melbu (melbu) wrote,
melbu
melbu

Автомобильный кондиционер зимой

Кондиционер зимой сушит воздух и окна не запотевают. На самом деле это заблуждение ничего не имеющее общего с жизнью. Очень часто поднимаются диалоги на форумах, касающиеся этой темы, я, естественно, не могу молчать. Но чтобы раскрыть тему и аргументированно развеять данный миф нужно написать целый трактат. Хотя на самом деле, для понимания физической сути всех процессов достаточно школьных знаний. Ну, в общем, я решил один раз всё объяснить, разложить по полочкам и разместить в своём бложике, чтобы впоследствии сюда просто ссылаться.
Итак, суть проблемы: На улице холодно, в машине тепло, при определенных условиях на окнах конденсируется влага, ни черта не видно. Включаем кондиционер, через некоторое время влага пропадает. Так написано в инструкции и при некоторых условиях это работает. Проблема в том, что это работает только в теплое время года. Зимой всё работает совершенно по-другому и кондиционер тут ничем помочь не может.
Чтобы разобраться с происходящими процессами, нужно вспомнить то, что мы все проходили в школе на уроке физики. А именно, что такое относительная влажность, и как она связана с абсолютной.



Что такое влажность.
Если ориентируетесь в сути этого термина, переходите сразу к диаграмме состояния влажного воздуха
Всем интуитивно понятно, что когда говорят о влажности, то подразумевают некое количество водяных паров в воздухе. Если вы считаете, что влажность 50% означает, что в воздухе состоит на 50% из воды, то скажу стразу, что это совсем не так. Давайте с этим разбираться.
Допустим, у нас есть некий закрытый сосуд с самым обычным воздухом. Раз воздух обычный, значит он содержит некоторое количество влаги. Нам удалось выделить всю влагу из воздуха. Масса выделенной влаги, допустим, составила 14 грамм, а масса оставшегося воздуха составила 1 кг. Вот мы понимаем, что абсолютная влажность исходного воздуха в сосуде составляла 14 грамм на один килограмм сухого воздуха. Отлично, мы определили влажность воздуха в совершенно понятных для нас естественных единицах. Но вот только все вокруг оперируют такими единицами измерения как относительная влажность и измеряют её в процентах. В процентах от чего? Давайте и с этим разберёмся.
Возвращаемся к нашей исходной колбе с самым обычным воздухом с абсолютной влажностью 14 г на 1 кг сухого воздуха. Подключаем к ней трубку и начинаем постепенно подавать пар. (Для некоторого упрощения модели давайте представим, давление в нашей колбе при этом не меняется. Пусть её объем возрастает пропорционально подаваемому пару и температура внутри остаётся постоянной.) Итак, 10 грамм пара, в колбе не изменилось ничего. Пар полностью смешался с воздухом. Подаем еще… После того как мы подали в колбу 15 грамм, в колбе образуются капельки воды. Мы добавляем пара, капелек воды становится больше. В результате мы приходим к выводу, что как только в нашем килограмме сухого воздуха воды становится больше 28 грамм, больше влаги растворить в воздухе не удается, потому что она сразу выпадает в виде конденсата. Значит 28 грамм воды это максимальное количество, которое может содержаться в одном килограмме сухого воздуха, по крайней мере, при наших условиях. Ну и ладно. Значит 28 г/кг с.в. это 100% влажности, а 14 г/кг с.в. получается 50% относительной влажности. Иными словами проценты относительной влажности отсчитываются от максимально возможной массы влаги, которую можно растворить в воздухе без образования конденсата.
Ну, допустим, ввели мы понятие «относительная влажность», а чем граммы на килограмм (г/кг с.в.) были хуже? Давайте с этим разбираться.
Давайте измерим температуру в нашей волшебной колбе. 30 градусов. Довольно теплая. А теперь подогреем её еще на пять градусов и добавим парку. Выяснится, что перед тем как начали появляться первые капельки влаги, нам удалось поднять количество влаги в колбе примерно до 38 грамм. Оказалось, что при 35 градусах 100% влажности соответствует абсолютная влажность 38 г/кг с.в.
В общем, жизнь устроена так, что максимальная концентрация влаги, которую можно растворить в воздухе, зависит от температуры этого воздуха. Чем выше температура воздуха, тем больше влаги в нем можно растворить. Если температуру воздуха понизить, что вся лишняя влага из него выпадет в виде конденсата. Кстати, так получается дождь из тучки, но это другая история.
Отмечу еще, что кроме температуры, на максимальное влагосодержание воздуха влияет его давление. Но в рамках наших задач атмосферное давление меняется в довольно узких пределах, поэтому давайте изменением этого параметра пренебрежём, как будто его нет вообще.
И вот для того чтобы визуализировать всё вышесказанное, я подготовил диаграмму. По вертикальной оси у нас отложена температура воздуха, по горизонтальной – влагосодержание. Ну и три столбца показывают влагосодержание при относительной влажности 100, 80 и 50%.

