Обычный обогрев и вентиляция

Кондиционирование воздуха

Обычный обогрев и вентиляция

Введение

Самый ранний пример электрического обогрева, с упоминанием которого я столкнулся, оказался парой перчаток с нагревательными элементами, вшиваемыми в материал (192G г.). Нагревательные элементы в перчатках были соединены с электрической системой автомобиля и работали как не­ большие электрические печки. Немного волнует мысль, что случилось бы в случае короткого замыкания! Развитие систем внутреннего обогрева транс­ портного средства шло с нарастающей скоростью и продолжается по сию пару W появление кондиционирования воздуха было одним из самых заметных этапов на этом пути. Комфорт, который мы теперь считаем само собой разумеющимся, начинался с нескольких экзотических решений, и технологии в это области электрических систем автомобиля все еще эволюционируют современные системы лежат в диапазоне от элементарных воздуховодов горючего/холодного воздуха до сложных автоматических систем управления температурой и климатом. К любой системе нагрева и вентиляции предъявляется набор требований, вытекающий из различных стандартов. Эти требования могут быть суммированы следующим образом:

♦ регулируемая температура в салоне транспортного средства,

♦ максимально быстрое поступление тепла;

♦ распределение тепла по различным частям транспортного средства;

♦ проветривание салона наружным воздухом с минимальным шумом;

♦ устранение запотевания окон;

♦ упрощение управления.

Приведенный список ни в косм случае не является полным и неизменным, он лишь указывает на то, что требуется от системы обогрева и вентиляции. Как обычно, чем сложнее система, тем большему числу предъявляемых требований она способна удовлетворить. Это количество выполняемых функций непосредственно связано со стоимостью системы. Ниже обсуждаются некоторые технические решения, начиная с простой вентиляции и вплоть до полного автоматического контроля температуры салона. На рис. 14,1 показано температура внутри автомобиля, воспринимаемая человеком как комфортная, в зависимости от наружной температуры.

Вентиляция

Чтобы позволить свежему воздуху снаружи транс­ портного средства циркулировать внутри салона, должна появиться разность давлений. Эго достигается путем использования камеры давления. Камера давления, по определению, содержит газ (в этом случае воздух) под давлением выше, чем окружающее давление. В автомобиле камера давления обычно располагается чуть ниже ветрового стекла, позади подкапотного пространства. Когда транспортное средство движется, воздушный поток над автомобилем создаст более высокое давления в указанной области на рис. 14.9. Используются соответствующие створки и каналы, чтобы предотвратить попадание в автомобиль волы через этот канал.

Посредством распределительных магистралей, управляющих откидных створок и подходящих «сопел» воздух может быть направлен туда, куда требуется. Эта система дополняется мотором с изменяемой скоростью, который создает дополнительный наддув. На рис. 14.3 показано размещение узлов типичной системы вентиляции и обогрева.

Когда дополнительный воздух нагнетается в кабину транспортного средства, внутреннее давление увеличилось бы, если бы для воздуха не было предусмотрено никакого выхода. Однако большинство легковых автомобилей имеет зарешеченные выходные отверстия на каждой стороне автомобиля выше или вблизи задних панелей или дверей.

Моторы воздухонагревателя

Для увеличения воздушного потока используются обычные моторы с постоянными магнитами и двумя щетками. Вентилятор наддува — обычно центробежного типа, и во многих случаях лопасти размешены асимметрично, чтобы уменьшить резонансный шум. На рис. 14.4 показано типичное устройство наддува воздуха с мотором и вентиля­ тором. Изменение напряжения питания регулирует скорость мотора. Это достигается при использовании делителей напряжения на основе резисторов. В некоторых случаях скорость вращения можно сделать плавно изменяемой при помощи переменного резистора. В большинстве случаев управление мотором свозится к выбору из набора трех или четырех скоростей.

На рис. 14.5 показана типичная схема управления системой с тремя скоростями мотора. Резисторы, обычно проволочного типа, размещаются в воздушном потоке для предотвращения их перегрева. Эти резисторы имеют низкие значения сопротивления, порядка 1 Ом или менее.

