Rodzaje układów klimatyzacji i ich budowa

W skład układu klimatyzacji samochodowej wchodzi pięć zasadniczych elementów:
- sprężarka,
- skraplacz,
- filtr-odwadniacz lub zasobnik czynnika chłodniczego,
- zawór rozprężny lub dysza dławiąca,
- parownik,
- oraz układ rurek i przewodów.
W każdym układzie klimatyzacji czynnik chłodniczy przepływa ze skraplacza, w którym panuje wysokie ciśnienie, do parownika przez urządzenie, którego zadaniem jest obniżenie ciśnienia. Ze względu na typ urządzenia użytego do obniżenia ciśnienia czynnika chłodniczego rozróżnić można dwa podstawowe typy układów klimatyzacji samochodowych:
- układ klimatyzacji z zaworem rozprężnym,
- układ klimatyzacji z dyszą dławiącą.
Stosowane w samochodowych układach klimatyzacji sprężarki mają różne konstrukcje. Wszystkie jednak rozwiązania konstrukcyjne muszą zapewniać wykonywanie dwóch podstawowych zadań:
- przemieszczanie czynnika chłodniczego w układzie,
- zwiększanie ciśnienia i temperatury czynnika chłodniczego.
Sprężarki samochodowych układów klimatyzacji napędzane są od wału korbowego silnika za pomocą paska. Sprężarki zużywają około 8-10 kW mocy silnika.
Wszystkie sprężarki posiadają dwa przyłącza czynnika chłodniczego:
- “S” (przyłącze ssania – niskie ciśnienie),
- “D” (przyłącze wylotu – wysokie ciśnienie).
Zadaniem sprężarki układu klimatyzacji jest sprężanie pary czynnika chłodzącego. W celu zabezpieczenia sprężarki przed zatarciem do czynnika chłodniczego dodawany jest olej, który przemieszcza się wraz z czynnikiem po całym układzie.
Najczęściej są stosowane trzy podstawowe typy sprężarek:
- tłokowe,
- łopatkowe,
- spiralne.
Sprężarki tłokowe posiadają jeden lub kilka tłoków usytuowanych na różne sposoby, np. rzędowo, osiowo, poziomo. Na cykl pracy każdego tłoka składają się dwa suwy robocze: suw ssania i sprężania (wylotu). Czynnik chłodniczy w postaci pary o niskim ciśnieniu dostaje się do cylindra przez zawór ssawny podczas ruchu tłoka w dolne skrajne położenie. Po jego osiągnięciu rozpoczyna się suw sprężania, podczas którego zwiększa się ciśnienie i temperatura czynnika chłodzącego. Po osiągnięciu właściwego ciśnienia otwiera się zawór tłoczny i sprężony czynnik przepływa do skraplacza. Konstrukcja sprężarek łopatkowych opiera się na wirniku z kilkoma łopatkami oraz odpowiednio ukształtowanej obudowy. Wirujące w obudowie łopatki tworzą komory o zmiennej pojemności. Czynnik chłodniczy w postaci pary jest zasysany do komór przez króciec ssawny znajdujący się w miejscu, w którym komory mają największą pojemność. Króciec wylotowy usytuowany jest w miejscu, w którym komory mają najmniejszą pojemność, a w związku z tym para jest najmocniej sprężona. Konstrukcja sprężarek spiralnych stosowanych w samochodowych układach klimatyzacji wykorzystuje do sprężania czynnika chłodniczego dwie metalowe spirale umieszczone w obudowie, z czego pierwsza jest stała, a druga porusza się ruchem mimośrodowym. Wał sprężarki wprowadza ruchomą spiralę osadzoną na nim mimośrodowo za pomocą tulei w ruch. Dzięki temu czynnik chłodniczy jest sprężany i tłoczony ku środkowi komory utworzonej pomiędzy spiralami, skąd po uzyskaniu wysokiego ciśnienia wypływa przez otwór w środku spirali. Sprężarki te w porównaniu z dwiema poprzednimi konstrukcjami mają dłuższy cykl roboczy sprężania i dzięki temu charakteryzują się spokojniejszą pracą.

