Устройство и принцип на действие на климатикът.Методи за диагностика

Цикъл и машина на Карно

Във всяка топлинна машина има определено вещество, което периодично се разширява чрез нагряване, а чрез охлаждане се свива и така при последователните разширения и свивания извършва механична работа. Например газовете, получени при изгаряне на горивната смес в цилиндрите на двигател с вътрешно горене. Веществото, което извършва работа по този начин в една топлинна машина се нарича работно вещество на топлинната машина. Работното вещество извършва кръгов термодинамичен процес или цикъл.Ефективността на една топлинна машина се определя от това каква част от топлината Q , която получава машината се превръща в работа A . Величината η , която показва каква е тази част се нарича коефициент на полезно действие:

η = A Q .

Най-пълноценна би била топлинна машина, която превръща цялото получено количество топлина в работа ( A = Q ), т.е. топлинна машина с коефициент на полезно действие η = 1 . Такава топлинна машина се нарича перпетум мобиле от втори род и както ще видим не съществува.Въпросът за това какъв е максимално възможния коефициент на полезно действие на една топлинна машина за пръв път е изследван от френския инженер и физик Сади Карно, който предложил една идеална топлинна машина, наречена машина на Карно. Работното вещество в машината на Карно извършва цикличен термодинамичен процес, наречен цикъл на Карно. Цикълът на Карно се състои от четири етапа, които се осъществяват чрез изотермични и адиабатни процеси.Нека началното състояние на работното вещество се характеризира с обем V 1  и температура T 1 . През първия етап от цикъла на Карно работното вещество се разширява изотермично. В края на този етап температурата

 

остава същата T 1 , а обемът се увеличава до V 2 . Работното вещество извършва работа и за да остава температурата му постоянна, получава количество топлина Q 1  от нагревател с постоянна температура T 1 . През втория етап работното вещество се изолира топлинно и продължава да се разширява до обем V 3 . Извършва се работа, но за сметка на вътрешната енергия на работното вещество и затова температурата му намалява до T 2 . През третия етап работното вещество се свива до обем V 4  изотермично, при това външните сили извършват работа, и за да не се повишава температурата на работното вещество вследствие на тази работа, то отдава количество топлина Q 2 на охладител с температура T 2 . През четвъртия етап от цикъла работното вещество отново се изолира топлинно и продължава да се свива докато достигне началния си обем V 1 . Извършената при свиването работа на външните сили отива за увеличаване на вътрешната енергия, придружено с повишаване на температурата от T 2  до началната стойност на температура T 1 .

В резултат на целия цикъл работното вещество извършва работа A , равна на разликата между полученото и отдадено количество топлина:

Q 1 − Q 2 = A

Ефективността на машината на Карно се характеризира с коефициент на полезно действие:

η = A Q 1 = Q 1 − Q 2 Q 1 = 1 − Q 2 Q 1 .

Както се вижда от последните формули, поради това, че част от топлината се отдава на охладител и се губи, коефициента на полезно действие е по-малък от единица. Изобщо всички топлинни машини имат коефициент на полезно действие по-малък от единица.

Основните типове климатични системи са климатични системи използващи редуцирвентил и климатични системи използващи капилярна тръбичка. Ще обърнем внимание основно на системата използваща редуцирвентил.Петте основни компонента, в този тип система са:
1)Компресор (задвижван от двигателя)

2)Кондензатор (намиращ се в предницата на колата пред радиатора)

3)Филтър/дехидратор (намиращ се в коша на двигателя)

4)Редуцирвентил (обикновено прикрепен към изпарителя)

5) Изпарител (намиращ се в купето заедно с компонентите на отоплението зад таблото)

Ако проследим движението на фреона по системата като започнем от

компресора. Компресорът сгъстява фреона от пара под ниско налягане до пара под високо налягане. След това намиращата се под високо налягане пара се предава към кондензатора, където тя кондензира до течност под високо налягане благодарение на охлаждащия въздушен поток. Течността под високо налягане преминава към филтър/дехидратор, където бива пречистена и цялата влага бива отстранена. Чистата дехидрирана течност под високо налягане се предава към редуцирвентила, където се променя до смес от течност и пара под ниско налягане. След това сместа под ниско налягане преминава в изпарителя, където останалата течност отново се превръща в пара под ниско налягане, като охлажда въздуха, който преминава покрай изпарителя по време на процеса. От изпарителя парата под ниско налягане отива в компресора, който я изпомпва обратно по системата.