Кондиционирование воздуха

Введение

Транспортное средство, снабженное системой кондиционирования воздуха, позволяет отрегулировать температуру в салоне до идеального, самого комфортного значения, определяемого условиями окружающей среды. В системе кондиционирования все еще используются стандартные компоненты обогрева и вентиляции, но при наличии важного дополнения ■=? испарителя, который и охлаждает, и обезвоживает воздух. Кондиционированием воздуха можно управлять вручную или, как теперь общепринято, с использованием некоторых возможностей электронного управлении. Обо всей системе можно говорить как о некотором варианте рефрижератора или теплообменника. Тепло забирается из внутреннего интерьера автомобиля и рассеивается в окружающем воздухе.

Принцип охлаждения

Для описания принципа охлаждения, применяемого в системах кондиционировании, используются следующие термины и определения:

♦ тепло — форма энергии:

♦ температура означает степень теплосодержания объекта;

♦ (сил распространяем) только от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой:

♦ количество тепла измеряется в «калориях» (чаще килокалориях, ккал);

♦ количество тепла в I ккал изменяет температуру I кг йоды на I "С;

♦ термин «изменение состояния вещества» используется, чтобы описать переход от твердо­ го тела к жидкости, от жидкости к газу, от жидкости к твердому телу;

♦ термин «испарение» используется, чтобы описать изменение состояния от жидкости к газу;

♦ термин «конденсация» используется, чтобы описать изменение состояния от газа к жидкости;

♦ термин «скрытая теплота» описывает энергию, требуемую для испарении жидкости без изменении ее температуры (энергия тратится на разрыв молекулярных связей) или количество выделяемого тепла, когда газ конденсируется обратно в жидкость при постоянной температуре (при образовании связей между молекулами выделяется тепло).

Скрытая теплота в процессе изменения состояния хладагента ключ к принципу роботы системы кондиционирования воздуха. Простым приме­ ром скрытой теплоты может служить ощущение холода на коже, если вы смочите ее жидкостью, на пример, спиртом. Это ощущение возникает по­ тому, что жидкость испаряется, и изменение ее состояния (от жидкости к газу) приводит к поглощению тепла из окружающей среды, в данном случае от вашего тела. Вот почему этот процесс чаще рассматривают как «ненагревание», нежели как охлаждение. Хладагент, используемый во многих системах кондиционирования воздуха, известен как RI34A. Это вещество переходит из жидкого в газообразное состояние при минус 26,3 3С. Хладагент RI34A создан на базе гидро фтор углерода (hydrafluoro- сагЬюп - HFC), а не хлор фтор углерода (chlorofluo­ rocarbon - CFC), из-за проблем с атмосферным истошен нем озонового слоя, связанным с хладагентами на базе С ГС. Отметим, что новый тип хладагента не совместим со старыми системами кондиционирования. Ключом к пониманию процесса охлаждения является тот факт, что хладагент при низкой температуре имеет низкое давление, а при высокой температуре - высокое давление.

На рис. 14.7 показан базовый принцип функционирования системы охлаждения (кондиционирования) воздуха. Основные компоненты системы — испаритель, конденсатор и насос (компрессор). Испаритель расположен внутри автомобили, конденсатор - вне автомобиля, обычно в воздушном потоке. Компрессор приводится в действие двигателем.

Работающий насос уменьшает давление на стороне испарителя, что вызывает испарение хладагента в испарителе, при испарении тепло отбирается из салопа автомобиля. Насос со стороны высокою давлении соединен с конденсатором. Высокое давление приводит к конденсации хладагента на конденсаторе, и, таким образом, он нагревается при изменении своего состояния из газообразного в жидкое, отдавая тепло в атмосферу вне транспортного средства.

Несколько других компонентов системы необходимы для ее эффективной работы. Их функционирование поясняется в последующих разделах. На рис. 14.8 показаны некоторые типичные компоненты системы нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха (heating, ventilation and air conditioning — HVAC).

