Автомобильное кондиционирование

ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «ШАГ В БУДУЩЕЕ»

 

НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  СОРЕВНОВАНИЕ «ШАГ В БУДУЩЕЕ, МОСКВА»

 

 

             регистрационный номер

 

ФАКУЛЬТЕТ «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ»

 

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 регулирующем вентиле

5-1: Жидкость испаряется (в испарителе), забирая при этом теплоту из салона автомобиля, т.е. охлаждая его.

 

                                                                     (рис. 1)                                                         (рис. 2)

 

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 камеру, которая втягивает хладагент, изолирует  камеру и сжимает хладагент. Примечательно, что между тем, когда впервые  разработали данный способ сжатия газа и его первым рабочим прототипом, прошло довольно-таки много времени. Это произошло из-за того, что  его производство требует идеальной  точности в создании комплектующих частей. Стоит сказать о его преимуществах перед поршневыми компрессорами, которые сейчас являются самыми распространенными:

1. КПД больше на 10÷15%;
2. размеры меньше на 30÷40%;
3. масса меньше на 15÷18%;
4. уровень шума ниже на 5÷7 дБ;
5. высокая надежность и долговечность;
6. 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 (q_o). 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 всего  живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Долгое время озоновый слой стремительно истощался из-за деятельности человека. Вот основные причины его  истончения:

1) Во время запуска космических  ракет в озоновом слое буквально «выжигаются» дыры. И вопреки старому мнению о том, что они сразу же затягиваются, эти дыры существуют довольно долгое время.

2)Самолеты летающие на высотах в 12-16 км. также приносят вред озоновому слою, тогда как летающие ниже 12 км. напротив способствуют образованию озона.

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 ультрафиолетового  излучения отщепляется атом хлора, который начинает одну за другой превращать молекулы озона в кислород. Хлор может находиться в атмосфере  до 120 лет, и за это время способен разрушить до 100 тысяч молекул  озона.

 

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 повыситься на величину от 1,8 до 3,4 °C. В отдельных  регионах температура может немного  понизиться. Помимо повышения уровня Мирового океана, повышение глобальной температуры также приведёт к  изменениям в количестве и распределении  атмосферных осадков. В результате могут участиться природные катаклизмы: наводнения, засухи, ураганы и другие. Потепление должно, по всей вероятности, увеличивать частоту и масштаб  таких явлений. Другим возможным  последствием повышения глобальных температур является снижение урожаев  сельскохозяйственных культур в слаборазвитых странах Африки, Азии и Латинской Америки и повышение урожаев в развитых странах (за счёт увеличения концентрации углекислого газа и удлинения вегетационных периодов). Потепление климата может привести к смещению ареалов видов к полярным зонам и увеличить вероятность вымирания малочисленных видов-обитателей прибрежных зон и островов, чье существование в настоящее время находится под угрозой. Но борьба с глобальным потеплением по сравнению с борьбой за сохранение озонового слоя не столь серьёзна, потому что некоторые исследователи считают, что глобальное потепление — это миф, часть учёных отвергает возможность влияния человека на этот процесс. Есть те, кто не отрицает факт потепления и допускает его антропогенный характер, но не соглашается с тем, что наиболее опасными из воздействий на климат являются промышленные выбросы парниковых газов. Они считают, что это естественный процесс, связанный с изменением орбиты Земли, солнечной активности (в том числе и изменения солнечной постоянной) и вулканических выбросов. Трудно сказать какое мнение верно, но последствия могут быть очень плачевными, поэтому по возможности стоит снижать антропогенный фактор глобального потепления Земли.