Рисунок 1


Помимо наглядности, по диаграмме можно увидеть некоторые процессы. Например, если взять воздух с температурой 5 градусов и 100% влажностью и нагреть его до 15 градусов, то его относительная влажность составит примерно 50%. А если воздух с 20 градусами и 50% влажности охладить до нуля, то из каждого килограмма сконденсируется примерно по 3-4 грамма влаги.
Теперь формулировка на пальцах: Относительная влажность выражает долю содержания водяного пара от максимально возможного его содержания в воздухе при данных условиях.
Если брать абсолютно грамотную формулировку, то она будет звучать как отношение парциального давления водяного пара к парциальному давлению насыщенного пара при данной температуре. Не поняли в таком виде, не чего страшного, не парьтесь. Главное суть понять.
Теперь вы вспомнили что такое влагосодержание, относительная влажность, как на относительную влажность влияет температура… Можно двигаться дальше.

Диаграмма состояния влажного воздуха
Если вы профессионально занимаетесь вентиляцией, кондиционированием и холодильной техникой вы здесь точно ничего нового не узнаете. Листайте дальше сразу. Для остальных сейчас будет вынос мозга.
Честно говоря, я не хотел никого грузить всякими вещами, выходящими за рамки школьной программы. Я даже предыдущую диаграмму сделал, чтобы не рассказывать то, чем решил всё-таки грузануть вас сейчас. Но чтобы наглядно показать процессы изменения состояния влажного воздуха, а не сыпать непонятно откуда взявшимися цифрами… Короче, чтобы потом долго не оправдываться, я решился.
И так, представляю вам диаграмму состояния влажного воздуха, она же психрометрическая диаграмма, она же i-d диаграмма, она же диаграмма Молье.

Рисунок 2


Кстати, весь мир пользуется диаграммой Carrier, у которой по горизонтали отложена температура, а по вертикали влагосодержание, а в остальном то же самое. А диаграммой Молье только Россия и Германия. Но это лирика.

Итак, диаграмма состояния влажного воздуха.
По горизонтали (по оси абсцисс) у нас отложена влагосодержание, по вертикали (по оси ординат) температура в градусах Цельсия. Параболические кривые являются линиями постоянной влажности. Жирная линия – влажность 100%.
Еще есть наклонные линии теплосодержания кДж/кг с.в. Определяет сколько теплоты содержится в одном килограмме сухого воздуха. Если вы слышали слово «Энтальпия», то вот это она как раз и есть. За ноль принята точка нулевой температуры и нулевой влажности, но это условность. Понятно, что реальное отсутствие теплосодержание может быть только при абсолютном нуле. По диаграмме считают процессы, а в процессах важно изменение теплосодержания, а там уж не важно, что конкретно принято за ноль.

Давайте потренируемся.

Вот допустим воздух в комнате с параметрами 22 градуса и влажностью 55%. На диаграмме он обозначен точкой A. Любая точка определяется на диаграмме двумя известными параметрами, в данном случае температурой и влажностью, и из диаграммы мы сразу находим еще два, в данном случаи влагосодержание 9,7 г/кг с.в. и энтальпию 47 кДж/кг с.в.