Краткое описание системы кондиционирования воздуха

Система кондиционирования работает непрерывно. Компрессор всасывает пар низкого давления, несущий тепло от испарителя, сжимает его и закачивает как перегретый пар под высоким давлением в конденсатор. Температура хладагента на данном этапе намного выше, чем температура наружного воздуха; следовательно, он отдаст свое тепло в атмосферу через стенки и ребра конденсатора, одновременно меняя спрос состояние обратно из газообразного в жидкое. Эта жидкость под давлением далее передается на приемник-осушитель, где удерживается некоторое количество пара, которое не превратилось в жидкость, одновременно осушитель задерживает воду, загрязняющую хладагент. Теперь хладагент под высоким давлением проходит через клапан термостатического расширения и попадает в зону низкого давления испарителя. Клапан управляет потоком хладагента и. следовательно, мощностью охлаждения. В испарителе жидкость превращается в газ, забирая тепло из окружающей среды, в данном случае воздуха, который продувается через оребрение испарителя. Пар низкого давления откачивается насосом. Описанный цикл представлен на рис. 14.9.

Если температура хладагента увеличивается сверх определенных пределов, в дополнение к потоку встречного воздуха могут быть включены вентиля­ торы конденсатора. В большинстве систем на стороне высокого давления устанавливается выключатель безопасности. Его часто называют выключателем дуального давления, поскольку он выключит компрессор, сели давление окажется слишком высоким из-за неисправного компонента системы, или если давление станет слишком низким из-за утечки хладагента — таким образом защищается компрессор.

Другие системы обогрева

Обогрев сидений

Концепция обогрева сидения очень проста. Нагревательный элемент помешается в сидение вместе с релейным выключателем и средствами контроля, чтобы регулировать выделяемое тепло. Однако конструкция этих обогревателей более сложная, чем кажется на первый взгляд. Обогреватель должен отвечать следующим критериям;

♦ обогреватель должен только компенсировать потерю тепла, ощущаемую телом человека;

♦ тепло выделяется только в главных точках контакта с телом;

♦ кожаные и тканевые сидения требуют разных систем обогрева из-за различных тепловых свойств этих материалов;

♦ нагревательные элементы должны соответствовать конструкции сидения;

♦ элементы нагревателя должны пройти самые строгие тесты для сидений, такие как раскачивания, толчки и удары.

На рис. 14.10 показано сидение с нагревательными элементами.

Для того чтобы пассажирам (включая водителя) было комфортно, проведены серьезные испытания. Их целью было определить оптимальные параметры настройки выделения тепла и лучшее положение для нагревательных элементов Многие из тестов на новых конструкциях сидений выполняются с использованием манекенов с наложенными датчиками, чтобы измерять поток тепла и температуру. Кабель, используемый для большинства нагревательных элементов, известен как синус-кабель и состоит из многочисленных свитых жил медного сплава. Этот кабель может быть покрыт оловом или изоляцией (в зависимости от условий использования). Нагревательный элемент имеет слоистую структуру и спрятан между слоями полиуретановой пены. Традиционный метод контроля простой выключатель с использованием термостата. Однако в недавних разработках наметилась тенденция к предпочтению электронного контроля, использующего термисторы. Главный поставщик обогревателей сидений, компании Scandmcc Ltd, поставляет электронную систему, которая включает кнопочные выключатели, потенциометры, функцию таймера, обнаружение короткого замыкания и обрыва в цепи. И все это дополняет точный контроль выбранной температуры. Эти обогреватели сидений обеспечивают начальное ощущение тепла уже через I минуту работы и полный нагрев до указанной температуры через 3 минуты.

Обогрев стекла

Обогрев заднего стекла включает очень простую цель, показанную на рис. 14.11. Нагревательные элементы состоят из тонких металлических полосок, прикрепленных к стеклу. Когда ток проходит через элементы, вырабатывается тепло, которое обеспечивает разморозку стекла или очистку его от запотевания. Эта схема может потреблять сильный ток. порядка 10—15 А. Из-за это т схема обычно включает реле с таймером, чтобы предотвратить слишком долгий нагрев. Таймер выключит нагрев после 10-15 минут. Элементы обычно размешаются так, чтобы разморозить главную область стекла и положение парковки лезвия щетки заднего очистителя, если он установлен. На некоторых транспортных средствах используется электрический обогрев ветрового стекла. Он, конечно» доставляет больше проблем, чем обогрев заднего стекла, поскольку не должен затенять обзор. Здесь примеряется технология, пришедшая из авиационной промышленности, она состоит в том, что на стекло наносятся очень тонкие проводники. Как и в случае обогрева заднего окна, это устройство может потреблять большой ток и управляется через реле таймером.

