Автомобильное кондиционирование
ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «ШАГ В БУДУЩЕЕ»
НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ СОРЕВНОВАНИЕ «ШАГ В БУДУЩЕЕ, МОСКВА»
регистрационный номер
ФАКУЛЬТЕТ «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ
КАФЕДРА «ХОЛОДИЛЬНАЯ, КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА, СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ»
АВТОМОБИЛЬНОЕ КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ
Автор: Самсонов Семён, учащийся МОУ СОШ №9 г. Люберцы,
11 класс
Научный руководитель: Леонов Виктор Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Баумана, член-корреспондент МАХ
Москва – 2013
Введение
Актуальность работы. На сегодняшний день в мире используется более 1 миллиарда автомобилей. Во многих из них установлены кондиционеры, обеспечивающие комфортный для человека температурный режим. Однако каждый из них оказывает негативное влияние на окружающую среду из-за фторосодержащих расходующих материалов и/или их высокого парникового эффекта. Кондиционеры в автомобили стали устанавливать с 1930 года. Сложно представить какой вред экологии был нанесен за эти годы. Сейчас ученые бьют тревогу в связи с разрушением озонового слоя, защищающего нас от негативного воздействия солнца, и глобальным потеплением, связанным с высоким парниковым эффектом от человеческой деятельности.
Цель работы состоит в том, чтобы произвести ретрофит парокомпрессорного цикла, сделав его максимально безопасным для окружающей среды, но в то же время отвечающим всем современным требованиям кондиционирования легкового автомобиля.
Содержание работы. Данная работа включает в себя описание принципа работы автомобильного кондиционера в режиме холодильной машины, в режиме теплового насоса, в режиме климата-контроля, а также устройство автомобильного кондиционера и разновидности его комплектующих. Были рассмотрены нестандартные способы автомобильного кондиционирования. В тексте приведены описания и характеристики используемых сейчас хладагентов и предложенных мной для использования в автомобиле.
Используемые методы. Были построены холодильные циклы всех рассматриваемых хладагентов, вычислены их удельная холодопроизводительность, холодильный коэффициент. Была выявлена рентабельность использования термоэлектричества для кондиционирования автомобиля.
В результате был выбран наиболее удачный в плане сохранения окружающей среды и холодопроизводительности способ кондиционирования автомобиля.
Устройство и принцип работы кондиционера.
Автомобильный кондиционер имеет устройство холодильной машины. Он состоит из испарителя (И), компрессора ( ), конденсатора (К), дросселя (др.) и соединяющей их трубки, по которой циркулирует хладагент. Рассказать о назначении каждой из деталей можно на примере холодильного цикла (рис. 1):
1-2: Пар сжимается в компрессоре до давления конденсации.
2-3: Охлаждение перегретого пара.
3-4: Пар конденсируется (в конденсаторе)
4-5: Жидкость расширяется в
5-1: Жидкость испаряется (в испарителе), забирая при этом теплоту из са
В автомобиле испаритель находится за решеткой радиатора, дроссель и компрессор у двигателя, а конденсатор – под лобовым стеклом.
Компрессор
Поподробнее я бы хотел остановиться на компрессоре кондиционера. Многие называют его “сердцем” кондиционера и это неспроста. Именно он сжимает пар до нужного давления и отвечает за циркуляцию фреона. В автомобиле используются разные виды компрессоров. Я бы хотел рассмотреть наиболее используемые виды и определить перспективнейшй из них.
Поршневой компрессор
Самыми распространенными являются поршневые компрессоры. Они делятся на множество подвидов. Различаются они как по количеству цилиндров, так и по форме их расположения. Бывают с поршнями, объединенными в ряд, соосно по отношению друг другу, либо когда поршни направлены в разные стороны (горизонтально опозитно). Существуют компрессоры с V-образным направлением поршней. Чаще всего встречаются с расположенными в ряд поршнями. Такие компрессоры состоят из поршней и “качающей шайбы”, насаженной на вал компрессора, задача которой – приведение поршней в движение. Поршни, под воздействием «швабры», перемещаются в осевом направлении, сжимая хладагент.