Рисунок 3


Но и это еще не всё. Точка росы для воздуха в нашей комнате обозначена точкой C на диаграмме. Она определяет при какой температуре из воздуха в нашей комнате начнет выделяться конденсат. В данном случае это температура 12,5 градусов. Объясню на понятном примере. Если принести в комнату из холодильника бутылку пива, то она запотеет, если температура её поверхности будет ниже 12,5 градусов. Если выше, то не запотеет.

Совершенно не случайно обозначена точка B. Она определяет температуру мокрого термометра. Об этом вы что-то слышали на уроках физики, когда изучали гигрометр.

Рисунок 4


Эта температура определяется тем же самым теплосодержанием, что и у воздуха в комнате, но на линии насыщения (на линии 100% влажности). Мокрый предмет холоднее сухого.
Вот вы сомневаетесь, а всё это имеет значение, когда мы пытаемся понять все процессы, происходящие в автомобиле при запотевании стекол.

Давайте еще для тренировки рассмотрим процессы нагревания и охлаждения воздуха и на этом с теорией закончим.

Чтобы не плодить картинок, на диаграмме я разместил сразу два процесса. ABC – зима, DEF – лето.

Рисунок 5


Берем уличный воздух с температурой -15 и 80% влажности (точка A). Наверно уже без пояснения видно, что влагосодержание у такого воздуха никакое. Мы этот воздух нагреваем до 40 градусов (точка B). Влагосодержание у воздуха не изменилось совершенно. Влаге во время процесса и взяться неоткуда, и деваться то же. Но нагретый воздух при температуре 40 градусов имеет относительную влажность всего на всего 2%. Т.е. воздух горячий и практически сухой. Далее мы этот воздух запускаем в салон автомобиля, где он остывает (на улице холодно, минус 15 же) и насыщается влагой от дыхания пассажиров, от мокрых ковриков, мокрой одежды и т.п. В итоге мы получаем воздух с температурой 21 градус и 25% влажности (точка С). Ну и вот в таком состоянии воздух вытесняется из салона автомобиля обратно на улицу.

Теперь тот же самый автомобиль, но летом. Процесс DEF.
Берем уличный воздух 28 градусов, 40% влажности (точка D) и начинаем его охлаждать. Чем это процесс отличается от нагрева? Казалось бы, линия процесса должна идти строго вниз, по прямой постоянного влагосодержания, на встречу с точкой росы. Но жизнь сложная штука. Если охлаждение осуществляется теплообменником, температура поверхности которого ниже точки росы, то неизбежно на его поверхности будет выпадать конденсат, поэтому линия процесса будет отклоняться влево. Вообще процесс идет по линии, соединяющей начальную точку и точку определяемой температурой теплообменника на линии 100% влажности (точка K). В данном случае я принял 6 градусов, потому что температура кипящего фреона составляет примерно 3-5 градусов, в зависимости от конкретных условий. Ну да ладно. Охладили мы воздух до 14-и градусов, потеряв при этом в абсолютной влажности, но относительная влажность даже увеличилась, была 40%, стала 72% (точка E). Ну а дальше воздух нагрелся (лето же) слегка приобрел в абсолютной влажности за счет дыхания и потоотделения ездоков и с параметрами 23 градуса и 46% ушел обратно на улицу (точка F).

Как устроена климатическая установка автомобиля.

Вот отличная схема типичной автомобильной климатической установки.

Рисунок 6


Заслонка рециркуляции (8). Назначение понятно. Отмечу только одну интересную особенность – при работе системы рециркуляции в автоматическом режиме, заслонка полностью не перекрывается.
Далее у нас фильтр (7) (если живете в большом городе, то меняйте его раза два в год или чаще) и вентилятор отопителя (11).
Следующим этапом у нас испаритель кондиционера (13). Охладитель, короче говоря. Именно на нем конденсируется влага из воздуха и сливается на землю через дренажное отверстие (14). Поскольку процесс мокрый, там кто только не живет. Запах затхлости именно оттуда. Минимум раз в год испаритель нужно чистить специальными средствами.
Кстати, испаритель обычно ничем не регулируется. Он либо охлаждает по максимуму, либо нет.
Дальше у нас два канала. В одном установлен радиатор отопителя (6) в другом (16) вообще ничего. Заслонка (15) решает сколько воздуха пойдет нагреваться в радиатор отопителя, а сколько мимо него. Сам радиатор то же ничем не регулируется. Т.е. температура подаваемого в салон воздуха регулируется блоком управления посредством изменения положения этой заслонки.
Ну и дальше с соплами и их заслонками всё интуитивно понятно.