Примеры для изучения

Введение

Как и для всех систем, для: системы кондиционирования воздуха при поиске неисправностей необходимо следовать шести стадиям;

1. Проверить наличие ошибки.

2. Собрать дополнительную информацию.

3. Оценить полученные факты.

4. Выполнять далее тесты в логической последовательности.

5. Устранить проблему.

6. Проверить все системы.

В табл. 14.1 приведен список некоторых общих признаков неисправной системы кондиционирования воздуха вместе с предположениями о возможной ошибке. Ошибки описаны в общем виде, но будут служить хорошим напоминанием. Предполагается, чток системе был подсоединен соответствующий набор манометров.

Процедура испытания

Не приступайте к работе с хладагентом систем кондиционировании воздуха до тех пор, пока вы не прошли соответствующий курс обучения и не имеете доступ к соответствующему оборудованию. Процесс проверки системы кондиционирования воздуха в общем случае следующий:

1. Пощупать руками и посмотреть глазами (оборванные провода, свободные выключатели и другие очевидные ошибки) — нее соединения должны быть почищены и подтянуты.

2. Проверить давление в системе.

3. Проверить температуру испарителя.

4. Осмотреть ресивер-осушитель через смотровое стекло.

5. Обратиться к предыдущей таблице.

Теплопередача

Вспомним основные термины, связанные с теплопередачей.

Конвекция

Передача тепловой энергии через движение текуче­ го вещества (саза или жидкости). Такое вещество при контакте с источником тепла расширяется, и нагретая часть имеет тенденцию подниматься вверх внутри остального вещества. Более прохладная часть вещества опускается, чтобы занять место поднявшейся верх нагретой части. Таким образом создается лоток конвекции.

Теплопроводность

Поток тепловой энергии через материал без непосредственно движения какой-либо части материала. Тепловая энергия присутствует во всех материалах в форме кинетической энергии вибрирующих молекул и может передаваться от одной молекулы до другой » форме этой механической вибрации. В случае металлов, которые являются особенно хорошими проводниками тепла, свободные электроны в пределах материала переда­ ют тепло вокруг очень быстро.

Радиация

В физике радиация — эмиссия лучистой энергии в виде частиц ли волн, это, например: тепло, свет, альфа-частицы и бета-частицы. При конструировании системы обогрева или кондиционирования воздуха проводятся вычисления, с помощью которых определяется эффективность нагревания или охлаждения. Ниже приведено главное уравнение потока тепла. Оно может быть использовано, например, для определения потери тепла через окна.

Реакция якоря

Большинство моторов нагревателя, как и многие' другие модемы, являются однонаправленными из- за расположения щеток. Когда мотор работает, он одновременно является генератором, производящим противо-э.д.с. Поскольку якорь вращается, щетки эффективно перемыкают один сегмент коммутатора со следующим. Щетки мотора (или генератора) поэтому должны быть помешены вокруг коммутатора таким способом, чтобы никакая э.д.с не присутствовала в этом связанном витке якоря. Чтобы преодолеть эту проблему, щетки смешаются от геометрически- нейтральной оси на магнитно-нейтральную ось полей мотора, потому что по мере возникновения тока якоря магнитное поле, созданное вокруг витков якоря, взаимодействует с основным магнитным полем, заставляя его деформироваться. На рис. 14.18 схематически показаны эти деформации полей. Эго имение использовалось в некоторых очень ранних генераторах как способ контроля выход ноте напряжения.

Нагревание освежает

Два интересных изобретения от компании Valeo показывают, как системы обогрева могут оказаться фактически весьма освежающими! Вот они:

♦ датчик загрязнения;

♦ фотокатализатор.