Роторно–лопастные компрессоры
Также очень распространены роторно-лопастные компрессоры. Принцип работы такого типа компрессора заключается в следующем: ротор, вращаясь, приводит в движение лопасти, которые создают полости с переменным объемом, в которые, поочередно, через впускное отверстие подается хладагент. Полость, в которой находится в настоящий момент хладагент, под движением ротора уменьшается в объеме. При этом выпускное отверстие располагается в том месте, где лопасти имеют наименьший размер, а хладагент одновременно с этим достигает максимального давления.
Спиральные компрессоры
На
мой взгляд, это наиболее интересный
вид компрессоров. Для начала, конечно
же, стоит описать их устройство
и принцип работы. Спиральный компрессор
имеет неподвижную и подвижную
спирали, установленные так, что
подвижная спираль создаёт
- КПД больше на 10÷15%;
- размеры меньше на 30÷40%;
- масса меньше на 15÷18%;
- уровень шума ниже на 5÷7 дБ;
- высокая надежность и долговечность;
- более низкая стоимость производства;
Все это делает его очень привлекательным для использования в автомобилях.
Хладагенты
Хладагент - рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации. В автомобилях в качестве хладагентов используются фреоны (промышленные хладагенты), которые пагубно влияют на окружающую среду и также имеют высокую цену в отличие от природных хладагентов. Чтобы глубже разобраться в этом вопросе следует рассмотреть наиболее распространенные виды хладагентов, выявить их достоинства и недостатки. Одним из параметров сравнения будут их технические характеристики: холодильный коэффициент (Е) и удельная холодопроизводительность (qo). Имея схему холодильного цикла в диаграмме i-lg p, сделать это очень просто.
R12
R12 (дифтордихлорметан) имеет формулу CCl2F2. Наиболее распространенный автомобильный хладагент до начала 90-ых годов. Среди достоинств стоит отметить неплохую холодопроизводительнось и высокий холодильный коэффициент. Но данный фреон имеет важнейший недостаток, из-за которого он был заменен другими хладагентами. R12 – это хлоросодержащее вещество. А значит при попадании его в атмосферу, разрушается озоновый слой. Существует специальный показатель ODP (ozone depletion potential или потенциал разрушения озона). ODP варьируется от 0 до 1, и у R12 он равен 1. В связи с этим запрещено производство R12 с 1 января 1996 года (согласно измененной редакции Монреальского протокола на конференции в Копенгагене, ноябрь, 1992г.).
Технические характеристики R12:
Стоит ли бояться разрушения озонового слоя?
Озоновый слой расположен в стратосфере
на высоте от 12 до 50 км (наибольшая плотность
на высоте около 23км). И, несмотря на то,
что концентрация озона в атмосфере
меньше 0.0001%, озоновый слой полностью
поглощает губительное для
1) Во время запуска космических
ракет в озоновом слое буквальн
2)Самолеты летающие на высотах
3) Выброс в атмосферу фреонов.
Самой
главной причиной разрушения озонового
слоя является хлор и его водородные
соединения. Огромное количество хлора
попадает в атмосферу, в первую очередь
от разложения фреонов. Когда фреоны
поднимаются в верхние слои атмосферы,
от них под действием
R134a
На замену “вредному” R12 приходит R134a, именуемый Тетрафторэтан. Его формула такова - CF3-CFH2 Холодопроизводительность R134a ниже R12 на 5-7 %, но самое главное, что из-за отсутствия хлора он безопасен для озонового слоя Земли. Казалось бы, отличный вариант, но встает новая проблема глобального характера – это потепление и таяние ледников, возникающее из-за высокого парникового эффекта. Как известно, у каждого хладагента существует показатель GWP (Global-warming potential или потенциал глобального потепления). За единицу GWP принимается воздействие на окружающую среду CO2. У R134a показатель GWP равен 1300 из-за содержания в нем фтора. В связи с этим и этому фреону пора “уйти на пенсию”. Тем более что вследствие подписания Киотского протокола большинством из стран Европы с этого года во всех новых автомобилях запрещено использование фреонов с GWP > 150. Также стоит отметить ещё один недостаток данного хладагента – его текучесть. Это значит, что при малейшей негерметичности кондиционера возможна серьезная утечка фреона.