 

Другия основен вид климатични системи са тези използващи капилярна тръбичка.

Основни компоненти в климатичните системи

Компресор

 

Компресорите се различават по устройство, но всички изпълняват едни и същи функции: изпомпване на фреона от системата и повишаване на налягането и температурата му. Всички компресори се задвижват посредством ремък от коляновия вал, като това отнема средно 7-11kW (10-15к.с) от мощността на двигателя. Има три основни типа компресори: бутален тип, роторен лопатков тип и спирален тип. Трябва да се отбележи, че течен фреон не може да бъде допуснат в компресора. Ако в компресора постъпи течност той няма да може да изпълнява функциите си и ще се повреди. В климатичните системи с редуцирвентил температурата на газообразния фреон, излизащ от изпарителя, е достатъчно висока за да е сигурно, че не е останала течност. Всяка течност постъпила в изпарителя се превръща в пара, преди да достигне изхода на изпарителя.Всички компресори се нуждаят от някакъв вид смазване и то се осигурява от присъствието на масло в системата (маслото циркулира заедно с фреона. Типът масло, който се използва зависи от типа фреон в системата. Съществуват няколко различни класа масло за различните компресори, като винаги трябва да се използва указаното от производителя масло за да се избегнат проблеми. Съществуват различни видове компресори (бутален тип, роторен лопатков тип, спирален тип – циклоидни), но всички изпълняват едни и същи функции: изпомпване на фреона по системата и повишаване на налягането  и температурата му. Отворите за засмукване и изпускане на фреон на компресора често се отбелязват с S (siction – засмукване – т.е.страна под ниско налягане) и D (discharge – изпускане – т.е. страна под високо налягане).

Компресори бутален тип.

Имат едно или повече бутала, подредени в редица, осево, хоризонтално или едно срещу друго или във V-образна конфигурация.Всеки цилиндър в буталния компресор извършва такт засмукване, последван от комбиниран такт компресия/изпускане. Газообразният фреон под ниско налягане се засмуква в цилиндъра през пластинчат клапан, докато буталото се движи надолу в цилиндъра по време на такт засмукване. Докато буталото се движи обратно нагоре в цилиндъра в такт компресия, парата се сгъстява, като това увеличава налягането и температурата на фреона. Когато бъде достигнато предварително зададено налягане, изпускателният пластинчат клапан се отваря, позволявайки на фреона да излезе от цилиндъра и да се придвижи към кондензатора.По същество изпускателният пластинчат клапан е началото на системата под високо налягане.

Компресори роторен лопатков тип. Състоят се от ротор с няколко лопатки и прецизно оформен корпус. При въртене на вала на компресора лопатките и корпуса оформят камери. Фреонът бива засмукан през захранващия отвор в камерите, които намаляват размера си с въртенето на ротора. Изпускателният отвор се намира в точката, в която камерите са най-малки, където парата е напълно сгъстена.

 

Съединител на компресора. Всички компресори на автомобилни климатични инсталации се задвижват чрез ремък от коляновия вал. Когато работата на компресора не е необходима, електромагнитен съединител го разкача от задвижващата ролка. Съединителят се управлява от контролната система на климатичната инсталация според нуждите на климатичната система. При някои системи съединителят постоянно включва и изключва компресора, докато при други компресорът работи непрекъснато, докато системата е включена. При по-старите компресори съединителят е бобина, като намотката, която зацепва и разкача компресора, е вградена в ролката и се върти заедно с нея. При всички съвременни компресори се използва неподвижна бобина. При болшинството компресори бобината е вътре в задвижващата ролка, а задвижващата пластина е поставена в предната част на ролката. Когато климатичната инсталация бъде включена, бобината се активира и магнитното поле, което създава, зацепва  задвижващата пластина с ролката, която задвижва компресора.