Датчик обнаруживает основные загрязнители атмосферы (угарный , диоксиды азота), присутствующие в окружающей среде. Датчик вставляется во входные воздушные отверстия системы обогрева и кондиционирования. Электронное управление, учитывая показания датчика, автоматически активизирует режим рециркуляции воздуха внутри автомобиля ограждая кабину от вредного загрязнения воздуха. Створки могут быть закрыты всего за 1,8 с. Это приводит к 20-проиентному уменьшению концентрации загрязнений, и на 40% сокращается число пассажиров, замечающих появление неприятных запахов. Использование фотокатализатора позволяет улучшить воздух в кабине за счет удаления газо загрязнителей. Эти газы могут быть разрушены действием ультрафиолетового света фотокатализатора. Например, основные вредные вещества - летучие органические компоненты окислов азота и серы. Воздух также может быть очищен от бактерий. так как они пегибают на фильтре. Фотокатализатор, сделанный из окиси титана <ТЮ2), обладает свойством самовостанавливаться, что гарантирует его долгий срок службы. Система показала 70-процентную эффективность после шести минут работы в режиме рециркуляции воздуха в салоне, насыщенного толуогом. Однако эта система не мо­жет запускаться автоматически одновременно с датчиком загрязнений.

Кондиционирование воздуха

Обычный обогрев и вентиляция

Введение

Самый ранний пример электрического обогрева, с упоминанием которого я столкнулся, оказался парой перчаток с нагревательными элементами, вшиваемыми в материал (192G г.). Нагревательные элементы в перчатках были соединены с электрической системой автомобиля и работали как не­ большие электрические печки. Немного волнует мысль, что случилось бы в случае короткого замыкания! Развитие систем внутреннего обогрева транс­ портного средства шло с нарастающей скоростью и продолжается по сию пару W появление кондиционирования воздуха было одним из самых заметных этапов на этом пути. Комфорт, который мы теперь считаем само собой разумеющимся, начинался с нескольких экзотических решений, и технологии в это области электрических систем автомобиля все еще эволюционируют современные системы лежат в диапазоне от элементарных воздуховодов горючего/холодного воздуха до сложных автоматических систем управления температурой и климатом. К любой системе нагрева и вентиляции предъявляется набор требований, вытекающий из различных стандартов. Эти требования могут быть суммированы следующим образом:

♦ регулируемая температура в салоне транспортного средства,

♦ максимально быстрое поступление тепла;

♦ распределение тепла по различным частям транспортного средства;

♦ проветривание салона наружным воздухом с минимальным шумом;

♦ устранение запотевания окон;

♦ упрощение управления.

Приведенный список ни в косм случае не является полным и неизменным, он лишь указывает на то, что требуется от системы обогрева и вентиляции. Как обычно, чем сложнее система, тем большему числу предъявляемых требований она способна удовлетворить. Это количество выполняемых функций непосредственно связано со стоимостью системы. Ниже обсуждаются некоторые технические решения, начиная с простой вентиляции и вплоть до полного автоматического контроля температуры салона. На рис. 14,1 показано температура внутри автомобиля, воспринимаемая человеком как комфортная, в зависимости от наружной температуры.

Вентиляция

Чтобы позволить свежему воздуху снаружи транс­ портного средства циркулировать внутри салона, должна появиться разность давлений. Эго достигается путем использования камеры давления. Камера давления, по определению, содержит газ (в этом случае воздух) под давлением выше, чем окружающее давление. В автомобиле камера давления обычно располагается чуть ниже ветрового стекла, позади подкапотного пространства. Когда транспортное средство движется, воздушный поток над автомобилем создаст более высокое давления в указанной области на рис. 14.9. Используются соответствующие створки и каналы, чтобы предотвратить попадание в автомобиль волы через этот канал.

Посредством распределительных магистралей, управляющих откидных створок и подходящих «сопел» воздух может быть направлен туда, куда требуется. Эта система дополняется мотором с изменяемой скоростью, который создает дополнительный наддув. На рис. 14.3 показано размещение узлов типичной системы вентиляции и обогрева.

Когда дополнительный воздух нагнетается в кабину транспортного средства, внутреннее давление увеличилось бы, если бы для воздуха не было предусмотрено никакого выхода. Однако большинство легковых автомобилей имеет зарешеченные выходные отверстия на каждой стороне автомобиля выше или вблизи задних панелей или дверей.