Технические характеристики R134a:
Чем нам грозит глобальное потепление?
Глобальное потепление — процесс
постепенного увеличения среднегодовой
температуры атмосферы Земли
и Мирового океана в XX и XXI веках. Позиция
Межгосударственной группы экспертов
по изменению климата (МГЭИК) ООН, согласованная
с национальными академиями наук
стран «Большой восьмёрки», заключается
в том, что средняя температура
по Земле поднялась на 0,7 °C со времени
начала промышленной революции (со второй
половины XVIII века), и что «большая
доля потепления, наблюдавшегося в
последние 50 лет, вызвана деятельностью
человека», в первую очередь выбросом
газов, вызывающих парниковый эффект:
углекислого газа (CO2) и метана (CH4).
Оценки, полученные по климатическим
моделям отчета МГЭИК 2007 г. говорят,
что к началу XXII века средняя температура
поверхности Земли может
Новый хладагент
Сейчас перед нами стоит важная проблема. Какой же хладагент использовать вместо R134a? Итак, мы уже выяснили, что хлорфторуглероды и гидрофторуглероды не подходят для использования в XXI веке. Для начала рассмотрим уже известные и широко применяемые фреоны. Начнем с зеотропной смеси — механической смеси хладагентов с различными температурами насыщения при одном и том же давлении. Следовательно, при некоторых условиях хладагенты могут разделиться на составляющие.
R407c
R407, состоящий из R32/R125/R134a и взятый в пропорциях 23/25/52. Потенциал глобального потепления выше на 300 по сравнению с R134a. Но и это ещё не все изъяны зеотропа. Так как это смесь, то его очень трудно заправлять, потому что необходимо сохранить пропорции. Учитывая не самые лучшие характеристики, проблемы в эксплуатации более сложное производство по сравнению с моновеществами, вы ещё можете увидеть более высокую цену по сравнению с тем же R134a. На мой взгляд, достаточно причин, чтобы не рассматривать этот хладагент, как альтернативу R134a.
Технические характеристики R407c:
R502
Также существует группа фреонов, именуемая азеотропами. Азеотропная смесь - это механическая смесь двух или более хладагентов, которые при правильных пропорциях составляют хладагент с одной температурой кипения, отличной от температур кипения отдельных составляющих. Азеотропная смесь кипит при постоянной температуре, сохраняя такой же состав пара, как и у жидкости. Параметры азеотропной смеси являются противоположными зеотропным хладагентам. Рассмотрим его достоинства и недостатки на примере R502 – азеотропной смеси R22 и R115, взятых в соотношении 48,8 к 51,2. Его GWP равен 5590. Ужасные показатели как в техническом, так и в экологическом смыслах. Также никуда не делись проблемы смесей: дороговизна, сложность в эксплуатации. Можно считать данный фреон совершенно нерентабельным для использования в современных автомобильных (да и не только) кондиционерах.
Технические характеристики R502:
Природные хладагенты
В природе
существует достаточно газов, обладающих
свойствами, которые позволяют использовать
их в качестве хладагентов. Они имеют
ряд преимуществ по отношению
к промышленным хладонам. Во-первых,
они имеют очень низкую стоимость.
