Процесс охлаждения в системах кондиционирования

 Кондиционирование воздуха – это регулирование температуры, влажности, очищение и циркулирование воздуха.

Пример. При смазывании спиртом кожи можно почувствовать прохладу, это связано с тем, что спирт, испаряясь с поверхности кожи, отнимает тепло. Аналогичным образом прохлада, возникающая при разбрызгивании воды во дворе летом, объясняется испарением скрытого тепла, отнимаемого у воздуха над поверхностью земли. Говорят, что в старину в Индии воду в глиняном чане для охлаждения на ночь ставили наружу. Это можно объяснить тем, что наружный воздух, соприкасаясь с поверхностью чана, отнимает скрытое тепло у воды, понемногу испаряющейся в результате прохождения через многочисленные отверстия поверхности чана, и делает воду чана холодной.
Если привести в порядок изложенное, то действие системы кондиционирования опирается на следующие физические законы:

Закон 1.Тепло всегда перемещается из физического тела с высокой температурой в физическое тело с низкой температурой. Тепло является одним из видов энергии, а температура – одной из единиц измерения величины энергии.

Закон 2. Для превращения жидкости в газообразное состояние необходимо тепло. Например, при испарении воды кипячением горелкой происходит большое поглощение количества тепла, и температура воды не изменяется, наоборот, если у газообразного вещества забирать тепло, то оно превращается в жидкость. Температура, при которой кипит вода и получается водяной пар, связана с давлением. Точка кипения повышается с повышением давления.

Закон 3. Если сжать газ, то температура и давление газа возрастают. Например, если в дизельном двигателе поршень движется вверх-вниз, температура воздуха поднимается из-за сжатия. При этом если в цилиндр вспрыснется топливо, то немедленно произойдет взрыв смеси.

Если вышеуказанные законы применять относительно к основному циклу охлаждения, то это выглядит следующим образом. 
Хладагент в жидком состоянии, превращаясь в газообразное, поглощает из атмосферы тепло (законы 1 и 2). Высокотемпературный газ, сжимаясь, достигает высокой температуры, немного большей, чем температура окружающего воздуха (закон 3). Окружающий воздух (температура ниже, чем температура газа в системе), поглощая тепло, превращает газ в жидкость (законы 1 и 2). Жидкость, возвращаясь к начальной точке цикла, используется вновь.

Способы замораживания
Для получения низкой температуры достаточно отнять «скрытое» тепло испаряющегося вещества, которое осуществляется двумя способами. 
Первый способ – это использование спирта или воды и отнятие «скрытого» тепла испарения из окружающих веществ. 
Второй способ – это замораживание с использованием хладагента, а также химических и механических установок.

Хладагент.
Это то вещество, которым "заправлен" холодильный агрегат, и которое принимает самое непосредственное участие в процессе "приготовления" искусственного холода. При атмосферном давлении хладагент является газом, но если его сжать до определенного давления, а затем охладить, он перейдет в жидкое состояние.
В паровых компрессионных машинах в качестве хладагента применяют хладоны, аммиак, углеводороды (пропан, этан, этилен) и другие вещества, в абсорбционных машинах – водные растворы аммиака и бромида лития, в пароэжекторных машинах – водяной пар.

Холодильный агрегат.
Испаритель, компрессор, конденсатор, капиллярная трубка и трубопроводы, соединенные друг с другом определенным образом, составляют холодильный агрегат. Если холодильный агрегат встроить в шкаф с теплоизолирующими стенками, то получится готовый к работе холодильник. Другими словами, холодильный агрегат - это "начинка" холодильника, на которую возложена вся работа по производству искусственного холода. Агрегат бытовых холодильников является герметичным - внутренние полости всех деталей агрегата сообщаются между собой, но не сообщаются с атмосферой.
Испаритель - деталь, которая интенсивно охлаждается при работе холодильного агрегата и является тем "источником холода", за счет которого понижается температура внутри холодильника.
Компрессор - это своеобразный насос с электроприводом, заключенный в герметичный кожух. Для соединения с другими деталями холодильного агрегата, на кожухе имеются две трубки. Одна из них является входом насоса (сторона всасывания компрессора), а другая выходом (сторона нагнетания).
Конденсатор. Физика процесса получения искусственного холода такова, что при работе холодильного агрегата выделяется большое количество тепла. Конденсатор выполняет роль теплообменника, рассеивая это тепло в окружающем воздухе.
Капиллярная трубка – обычная медная трубка, единственной особенностью которой является очень малый внутренний диаметр (около 0.8 мм).
Трубопроводы холодильного агрегата – медные, стальные или алюминиевые трубки различного диаметра (обычно, от 4 до 8 мм). Они необходимы для соединения между собой вышеперечисленных частей холодильного агрегата, вернее, для соединения между собой внутренних полостей указанных деталей.

Цикл охлаждения или как работает кондиционер.
Хладагент циркулирует по линии закрытого контура и его составляющих частей. Подобные циклы хладагент вынужден непрерывно повторять, и это называется циклом хладагента. Явление, возникающее в зависимости от циркуляции хладагента в пределах цикла, связаны с изменением каждого значения давления и температуры при превращении хладагента в газ и конденсации вновь в жидкость.
На рисунке показана схема циркуляции хладагента в контуре.

На вход компрессора из испарителя (по специальному трубопроводу) поступает холодный газообразный хладагент низкого давления (1). Компрессор нагнетает его под высоким давлением в конденсатор. В процессе сжатия повышаются давление и температура газа. 
В конденсаторе начинается переход хладагента из состояния горячего пара высокого давления в состояние жидкости высокого давления - процесс конденсации (2). 
Конструкция конденсатора позволяет эффективно сбрасывать тепло, отводимое от хладагента, в окружающую среду.
Жидкий хладагент высокого давления проходит через регулятор потока, который снижает давление, температуру и регулирует подачу хладагента в испаритель (3).
Хладагент низкого давления по капиллярной трубке попадает в испаритель, где он начинает кипеть и забирать тепло от воздуха внутри помещения (4). 
Благодаря ограниченной пропускной способности капиллярной трубки, хладагент поступает в испаритель относительно медленно. 
Температура кипения хладагента составляет порядка минус 30^oС. Попадая в раскаленный (по меркам жидкого хладагента) испаритель, хладагент моментально вскипает, сильно охлаждая стенки испарителя, и переходит в газообразное состояние. 
Газообразный хладагент низкого давления возвращается в компрессор, и весь цикл начинается заново.