26.09 Как работает кондиционер

0_492d_30a0711b_-1-lНаучная мысль порой настолько значительно опережает время, что остается только удивляться точности прогнозов, предсказывающих появление того или иного устройства, способного изменить ход жизни всей цивилизации. Так произошло, например, с кондиционером – устройством для охлаждения воздуха в помещении в жаркое время года. Предчувствия и теоретические выкладки для создания тепловых машин значительно опередили возможности по их реальному производству. Вместе с тем, сегодня кондиционер и его антипод – тепловой насос – нашли самое широкое применение в мире и технологии продолжают совершенствоваться. Данная статья посвящена истории изобретения, устройству, принципу действия кондиционера и теплового насоса.

Как изобрели кондиционер

Проблема получения холода всегда волновала человечество. Ведь еще со времен неолита было замечено, что замороженные продукты сохраняются значительно дольше. Народы Севера пользуются естественными морозильными установками с незапамятных времен, но для остальных людей, проживающих в теплых районах нашей планеты, проблема получить хотя бы лед, в требуемый момент времени была неразрешима тысячелетиями.

В старину люди вынуждены были сооружать глубокие погреба и запасать в них значительное количество льда с зимы, чтобы летом поддерживать с его помощью требуемую постоянную температуру в камере с продуктами. Так же известны способы охлаждать воду в жаркую погоду при помощи испарения жидкости в обернутых мокрой тканью сосудов. Но все это было далеко от того, что хотелось бы видеть человеку.

В идеале человеку хотелось бы иметь холодную комнату, температуру в которой можно было бы поддерживать по собственному желанию круглый год. И чтобы комната эта была доступна по цене и находилась прямо в доме. В общем, человечество мечтало о холодильнике.

Первые потуги в направлении получения постоянного холода простым и доступным всем способом были совершены в 17 веке. Исследования многих ученых Европы и России заложили фундамент современных знаний о тепловых машинах. Но по иронии судьбы первым изготовил действующую модель кондиционера человек, совсем далекий от техники. Им стал шотландский профессор медицины, уважаемый хирург и терапевт из Глазго Уильям Каллен, который в 1755 году продемонстрировал установку, в которой под вакуумом циркулировал эфир, который закипал в испарителе и отбирал тепло из окружающего пространства, перенося его в другую камеру, где снова конденсировался из пара и снова поступал в виде жидкости в испаритель.

Однако установку расценили не более чем физический опыт, а первым инженером-практиком, сконструировавшим реальную машину для получения холода, стал американский изобретатель, специалист по паровым машинам Оливер Эванс, который в 1805 году дошел до детальных чертежей холодильной машины, которая содержала все применяемые сегодня в любом холодильнике или кондиционере детали и узлы. К сожалению, построить реальный образец изобретатель так и не сумел.

Пальма первенства и патент на изобретение машины для производства льда принадлежит американцу Джейкобу Перкинсону, который не только разработал конструкцию, но и произвел реально работавший образец такой машины в 1834 году. Именно этот год считается годом рождения холодильного оборудования. А в 1855 году появился на свет первый тепловой насос, концепция которого была разработана Петером Риттер фон Риттингером. Промышленное применение тепловых насосов, началось гораздо раньше, чем появился первый кондиционер.

Сдерживающим фактором широкого распространения холодильного оборудования стало отсутствие недорогого, нетоксичного и взрывобезопасного хладагента. Имевшиеся в то время в распоряжении человека хладагенты были слишком опасными для бытового применения. Именно поэтому закончился неудачей проект коммерческого изготовления бытовых холодильников с хладагентом из метилового эфира в 1873 году. Эфир был слишком огнеопасен, чтобы его можно было применять в бытовой технике.

Все же в 1926 году компания GM осуществила выпуск небольшой партии аммиачных кондиционеров на основе вынесенного блока с компрессором, но побоявшись опасности отравления парами этого вещества, руководители компании всерьёз озаботились идеей создания безвредного хладагента, работы по которому и начались в лаборатории компании в том же 1926 году.