1- гайка на вала; 2-зегерка; 3-шайба; 4-задвижваща плоча на съединителя; 5-шпонка на главината на съединителя; 6-зегерка между лагера и компоресора; 7-зегерка, фиксираща лагера в шайбата; 8-лагер на шайбата; 9-шайба; 10-зегерка на корпуса на бобината; 11-бобина.

Кондензатор.Кондензаторът е прост топлообменник, който обикновено се произвежда от мед или алуминий. Обикновено кондензаторът се поставя директно пред радиатора, така, че да бъде изложен на целия въздушен поток, който минава през автомобила вследствие движението му.

В кондензатора постъпва нагретият сгъстен газообразен фреон, идващ от частта на компресора под високо налягане. Газообразния фреон влиза в кондензатора през горната му част и се движи през навитите тръби, отдавайки топлина през стените им към охлаждащите ребра като след това топлината се излъчва от охлаждащите ребра в атмосферата. Докато газообразния фреон се охлажда и движи надолу през кондензатора, той постепенно кондензира до течно състояние. В момента в който парите кондензират те отдават топлина. В една климатична система работеща при нормално топлинно натоварване в кондензатора има смес от гореща газообразен фреон в горните 2/3 от кондензатора и течен фреон, който е кондензирал в долната част. Намиращият се под високо налягане течен фреон излиза от кондензатора и се придвижва към изпарителя.

Вентилатор на кондензатора.Добрата работа на охлаждащия вентилатор на кондензатора е изключително важна за ефективното функциониране на климатичната система. За да може кондензаторът да отдаде топлината от фреона, въздушния поток който преминава през него трябва да е винаги достатъчен. Повечето автомобили имат електрически вентилатор. Кондензаторът и радиаторът могат да имат и общ вентилатор, но при повечето той е отделен. Обикновено вентилаторът работи винаги, когато климатикът е включен.

Изпарител.Както кондензатора, изпарителят също прилича на радиатор от охладителната система. Когато климатикът бъде включен топлият въздух от купето се издухва през ребрата на изпарителя.

В изпарителя постъпва фреон, който е под ниско налягане, ниска температура и във формата на фино пулверизирана течност. Докато студения фреон преминава през навитите тръби на изпарителя, се предава топлина от топлия въздух към по-хладния фреон. Когато течният фреон получи достатъчно топлина той се изпарява като се превръща от течност под ниско налягане в пара под ниско налягане. В системите с редуцирвентил цялото количество течен фреон се превръща в пара в изпарителя, но в системите с капилярна тръбичка фреонът се изпарява само частично в изпарителя. Редуцилвентилът или капилярната тръбичка регулират количеството фреон, който постъпва в изпарителя, за да се поддържа оптималния топлообмен м/у фреона и въздуха. Ако в изпарителя бъде пуснат твърде много фреон той се препълва, като това води до лош топлообмен, тъй като по-високото налягане и температура пречат на фреона да се изпарява лесно. Ако в изпарителя постъпи твърде малко фреон той остава недостатъчно изпълнен, като това води до лош топлообмен, тъй като фреона се изпарява твърде бързо преди да премине през изпарителя. Топлият въздух който обдухва изпарителя обикновено съдържа известна влага. Тази влага обикновено кондензира в/у навитите тръбички и ребрата на изпарителя и изтича под формата на вода. В долната част на корпуса на изпарителя има дренажна тръбичка, която отвежда водата извън автомобила.Обикновено изпарителя се поставя в същия корпус, в който е отоплителния радиатор, като между тях има подвижни клапи за да може да се регулира въздушния поток и температурата в автомобила.
Филтър/дехидратор.Ако се допусне натрупване на влага в климатичната система, в някои случаи водата може да реагира с фреона и да се получи киселина, която действа корозиращо в/у компонентите на системата. Влагата също така може да замръзне в системата и да блокира движението на фреона, което води до липса на охлаждане, а може и да повреди компресора. За пречистване и отстраняване на влагата от фреона се използва филтър/дехидратор. Филтърът се поставя м/у кондензатора и изпарителя и се състои от резервоар, филтър, изсушаващ елемент, чувствителна тръбичка, а при някои системи има и стъкло, което позволява да наблюдава движението на фреона.

