego układu klimatyzacji bardziej polega na usuwaniu ciepłego powietrza z wnętrza pojazdu niż jego chłodzeniu. Odbywa się to poprzez wchłanianie ciepła z wnętrza kabiny i przenoszenia na zewnątrz do atmosfery. Klimatyzacja może utrzymać temperaturę wewnątrz pojazdu na poziomie od 10 do 150C niższym od temperatury powietrza na zewnątrz pojazdu. Proces ten jest możliwy dzięki wykorzystaniu trzech naturalnych zjawisk fizycznych i sterowaniu procesem ich przebiegania. Do zjawisk tych należą:
- przemieszczanie się ciepła – polegające na tym, że w przypadku dwóch substancji o różnych temperaturach umieszczonych blisko siebie, ciepło z substancji o wyższej temperaturze będzie zawsze przemieszczać się do substancji o niższej temperaturze, aż do chwili wzajemnego wyrównania się ich temperatur. Do podniesienia temperatury dowolnej substancji potrzebne jest dostarczenie do niej określonej ilości ciepła i odwrotnie, obniżenie temperatury substancji wymaga usunięcia z niej również określonej ilości ciepła;
- utajone ciepło parowania – podczas wrzenia (zamiany w gaz) ciecz wchłania ciepło, a temperatura powstającego gazu nie podnosi się. Ciepło dostarczane do cieczy podczas wrzenia zostaje przez nią wchłonięte i podczas parowania ulatnia się w postaci pary. Kiedy para zetknie się z chłodnym powietrzem, to utajone ciepło ujawni się i przemieści do niego podczas zamiany pary w ciecz (skraplania);
- wpływ ciśnienia na wrzenie lub skraplanie – temperatura nasycenia (temperatura, w której zachodzi wrzenie lub skraplanie) płynu lub pary wzrasta ze wzrostem ciśnienia.
Niezbędny dla systemu klimatyzacji jest czynnik chłodniczy. Powinien on mieć dobre właściwości termodynamiczne i chemiczne. Stosowany w układach klimatyzacji czynnik chłodniczy jest substancją wchłaniającą, przenoszącą i uwalniającą ciepło. Do najważniejszych cech czynnika chłodniczego należą:
- wysokie utajone ciepło parowania – duża ilość ciepła, która może być wchłonięta przez czynnik chłodniczy podczas parowania;
- niska temperatura punktu wrzenia (temperatura, w której płyn wrze musi być niższa od temperatury substancji, którą ma ochłodzić. Punkt wrzenia czynnika chłodniczego stosowanego w samochodowych układach klimatyzacji wynosi od -25 do -30 0C;
- właściwa zależność między temperaturą i ciśnieniem – jeśli ciśnienie czynnika chłodniczego jest niskie, to i temperatura parowania powinna być niska. Najkorzystniejsze warunki dla czynnika chłodniczego, a tym samym największa sprawność układu klimatyzacji występuje w sytuacji, kiedy temperatura parowania jest jak najniższa, a temperatura skraplania jak najwyższa.
Poza tym czynnik chłodniczy nie może być szkodliwy dla środowiska, a przede wszystkim dla organizmu człowieka w przypadku ewentualnego wycieku z instalacji. W samochodowych układach klimatyzacji stosowane są jeszcze dwa czynniki chłodnicze: R 12 i R134 a. Pierwotnie używany do 1998 roku czynnik chłodniczy R 12 jest pod względem chemicznym węglowodorem fluorowochlorowym, niszczącym warstwę ozonową. Z tego powodu R 12 został wycofany z eksploatacji i nowe układy klimatyzacji nie są nim już napełniane. Obecnie stosuje się do napełniania tylko czynnik chłodniczy R 134 a, który jest węglowodorem fluorowym. Pomimo że zasada działania układu klimatyzacji wykorzystującego zarówno czynnik R 12, jak i R 134 a jest taka sama, to nie ma możliwości napełniania instalacji przystosowanej do czynnika R 12 czynnikiem R 134 a. W związku z tym, w przypadku pojazdów starszych, w których wystąpi uszkodzenie układu klimatyzacji zasilanego czynnikiem R12, zachodzi konieczność przestrajania go na układ zasilany R 134 a.
Komentarze (0)