Во-вторых, они либо безопасны для
окружающей среды либо в сотни
раз безопаснее фреонов. В-третьих,
многие из них имеют высокую
CO2
Углекислый газ, как ни странно, тоже является хладагентом. Углекислота имеет очень низкие показатели ODP (0) и GWP (1), а ее себестоимость крайне мала. Но существует одна проблема, не позволяющая использовать в кондиционерах, а точнее использовать стандартным способом, данный хладагент. Причина проста – очень низкая критическая температура. Она равна всего 31°С. То есть, когда температура на улице достигает выше указанного значения, газ CO2 не может конденсироваться, и осуществление холодильного цикла становится невозможным. Современным ученым удалось обойти это ограничение методом использования транскритического холодильного цикла. Но эта технология требует очень сложного строения кондиционера, а также данный кондиционер имеет массу, которая намного выше, чем у кондиционеров с использованием обычного холодильного цикла. Все это делает его не самым перспективным хладагентом для автомобиля, но из-за высоких холодильных характеристик и низкого вреда для экологии кондиционеры на углекислоте широко используются в Норвегии и частично в Японии.
NH3 (R717)
Аммиак
широко используется в настоящее
время на складах и производствах
для поддержания нужной температуры
в качестве хладагента. Он не наносит
никакого вреда озоновому слою и
не имеет парникового эффекта. Также
он имеет высочайшую холодопроизводительность
и большой холодильный
Технические характеристики R717:
R600a
R600a или изобутан имеет следующую химическую формулу: (CH3)2-CH-CH3. Он практически безвреден для окружающей среды. Его показатель ODP равен 0, а GWP
равен 3. Это более чем в 400 раз меньше, чем у R134a. Данный хладагент имеет высокую холодопроизводительность и высокий холодильный коэффициент, что делает его довольно-таки привлекательным для производителей кондиционеров и холодильных машин. На сегодняшний день изобутан широко используется в холодильниках. Но почему его до сих пор не используют в кондиционерах? Возможно из-за его воспламеняемости, хотя данных об авариях домашних холодильников на R600a нет. То его количество, которое используется в кондиционере, не представляет никакой опасности и угрозы для человеческой жизни, несмотря на то, что хладагент циркулирует рядом с двигателем. Исходя из всего вышеперечисленного, я считаю, что именно изобутан должен прийти на замену “вредному” R134a. Но у ведущих производителей холодильной техники и фреонов другое мнение на этот счет.
Технические характеристики R600a:
R1234yf
Данный тетрафторпропилен, имеющий формулу CF3CF=CH2 был представлен в 2010 году компаниями DuPont и Honeywell. Его отличительной особенностью является показатель GWP равный 4. То есть этот фреон практически не имеет парникового эффекта. В связи с этим данный хладагент будет использоваться практически во всех новых автомобилях, начиная с 2012 года, а к 2016 планируется полностью отказаться от R134a. Но R1234yf имеет ряд серьезных недостатков:
во-первых, сильно возросшая цена по сравнению с остальными хладагентами;
во-вторых, по сравнению с R134a холодопроизводительность у тетрафторпропилена ниже примерно на 5-7%;
в-третьих, для кондиционера, работающего на R1234yf, требуются гораздо более сложные запчасти (планируется даже использовать для лучшего холодильного коэффициента транскритический цикл);
в-четвертых, из-за сложного состава самого хладагента заправка хладагента становится сложнее по сравнению с тем же R134a;
в-пятых, R1234yf присвоили "умеренную" степень воспламеняемости. Многие исследования показали, что он безопасен в автомобиле в разных условиях и ситуациях, поэтому многие компании не стали обращать на это внимание, но компания DAIMLER, производитель легендарного бренда Mercedes-Benz, проведя свои опыты, выяснила, что данный фреон не является безопасным, и отказывается использовать его в своих автомобилях. Также компания DAIMLER рассчитывает полностью убрать данный фреон с рынка.
Масло для кондиционера
В настоящее время в компрессорных системах охлаждения применяются различные виды масел:
- Минеральные масла
- Синтетические масла
- Полусинтетические масла
Для R1234yf требуются синтетические масла, а с R600a применяют минеральные масла. Можно долго спорить о том, что в итоге лучше. Для начала стоит привести список достоинств и недостатков синтетических масел перед минеральными.