1-мрежест,филтър
2-корпус
3-торбичка-силикагел
4-вход
5-прозорец за наблюдение
6-изход
Редуцирвентил. Редуцирвентилът е м/у филтъра и изпарителя и задачата му е да контролира количеството фреон към изпарителя. Редуцирвентила намалява налягането и температурата на фреона достатъчно, за да може течният фреон да се изпари, докато преминава през изпарителя и поглъща топлина от вътрешността на автомобила. Клапанът се състои от дозиращ отвор и контролиран като термостат клапан. В клапата има калибриран отвор, който намалява налягането на постъпващия в течно състояние фреон. Фреона от филтъра влиза в редуцирвентила като течност под високо налягане. Когато течността достгне отвора на клапата, тя бива изтласкана през тесния отвор и излиза от другата страна на отвора пулверизирана. Това води до разлика в налягането, т.е. течността влиза под високо налагане и температура, а излиза под ниско налягане и температура, което позволява на пулверизираната смес от течност и пара да премине през изпарителя и да се изпари напълно.

1.поток на фреона към входа на изпарителя.2 – пружина3 – сфера и плоча на клапана

4 – изтласкващи щифтове

5 – диафрагма

6 – термочувствително реервоарче

7 – капилярна тръбичка

8 – вход за течен фреон

9 – калибриран отвор

10 – канал за изравняване на налягането

Капилярна тръбичка. Намира се между кондензатора и изпарителя и задачата й е да контролира количеството фреон към изпарителя. Капилярната тръбичка намалява налягането (и температурата) на фреона достатъчно, така че намиращият се в течно състояние фреон да може да се изпари при преминаването си през навитите тръби на изпарителя, като поглъща топлина от вътрешността на автомобила. Капилярната тръбичка се състои от корпус, в който има филтър и калибрирана тръбичка.

1- уши за демонтаж; 2- входящ филтър; 3- калибрирана тръбичка; 4- О-пръстени; 5- изходящ филтър

Калибрираната тръбичка намалява налягането на влизащия в течно състояние фреон. Фреонът от кондензатора влиза в капилярната тръбичка под формата на течност под високо налягане. Когато течността достигне калибрираната тръбичка, тя бива изтласкана през малкия отвор и излиза от другата страна на отвора пулверизирана. Това води до разлика в налягането, т.е. течността влиза в тръбичката под високо налягане и температура, а излиза под ниско налягане и температура, което позволява на пулверизирания фреон да премине през изпарителя и лесно да се изпари.Капилярната тръбичка дозира постоянно количество фреон, когато компресорът работи, така че количеството фреон през нея се контролира от компресора. За включване и изключване на компресора се използва прекъсвач на съединителя, който е или термостат, или пресостат. Периодичното действие на компресора контролира количеството и налягането на фреона.

Фреони
В автомобилните климатични системи се използват два фреона – R12 и R134a. Важно е да се знае, че компонентите използвани в повечето климатици, са специланп разработени така, че да бъдат използване лли с R12 или с R134a, но не и с двата фреона. Климатик работещ с R12 не бива да се зарежда с R134a и обратното. Основната причина за това е, че R12 системите използват минерално масло, докато R134a системите използват синтетично PAG масло. Ако бъде използван погрешния фреон, той няма да се смеси с маслото, т.е. компресора ще остане без смазване и ще се повреди.

R12-Фреон

Това е хлофлуоровъглероден фреон

Предимства:
-незапалим

-безвреден в малки количества.

-смесва се   с минерално смазочно масло.

Недостатъци:
-унищожава озоновия слой.

-причинява         парников   ефект
-при наличието на открит пламък произвежда фосген, който е смъртоносен за човека.

R134a

Този фреон се използва вместо R12 от около 1992г.

Предимства:
-незапалим
-безвреден в малки количества

-не влияе на озонивия слой
Недостатъци:
-причинява парников ефект, но в по-малка степен от R12.

-при наличието на открит пламък произвежда флуороводород, който е смъртоносен за         човека
-нуждае се от по-специални маркучи поради по-малките размери на молекулите и да не навлиза влага защото маслото е хигроскопично

-не се смесва с минерално масло, така, че в компресора трябва да се слага специално PAG малко, което е по-скъпо и силно хигроскопично.