Принцип работы кондиционера в помещении

Рассматривая принцип работы кондиционера в помещении, можно смело сказать, что он аналогичен работе холодильника, где используются такие физические свойства сжиженного газа, как поглощение тепла в момент испарения, и выделение его при конденсации. Работа устройства для кондиционирования воздуха построена на изменении агрегатного состояния хладагента. Его роль, обычно, выполняет гидрофторуглерод HCFC с температурой кипения 40,8°С, при давлении 760 мм рт. ст.

Как работает самая простая сплит-система?

Чтобы лучше понять принцип работы такого устройства, рассмотрим сплит-систему, которая предназначена только для охлаждения воздуха. Она состоит из наружного и внутреннего блока. Наружный располагается на улице, он оснащен компрессором, осуществляющим циркуляцию хладагента. Процесс происходит следующим образом: хладагент, попадающий в контур внутреннего блока, обладает низким давлением, так как при переходе из наружного блока он проходит процесс дросселирования (т.е. понижения давления).

Температура хладагента достигает значений от 5 до 10°С, он начинает кипеть, переходит в парообразное состояние. Необходимое количество тепловой энергии забирается из воздуха, попадающего из помещения на теплообменник, установленный во внутреннем блоке. Далее включается вентилятор, направляющий охлажденный воздуху обратно в помещение.

Хладагент, находящийся в это время в парообразном состоянии, попадает в наружный блок и с помощью компрессора сильно сжимается. Давление начинает расти, температура повышаться, достигая 50-60°С. Затем пар охлаждается, и при переходе в новое агрегатное состояние (жидкость), выделяет тепло, поступающее на теплообменник, воздух начинает нагреваться.

Покинув теплообменник, хладагент опять проходит через капиллярную трубку, происходит его дросселирование, температура опять снижается до значения 5-10°С. Вновь жидкость закипает, поглощая тепловую энергию из воздуха, поступающего из помещения.

О работе более сложной системы кондиционирования

Работа сплит-системы, которая способна не только охлаждать, но еще обогревать помещение, является более сложной, хотя основана на тех же принципах. Когда режим работы меняется с «охлаждения» на «обогрев», наружный и внутренний блоки тоже меняются местами. Чтобы можно было изменять направление хладагента в контуре, включается специальный 4-х ходовой клапан.

При работе в охлаждающем режиме сжиженный газ, имеющий высокие значения по температуре и давлению, направляемый клапаном, попадает в наружный блок на теплообменник. При переключении на режим обогрева, тем же клапаном газ направляется во внутренний блок, попадая на его теплообменник.

Когда включен режим “обогрев”, направление движения газа меняется клапаном, и к работе подключается компрессор. Он производит всасывание газа из наружного блока, затем начинается его нагнетание во внутренний блок. Оказавшись в теплообменнике, газ конденсируется, отдавая тепловую энергию и обогревая помещение. Конденсат, дросселируемый в капиллярной трубке, попадая в наружный блок опять совершает переход в газообразное состояние, а затем всасывается компрессором.

Такой цикл, постоянно повторяясь, повышает температуру в помещении до нужных значений. Конфигурация контура сплит-системы, в составе которой имеются несколько внутренних блоков, гораздо сложнее. В ней функционируют сразу два компрессора, осуществляющих циркуляцию газа во внутренних блоках. Компрессор наружного блока в этом случае является общим.

Тепловой насос

Режим обогрева предусматривает забор тепла из наружного воздуха, и перекачивания его в помещение, этот способ стал называться «тепловой насос». Понижение наружной температуры затрудняет процесс поглощения тепла, мощность и скорость обогрева снижаются. По этой причине применение обогрева не рекомендуется, когда температура становится ниже, чем -5°С. При таких условиях возрастает потребление электроэнергии, эффективность охлаждения падает, а компрессор быстрее изнашивается.

Как рассчитывается эффективность кондиционера

Считается ошибочным мнение, что при работе в режиме обогрева (теплового насоса) КПД может быть выше 100%. В данном случае лучше говорить об эффективности работы кондиционера, а не о его КПД.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, предлагается рассмотреть такой пример. Имеются две среды: «горячая» с температурой Т1 и «холодная» с температурой Тₒ, (Т1 ≥ Тₒ). Во время цикла преобразования тепла c более высокой температурой (Q1) в работу (L) часть тепла непременно перейдет на более низкий уровень, где температура Тₒ. Таким образом, тепловая энергия Q1 нагревателя, имеющего температуру Т1, отбирается от него, а тепловая энергия Qₒ передается холодильнику с температурой Тₒ. В соответствии с законом сохранения энергии Q1 = L + Qₒ , а КПД прямого теплосилового цикла рассчитывается так:  k = L/Q1. Коэффициент эффективности такого цикла можно рассчитать по формуле  f = Q1/ L. Если предположить, что потерь энергии не происходит, то коэффициент эффективности будет равен  f = Т1/(Т1 – Тₒ).

Получается, что чем меньше разница между температурами Т1 и Тₒ, тем выше коэффициент эффективности. Как было сказано выше, данный пример доказывает, что снижение температура воздуха снаружи ведет к уменьшению эффективности работы кондиционера, запущенного на обогрев.

Зачем кондиционеру ТЭНы?

Так как наблюдается значительное уменьшение производительности в режиме теплового насоса, когда понижается температура снаружи, производители кондиционеров устанавливают с целью дополнительного нагрева электронагревательные элементы (ТЭНы). Их мощность находится в пределах от 1,5 до 3 кВт, а включаются они автоматически, при разнице не более 3-х градусов между действительной и заданной температурой.

Практика показывает, что если правильно выбрана производительность и адекватно заданы необходимые температуры, ТЭН работает лишь несколько минут. Если температура воздуха на улице становится ниже -10°С, а производительность резко падает на 35-50%, ТЭН способен скомпенсировать такое падение и ускорить время обогрева.

Режим осушения

Кроме таких полезных функций, как охлаждение помещения и обогрев, кондиционеры осуществляют вентиляцию и осушение, возможна их работа в режиме автоматики. Осушение, обычно, сопутствует охлаждению воздуха. Попадая из комнаты на испаритель, он конденсирует влагу. Включение в режим осушения значительно ускоряет процесс конденсации, при этом нормализуется влажность воздуха, поступающего в помещение, а температура его остается неизменной. Такой эффект достигается путем дополнительного подогрева воздуха при проходе его через испаритель, а затем высушивания ТЭНом.

В каких еще режимах работает кондиционер

• Вентиляция. Такой режим не предусматривает охлаждения или нагрева воздуха. При нем вентилятор производит циркуляцию всего объема воздуха помещения. Если имеются специальные фильтры, осуществляется его очистка. Наружный блок не участвует в работе. Имеется возможность изменения скорости вращения вентилятора с пульта ПДУ.
• Автоматический режим. Производится сравнение значений действительной температуры в обслуживаемом помещении и заданной. Сравнив эти значения, кондиционер самостоятельно определяет свои дальнейшие действия: оставить существующий режим работы или перейти в другой режим («охлаждение» либо «обогрев»).

В сплит-системах, предназначенных только для охлаждения, в автоматическом режиме предусмотрен выбор между охлаждением и осушением.

В наше время трудно представить себе жизнь без таких прекрасных, умных и очень необходимых устройств, как кондиционеры. С каждым годом улучшаются их технические характеристики, увеличивается функциональность, а стоимость становится все более доступной.