Kolejnym elementem każdego układu samochodowej klimatyzacji jest skraplacz. Wykonany jest on zwykle z miedzi lub aluminium. Spełnia on w układzie funkcję wymiennika ciepła. Umieszczany jest zawsze bezpośrednio przed chłodnicą silnika, po to, aby oddziaływał na niego jak największy strumień powietrza powstający w trakcie jazdy pojazdu. Czynnik chłodniczy dociera ze sprężarki do górnej części skraplacza w postaci gorącej, sprężonej pary i przepływa przez jego rurki i kanaliki, oddając przy tym duże ilości ciepła drogą przewodzenia rurkom, skąd dalej promieniuje ono do atmosfery. W skutek tego czynnik stopniowo przemienia się w ciecz w efekcie zjawiska skraplania. Około 2/3 objętości w górnej części skraplacza zajmuje gorąca para, natomiast w 1/3 objętości w dolnej części skraplacza znajduje się płynny, skroplony czynnik chłodniczy o wysokim ciśnieniu. Przez skraplacz musi przepływać taka ilość powietrza, aby w dostatecznym zakresie odbierała ciepło zawarte w czynniku chłodniczym. W związku z tym wymuszony przepływ powietrza obmywającego skraplacz w trakcie jazdy musi być wspomagany pracą wentylatora chłodzącego skraplacz. Praca wentylatora jest niezbędna dla prawidłowego działania układu klimatyzacji, zwłaszcza podczas postoju samochodu.
W przypadku układu klimatyzacji z zaworem rozprężnym elementami składowymi są dalej:
- filtr-odwadniacz,
- zawór rozprężny,
- parownik.
Ze skraplacza czynnik chłodniczy w postaci cieczy przepływa do filtra-odwadniacza umieszczonego w komorze silnika. W nim następuje oczyszczenie cieczy i usunięcie z niej wilgoci (woda w układzie klimatyzacji może spowodować korozję elementów układu oraz uszkodzenie sprężarki). Spełnia on również rolę zapasowego zbiornika dla ciekłego czynnika chłodniczego opuszczającego skraplacz. Filtr-odwadniacz składa się ze zbiornika, filtra oraz środka osuszającego (najczęściej w postaci sit molekularnych). Czynnik chłodniczy w postaci czystej i osuszonej cieczy o wysokim ciśnieniu przepływa następnie do zaworu rozprężnego, przymocowanego przeważnie do parownika. Zadaniem zaworu rozprężnego jest regulacja dopływu czynnika chłodniczego do parownika. Obniża on ciśnienie, a zarazem również i temperaturę czynnika chłodniczego do poziomu umożliwiającego jego całkowite odparowanie w parowniku. Zawór rozprężny składa się z kalibrowanej dyszy i sterowanego termostatem zaworu. Ciecz o wysokim ciśnieniu przepływa przez mały otwór dyszy, przez co ulega rozpyleniu. Efektem tego jest uzyskanie rozpylonej mieszanki cieczy i pary o niższym ciśnieniu i temperaturze. Za sterowanie przepływem czynnika przez dyszę odpowiedzialny jest zawór termostatyczny. Zawór musi szybko reagować na zmiany obciążenia układu. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie, a spadek zmniejszenie ilości czynnika chłodniczego przepływającego przez zwór. Ostatnim elementem tego typu układu klimatyzacji jest parownik. Ma on postać typowego wymiennika ciepła. Do parownika dopływa rozpylona mieszanka cieczy i pary o niskim ciśnieniu i temperaturze. Podczas przepływu chłodnego czynnika przez rurki parownika ciepło przechodzi z cieplejszego powietrza do chłodniejszego czynnika chłodniczego. Po pozyskaniu dostatecznej ilości ciepła, ciekły czynnik chłodniczy odparowuje, zmieniając swoją postać z cieczy o niskim ciśnieniu na parę o niskim ciśnieniu. Zadaniem parownika jest więc odbieranie jak największej ilości ciepłego powietrza z kabiny. Skuteczność działania