Как работает кондиционер автомобиля: объясняем на пальцах 2 самые интересные фишки
Его главные части – это два радиатора, один из которых находится в системе вентиляции салона, а второй под капотом автомобиля рядом с двигателем. Между двумя радиаторами циркулирует фреон, очень летучая жидкость, кипящая при температуре примерно –40°С.
Фреон по кругу гонит компрессор – третья обязательная часть любого кондея. А компрессор, в свою очередь, приводится в движение двигателем автомобиля через приводной ремень. Еще в систему встроена электромагнитная муфта, которая разъединяет компрессор и двигатель, когда он не нужен, и фильтр-осушитель. По большому счету, это все главные части.
Парадокс кондиционера
Вы наверняка знаете, что тепло всегда передается от более теплого тела к более холодному телу, при этом холодный предмет постепенно нагревается, а горячий остывает, пока их температура не станут одинаковыми.
Но вот что интересно: кондиционер подает в салон воздух с температурой около 20-25°C, комфортной для человека. Охлаждая воздух, фреон сам нагревается примерно до такой же температуры. После этого он поступает под капот двигателя, чтобы охладиться. Но температура под капотом гораздо выше, чем в салоне, здесь может быть и 45°C, и 60°C, и даже больше. Как же он может остыть?
Вот здесь и начинается самое изящное физическое решение.
Сжать-нагреть, разжать-охладить
В физике есть закон, который гласит: если газообразное вещество сжать, то его температура повысится в той же пропорции – это явление называют законом Шарля. А если давление понизить, то вещество охладится. Вот как это используется в кондиционере или бытовом холодильнике – принцип их работы одинаков.
Фреон поступает в систему вентиляции салона в виде охлажденной смеси газа и жидкости. Нагреваясь от воздуха, он вскипает и весь превращается в газ. Поэтому этот радиатор называют испарителем.
После этого фреон из испарителя поступает в компрессор. Этот прибор сжимает фреон до очень высокого давления, более 1 МПа, перед тем, как направить его под капот. Когда наш газ сжимается, его температура повышается примерно до 150°C, после чего он поступает в радиатор под капотом.
Раз фреон настолько горячий, то даже от теплого воздуха моторного отсека он может остыть примерно до 45-70°C. Под высоким давлением газ превращается в жидкость – поэтому этот радиатор называют конденсатором.
Теперь охладившаяся жидкость снова движется в систему вентиляции. По пути она проходит через фильтр-осушитель, очищающий ее от влаги и загрязнений, и затем через клапан, после которого ее давление снова резко падает – а значит, по тому же закону Шарля и ее температура падает примерно до 10°C. Дело сделано – фреон снова может охлаждать воздух, поступающий в салон.
Как «безмозглый» компрессор сам собой управляет
Другая любопытная техническая загадка состоит в следующем. Когда автомобиль едет, двигатель работает то на более высоких оборотах, то на более низких. Когда вы стоите в московской пробке, он почти все время крутится на холостых оборотах. Но было бы не комфортно, если бы кондиционер постоянно менял мощность на ходу, охлаждая то сильнее, то слабее. Значит, его мощность надо стабилизировать.
Надо сказать, что кондиционеры появились задолго до того, как автомобили стали компьютерами на колесах, нашпигованными датчиками и электроприводами. Поэтому инженеры прошлых времен придумали остроумную механическую систему регулировки его производительности.
Внутри компрессор выглядит как 5, 7 или 10 цилиндров, расположенных по кругу. В каждом движется поршень, сжимающий фреон и через систему клапанов проталкивающий его от испарителя к конденсатору. Все поршни нанизаны на наклонный диск с подвижной точкой крепления. Когда диск наклоняется в одну сторону, вперед движутся поршни с одной стороны, когда в другую – с обратной. Проще всего понять, взглянув на следующую анимацию.
Вы видите, что если диск наклонять сильнее, то и ход поршней будет более длинным, а значит, они будут работать более мощно. Компрессор кондиционера управляет углом наклона диска в зависимости от давления в системе – так его производительность динамично регулируется.