Как кондиционер сушит воздух
Продолжение выноса мозга, но в конце там будет всё элементарно разъяснено.
Коллеги, я тут подумал, да вы и так всё знаете, нового ничего для вас нет вообще.


Вы теоретически подкованы и технически вооружены. А раз так, то давайте препарируем процессы, происходящие с воздухом в автомобильном кондиционере, когда действительно требуется осушение.
Итак, у нас обычный осенний дождливый денёк. Температура +17, относительная влажность 95% (точка А). Это холодно, поэтому климатическая установка автомобиля подогревает воздух до температуры +23 градуса (точка B). При этом влагосодержание воздуха не меняется, а относительная влажность падает до 65%. Вот такой воздух попадает в салон автомобиля.

Рисунок 7


В автомобиле воздух остывает и насыщается влагой от процесса жизнедеятельности пассажиров (пот и дыхание), а так же от мокрой одежды. В результате усредненные параметры воздуха будут соответствовать +22 градусам и 85% влажности (точка С). Для того, чтобы в таком воздухе выпал конденсат, достаточно чтобы он соприкоснулся с поверхностью, температура которой будет ниже точки росы. В нашем случаи критическая температура составит +19,4 градуса (точка С1). Учитывая, что на улице у нас +17, на внутренней поверхности стекол конденсат нам гарантирован. Но на помощь приходит кондиционер.

Теперь мы начнем с того, что тот же самый уличный воздух с параметрами +17 и 95% влажности (точка A) мы охладим кондиционером. В точке А1 его параметры будут +10 градусов и 100% влажности.

Рисунок 8


Главное что в результате этого процесса воздух очень сильно потерял во влагосодержании, так как значительная доля влаги сконденсировалась на теплообменнике испарителя кондиционера. Теперь всё то же самое, что мы рассматривали в прошлый раз. Воздух нагрелся до +23 градусов, относительная влажность составит при этом 44% (точка B). Сравните с 65% в предыдущем примере. В салоне автомобиля воздух, как и в прошлый раз, остыл до +22 градусов и насытился влагой в том же объеме. Теперь его относительная влажность составит 62% (точка C). Теперь, чтобы влага из воздуха с такими параметрами начала конденсироваться, температура поверхности должна быть ниже + 14,4 градуса (точка C). А на улице у нас, напомню +17, что заметно выше. Таким нехитрым образом при помощи кондиционера мы создали условия, при которых запотевания стекол становится невозможным.


А теперь посмотрите, что у нас будет зимой.
На улице -6 градусов и 73% влажности (точка A). Именно такие параметры были на улице, когда я писал эти строки.
Для примера я на одной диаграмме покажу два процесса. Один с охлаждением морозного воздуха, а второй без охлаждения, но с увеличением расхода воздуха в полтора раза.

Рисунок 9


И так, охлаждаем воздух до минус 15 градусов, а затем нагреваем его до +35 (нам салон машины обогревать надо). В результате в варианте с охлаждением относительная влажность подаваемого в салон воздуха составит 3% (три процента) (точка B1), а без охлаждения 6% (точка B).
Далее от вас потребуется немного дополнительного внимания. Воздух отдает тепло салону автомобиля и насыщается влагой. Количество тепла и влаги совершенно одинаковое, но расходы воздуха отличаются в полтора раза. Именно благодаря расходу воздуха из точек с разными параметрами мы обоими процессами попадаем в одну точку с температурой +22 градуса и влажностью 22% (точка С).
Для тех, кто шарит, я выкладываю параметры всех процессов, чтобы снять с себя подозрения в подгоне результатов.