Преимущества:
- лучше смазывающие качества;
- выше термическая стабильность и стойкость в смеси с хладагентами;
- ниже температура застывания (определяет начало застывания, то есть перехода масла из жидкого состояния в твёрдое);
- меньше агрессивность по отношению к конструкционным материалам.
Недостатки:
- относительно высокая стоимость;
- значительная гигроскопическая и избирательная агрессивность по отношению к отдельным материалам.
Определенная
агрессивность к материалам присутствует
у обоих видов масел. Температура
застывания, на мой взгляд, не является
серьезным преимуществом, а просто
учитывается при разработке кондиционера.
Более высокие термическая
Замена R134a
Пришло время подвести итог “соревнования” хладагентов. На мой взгляд "победителем” стал именно R600a. Сейчас я постараюсь объяснить почему. Во-первых, холодильные характеристики относительно тех хладагентов, которые могут быть использованы в автомобиле, очень высоки. В этом можно убедиться на представленной ниже таблице:
Хладагент |
R600a |
R134a |
R502 |
R407c |
R12 |
R1234yf |
E |
8,42 |
8,5 |
8,16 |
8,08 |
8,25 |
- |
qₒ(кДж/кг) |
286,89 |
153,3 |
107,8 |
170,4 |
121,2 |
- |
ODP |
0 |
0 |
0,33 |
0 |
1 |
0 |
GWP |
3 |
1300 |
5590 |
1610 |
8500 |
4 |
Я не обладаю точными техническими данными R1234yf, но прочитал в интернете, что холодопроизводительность на 5-7% ниже, чем у R134a, а высокого холодильного коэффициента производители собираются добиваться за счет новых технологий в производствах кондиционеров. Из всего этого можно сделать вывод, что R600a является лучшим по своим холодильным качествам, по влиянию на окружающую среду, по цене (природные хладагенты самые дешевые), а его воспламеняемость, на мой взгляд, сильно преувеличена. В конце концов, R1234yf тоже воспламеняем.
Альтернативные способы
Ни для кого не секрет, что существуют способы кондиционирования, для которых не требуются никакие хладагенты, а значит, они не наносят никакого вреда окружающей среде. Я бы хотел заострить свое внимание на одном из них - термоэлектричестве. В том случае, когда через цепь двух разнородных материалов пропускается постоянный ток, один из спаев начинает нагреваться, а другой — охлаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эффекта.
К сожалению, этот способ охлаждения не годится для автомобиля по одной простой причине. Мощность холодильных машин, построенных на термоэлектричестве, составляет всего 1500 Вт, а теперь рассчитаем сколько нужно теплоты, чтобы охладить салон автомобиля на 20 градусов Цельсия:
Учитывая низкую мощность современных термоэлектрических холодильных машин, использовать их в автомобиле совершенно неразумно.
Тепловой насос
Режим теплового насоса обратен холодильному циклу, то есть испаритель выступает в роли конденсатора и наоборот. В результате получается, что мы отопляем салон, а охлаждается (конечно, это сильно сказано) воздух на улице. Есть одно условие для данного режима кондиционера: температура на улице не должна быть ниже, чем -10 градусов по Цельсию. Таким образом, я предлагаю сравнить Фи (аналог холодильного коэффициента, который вычисляется по формуле ) сравниваемых ранее хладагентов:
В режиме теплового насоса мы также видим явное преимущество изобутана, что доказывает его профпригодность.
“Печка”
Но в автомобилях для
1. Мы не тратим дрполнительную эн
2. ГОСТ автомобильной печки

- Автомобильное страхование
- Автомобильное страхование
- Автомобильное сцепление
- Автомобильные аварии
- Автомобильные бензины
- Автомобильные бензины
- Автомобильные бензины
- Автомобильная промышленность России
- Автомобильная промышленность Российской Федерации
- Автомобильная промышленность РФ
- Автомобильная промышленность РФ
- Автомоби́льная светоте́хника
- Автомобильная травма (травма в салоне автомобиля)
- Автомобильно-дорожный комплекс и его воздействие на окружающую среду