Лишь в 1931 году группа ученых и техников закончила исследовательскую часть проекта, представив совету директоров готовую технологию получения универсального хладагента под торговым названием «Фреон». По сей день этот хладагент используется в модифицированном виде во всех холодильных установках компрессорного типа в мире. В том же 1931 году были запущены в производство первые оконные модели кондиционеров. Америка стала первой страной, победившей жару.

Параллельно с кондиционером, но с гораздо большим успехом, развивалась тепловая машина, предназначенная для обратной цели – отопления жилища за счет утилизации уличного тепла, накопленного в летнее время. Тепловые насосы получили очень широкое применение ещё в конце 19 века, а в 20 веке их производство было поставлено на поток во многих странах еще до Второй Мировой войны. Стоит отметить, что маленькая Швейцария с 1939 по 1945 год сумела перевести на отопление от тепловых насосов около половины своего жилого и гражданского фонда. После войны тепловые насосы стали очень популярны в мире, но Советский Союз обошли стороной. Этим объясняется сегодня значительное отставание России по уровню получения тепловой энергии при помощи тепловых насосов. Вместе с тем, сегодня в мире действуют около ста миллионов подобных устройств, обеспечивая весьма весомый вклад в экономию средств и снижение доли выбросов в атмосферу.

Принцип действия кондиционера и теплового насоса

монтажКондиционер (холодильник) и тепловой насос имеют идентичное устройство, но работают зеркально. В состав этих устройств входят компрессор, который обеспечивает постоянное перекачивание хладагента в системе, радиатор теплого блока, дроссельный регулятор давления, испаритель и вентиляторы со стороны радиатора и со стороны испарителя. Все узлы последовательно соединены между собой тонкостенными медными трубками, а на радиаторе и испарителе имеются дополнительные ребра для улучшения теплообмена.

Внутри замкнутого контура циркулирует хладагент, который перекачивается компрессором по кругу. Сначала компрессор засасывает из испарителя газообразный хладагент, который имеет давление 3-5 бар и температуру от + 10 до + 20 градусов. Компрессор сжимает пар до давления от 15 до 25 бар. При этом температура его повышается до +70 и выше градусов и в парообразном виде поступает в конденсатор, где проходя через большое количество медных трубок, обдуваемых вентилятором для ускорения теплообмена, отдает лишнее тепло в атмосферу и при этом остывает. В процессе остывания фреон превращается в жидкость, имеющую на выходе из конденсатора температуру на 10-20 градусов выше, чем температура окружающего воздуха и высокое давление.

После конденсатора хладагент поступает через капиллярный дроссель или иное устройство, сужающее диаметр трубки в испаритель, где начинает кипеть и отбирать у окружающего воздуха тепло. При этом для ускорения процесса теплообмена испаритель обдувают вентилятором. На выходе испарителя получается холодный пар, который снова поступает в компрессор. Цикл повторяется снова.

Для того чтобы удержать холод в определенном месте, нужно сделать хорошо изолированное помещение или шкаф, в котором и разместить испаритель, а радиатор установить на улице. Так мы получим кондиционер или холодильник. А если испаритель разместить на улице, а лучше всего сделать его в виде длинной медной трубки, которую нужно просто уложить на дно траншеи глубиной 1метр и засыпать грунтом, а блок радиатора разместить в помещении, то мы получим тепловой насос, который может отбирать тепло от массивного тела, например, земли или от водоема, отдавая ему холод. При этом радиатор может быть сконструирован так, чтобы он мог или обдуваться воздухом или отдавать тепло теплоносителю в бойлере, а теплоноситель, в свою очередь будет прокачиваться через обычные радиаторы отопления или подаваться в смеситель в виде горячей воды.

Несмотря на одинаковое устройство, кондиционер и тепловой насос сильно различаются по цене. Тепловой насос обойдется значительно дороже кондиционера, так как преобразование низкопотенциальной энергии в высокопотенциальную связано с более серьезными капитальными затратами, особенно, если вы выбрали геотермальный способ получения энергии. Однако в интересах производителей сделать подобное оборудование доступным по цене любому собственнику загородного дома и земельного участка при нем.

kond