Итак, какой вывод можно сделать.
При температурах на улице от нуля и ниже можно добиться совершенно одинаковых результатов осушая воздух, или увеличивая его расход. Т.е. вполне можно обойтись без охлаждения зимнего воздуха для снижения его влагосодержания.

Поверьте, при более низких температурах воздуха сей факт ещё более очевиден.

Если вы всё это прочитали, но ничего не поняли, то для вас еще не всё потеряно.

Теперь очень простой и не менее важный момент. Как физически выглядит процесс осушения охлаждением? В общем, всё очевидно и просто. Вы охлаждаем теплообменник, через который продуваем влажный воздух. Влага конденсируется на поверхности теплообменника, воздух выходит с меньшим влагосодержанием. Влага стекает через дренажное отверстие на улицу. Вроде как всё очевидно. Но вот только всё становится не столь радужным, когда мы начинаем иметь ввиду воздух с отрицательной температурой. Да, технически мы можем охладить теплообменник до температур много ниже нуля. Но более чем очевидно, что сконденсировавшаяся на таком теплообменнике влага будет находиться в твердом состоянии. Т.е. сразу станет льдом и никуда с этого теплообменника не денется. Через довольно короткое время теплообменник зарастёт шубой и вентилятор отопителя перестанет функционировать. И этот факт поважнее, чем всё, что я выше рассказывал про влажность и i-d диаграмму.

В связи с вновь открывшимся фактом обновляем наш вывод.
Охлаждение воздуха ниже нуля средствами автомобильного кондиционера невозможно технически, поэтому осушение воздуха зимой невозможно. С запотеванием стекол зимой вполне способен справится вентилятор и нагреватель климатической установки.

Есть еще технические ограничения, связанные с работой фреонового контура. Нельзя сказать, устройства охлаждения не могут работать с воздухом отрицательной температуры. Это было бы неправдой и первый пример тому – бытовой холодильник. Но бытовой холодильник предназначен для такого режима и не может работать с теплым воздухом. Если оставить холодильник работать с открытой дверью, то он через некоторое время встанет по срабатыванию защитного устройства, или просто сломается. Точно так же холодильный контур автомобильного кондиционера не предназначен для работы с холодным воздухом. Одно дело заставить фреон кипеть при плюс шести градусах, другое дело при минус шестнадцати. Потребуется создать более низкое давление, бороться с риском попадания неиспарившегося фреона в компрессор. В принципе все эти трудности технически преодолимы, но только это усложнит и удорожит систему. А главное, это совершенно не нужно.


Сразу отвечу на возможные вопросы.
1. Нет, в климатической установке автомобиля нет абсорбера влаги
2. Да, некоторые бытовые и промышленные кондиционеры работают зимой в режиме охлаждения. Но они охлаждают теплый воздух из теплого помещения, в отличие от автомобильного кондиционера, который обычно охлаждает воздух с улицы.
3. Нет, если у вас в машине горит лампочка включения кондиционера, то сей факт не означает, что компрессор работает и система охлаждает воздух. Обычно компрессор включается, автоматика видит, что давление фреона в системе не растёт и отключает компрессор во избежание попадания жидкого фреона на всас компрессора. В режиме рециркуляции при некоторых условиях кондиционер может работать. Только зачем?
4. Да, у вас в инструкции написано, что зимой кондиционер нужно несколько раз включать. Инструкция написана для подавляющего большинства пользователей автомобилей. Но поверьте, это большинство под зимой подразумевает погоду, когда приходится ходить в куртке, а не четыре месяца отрицательных температур. Так что давайте размяться компрессору зимой в теплых паркингах, в сервисе или на мойке. На улице в минус 20 это бесполезно.
5. Нет, автомобильный кондиционер не может работать в реверсивном режиме (в режиме теплового насоса).
6. Да, у вас высыхают стекла зимой, когда вы нажимаете кнопку кондиционера. Просто блок управления климатом, заценив температуру на улице, включает режим приоритета скорости вентилятора и основной поток направляет на лобовое стекло.
7. Нет, бессмысленно сначала нагреть воздух, а потом осушить его в испарителе кондиционера.

PS
Возможно кому-то будет интересным: Мой проект про моторное масло

Tags: Авто, Техника
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 46 comments