parownika jest uzależniona od poprzedniego elementu układu, którym był zawór rozprężny. Jeśli do parownika dostanie się zbyt dużo czynnika chłodniczego, to jego zdolność odbierania ciepła spada, ponieważ przy wyższym ciśnieniu i temperaturze czynnik chłodniczy trudniej odparowuje. Jeśli natomiast do parownika dostanie się zbyt mało czynnika chłodniczego, to jego zdolność do odbierania ciepła również spada, ponieważ czynnik chłodniczy odparowuje za szybko i parownik nie pracuje na całej swojej długości. Parownik jest zwykle umieszczany za deską rozdzielczą, najczęściej w tej samej obudowie, co element grzejny układu ogrzewania razem z zestawem klap między nimi. Schładzane przez parownik powietrze pozbawiane jest jednocześnie wilgoci. Osuszanie powietrza przed dostarczeniem go do wnętrza kabiny jest dodatkową zaletą układu klimatyzacji zwiększającą komfort jazdy. Prędkością przepływu schłodzonego powietrza do wnętrza kabiny steruje wentylator. Wysoka prędkość wentylatora daje dużą wymianę powietrza w kabinie, ale nie zapewnia maksymalnego chłodzenia. Zmniejszenie prędkości wentylatora spowalnia wymianę powietrza, ale wydłuża za to czas odbioru ciepła z nagrzanego powietrza przez chłodny czynnik chłodniczy. Najniższa temperatura chłodzonego powietrza występuje przy najniższej prędkości wentylatora.
Po przejściu przez parownik para o niskim ciśnieniu powraca z powrotem do sprężarki, skąd zaczyna się ponowny obieg czynnika chłodniczego.
Układ klimatyzacji z dyszą dławiącą ma nieco inną konstrukcję. Układ taki stanowią za skraplaczem:
- dysza dławiąca,
- parownik,
- zasobnik czynnika chłodniczego.
Różnica w pracy tego układu zaczyna się od momentu, gdy ciecz o wysokim ciśnieniu wpływa do dyszy dławiącej, która ogranicza przepływ i zmniejsza ciśnienie czynnika chłodniczego. Dysza dławiąca umieszczana jest zwykle w przewodzie czynnika chłodniczego lub w parowniku. Pełni ona taką samą funkcję jak zawór rozprężny w poprzednim typie układu klimatyzacji. Zasadnicza różnica polega jednak na tym, że przepływ czynnika chłodniczego przez dyszę dławiącą jest podczas pracy sprężarki stały i zależy wyłącznie od tego, czy sprężarka pracuje. To przerywana praca sprężarki reguluje przepływ i ciśnienie czynnika chłodniczego. Sterowaniem sprężarki kieruje temperaturowy lub ciśnieniowy wyłącznik sprzęgła sprężarki. Następnie ciecz o niskim ciśnieniu przepływa do parownika, w którym tylko jej część zamienia się w parę, schładzając tym samym przepływające przez parownik powietrze. Z parownika mieszanina cieczy i pary o niskim ciśnieniu przepływa do zasobnika czynnika chłodniczego ulokowanego w komorze silnika. W skład zasobnika czynnika chłodniczego wchodzi zbiornik, rurka powrotna pary oraz środek osuszający. Zasobnik zabezpiecza układ przed wilgocią, która jak wiadomo jest bardzo niebezpieczna dla układu klimatyzacji, a także pełni rolę zapasowego zbiornika na ciekły czynnik chłodniczy wypływający z parownika, w którym odparowuje reszta ciekłego czynnika. Ciekły czynnik chłodniczy zbiera się na dnie zasobnika, podczas gdy parę zasysa sprężarka przez kalibrowaną rurkę powrotną. Ze względu na wysoką temperaturę panującą w komorze silnika wszelkie ilości ciekłego czynnika szybko ulegają odparowaniu. Następnie para o niskim ciśnieniu wraca ponownie do sprężarki. Dla osiągnięcia optymalnej efektywności w układach klimatyzacji stosuje się wiele różnorodnych elementów sterowania nimi.

mgr Andrzej Kowalewski