Распределение температуры в салоне автомобиля

 

Охлажденный салон автомобиля не только обеспечивает оптимальный комфорт, но также является основой активной безопасности при вождении. Чрезмерно высокая температура воздуха в салоне (летом зачастую от 40С до 60С) снижает работоспособность и выносливость, притупляет внимание и увеличивает время реакции водителя. В результате замедления реакции увеличивается тормозной путь и возрастает число аварий. Активная безопасность — наиважнейшее преимущество!

Решение: охлаждение

 

Помимо кондиционирования (охлаждения) воздуха в салоне автомобиля летом, система кондиционирования помогает обеспечить хорошую видимость зимой или в прохладные и влажные дни, так как она удаляет влагу из воздуха и, таким образом, предотвращает запотевание стекол. Кроме того, она очищает воздух, поступающий в салон, от загрязнений. Сильное загрязнение воздуха в салоне, в особенности в плотном городском движении, возникает также при работе системы вентиляции автомобиля. Система кондиционирования предотвращает подобное ухудшение условий для пассажиров путем фильтрации воздуха (фильтры вентиляции салона также могут поставляться и без кондиционера) и очистки его от пыли в результате удаления влаги.

Определение тепла

 

Для понимания принципа работы системы кондиционирования воздуха необходимо понять физические принципы, на которых основана работа системы. В нужном количестве тепло необходимо для жизни и комфорта. Значительные избытки или недостатки тепла вызывают дискомфорт. Контроль количества тепла означает контроль комфорта. Кондиционирование воздуха — это способ контролирования тепла. Для понимания того, как работает система кондиционирования, сначала необходимо понять природу тепловой энергии. Сперва это кажется трудным для понимания, но принципы повышения температуры, испарения, расширения и излучения станут понятными по ходу данной главы. Все тела содержат некоторое количество тепла. Тела, которые существенно теплее температуры человеческого тела, воспринимается теплыми на ощупь. Температура является функцией явного тепла. Если предмет содержит намного меньше тепла, чем человеческое тело, мы говорим, что он холодный на ощупь. Холод — это всего лишь отбор некоторого количества тепла. Тепло всегда передается от более теплой стороны к более холодной. Этот процесс невозможно остановить. Его можно только замедлить при помощи теплоизоляции. Таким образом, система кондиционирования не производит холод, а удаляет тепло. В соответствии с законами природы, тепло всегда передается от более теплого тела к более холодному. Если два тела имеют разную температуру, тепловая энергия будет передаваться от более теплого тела к более холодному, пока оба тела не придут в состояние теплового равновесия при одинаковой температуре. Примеры: когда в холодный день вы выходите на улицу, вы чувствуете холод. Не потому, что холод проникает в ваше тело, а потому, что от вашего тела тепло передается холодному воздуху, вызывая у вас «чувство холода». Верно и обратное: когда вы находитесь в месте, где температура выше температуры тела, вы чувствуете себя теплее, поскольку тепло от более теплого воздуха передается вашему телу.

 

Теплопередача

 

Теплопроводность: тепло передается через вещество, от более теплого участка к более холодному путем теплопроводности. Все испытывали это явление, поднимая горячую сковороду с плиты. Ручка сковороды горячая, несмотря на то, что не находится в непосредственном контакте с конфоркой. Метал сковороды проводит тепло к более холодной ручке. (Помните, тепло передается от более теплого тела к более холодному.) Аналогично, металлический прут, нагретый с одного конца, благодаря теплопроводности нагреется и с другого конца.

Излучение: тепло в виде инфракрасных волн излучают все нагретые вещества. Эти волны являются формой энергии. Они повышают температуру любого тела, с которым входят в контакт. Основным источником тепла для Земли является Солнце. Инфракрасное излучение от Солнца проходит через космическое пространство и, попадая на Землю, нагревает ее. Прямой солнечный свет является хорошим примером передачи тепла излучением. Важную роль в тепловом излучении играет цвет. Автомобиль темного цвета нагревается сильнее, чем автомобиль светлого цвета. Это происходит потому, что светлые цвета в большей степени отражают инфракрасные волны, в то время как темные цвета больше поглощают их. Рассматривая тепловое излучение с точки зрения системы кондиционирования воздуха, следует отметить, что конденсатор, содержащий высокотемпературный хладагент, передает и излучает тепло в более холодный наружный воздух.

Конвекция: тепло так же передается (переносится) из одной точки в другую путем перемещения нагретого вещества. Это тепловое движение называется конвекцией. Если открыть кран горячей воды, польется горячая вода, хотя водонагреватель находится на каком-то расстоянии. Это происходит, поскольку движущаяся вода переносит тепло от водонагревателя к крану.

 

Агрегатные состояния

 

Изменение агрегатного состояния: испарение и конденсация. Еще одним следствием теплообмена является то, что молекулы вещества могут изменить свое состояние, а не температуру. При определенной температуре (точка кипения, точка замерзания) и т. д. вода превращается в пар или лед. Существует три процесса изменения агрегатного состояния: испарение, конденсация и замерзание.

Испарение происходит, когда жидкой субстанции передается достаточно тепла, чтобы превратить ее в пар (газ). Вам известно, что при кипении воды выделяется пар. В точке кипения воды (100С), вода поглощает достаточно тепла для изменения своего агрегатного состояния. Жидкость превращается в пар.

Конденсация — это процесс, обратный испарению. Если от пара отобрать достаточное количество тепла, произойдет изменение агрегатного состояния, в результате которого пар превратиться в жидкость.

Замерзание происходит, когда от жидкости непрерывно отбирается тепло, пока она не перейдет в твердое состояние. Запомните, что при температуре выше –273°C в любом веществе содержится некоторое количество тепла. В системе кондиционирования замораживание — это опасность, которую следует избегать.

 

ПРИМЕЧАНИЕ: плазма (ионизированный газ с высокой электрической проводимостью) часто рассматривается как четвертое агрегатное состояние вещества.

 

Скрытая теплота парообразования

 

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость — это количество тепла в Джоулях (Дж), необходимое для повышения температуры вещества. Удельная теплоемкость является функцией температуры. Для газов необходимо проводить различие между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и при постоянном объеме.

 

Удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления твердого вещества — это количество тепла в Дж, необходимое для перевода 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления.

 

Скрытая теплота парообразования

Скрытая теплота парообразования жидкости — это количество тепла в Дж, необходимое для испарения 1 кг жидкости при температуре кипения. Скрытая теплота парообразования сильно зависит от давления. Пример: если к емкости, содержащей 1 кг воды при 100С (на уровне моря) подвести тепло, вода поглотит 1023 кДж скрытого тепла без какого-либо изменения в показаниях термометра. Однако, произойдет изменение агрегатного состояния из жидкости в пар. Поглощенное водой тепло называется скрытой теплотой парообразования. Пар сохранит 1023 кДж, поскольку эта энергия требовалась для изменения агрегатного состояния.

 

Скрытая теплота конденсации

При обратном процессе, когда тепло отводится от 1 кг водяного пара при 100С (на уровне моря), пар выделит 1023 кДж тепла без изменения в показаниях термометра. Однако, произойдет изменение агрегатного состояния из пара в жидкость. Поглощенное водой тепло называется скрытой теплотой конденсации.

 

Температура и давление

 

Тепловые измерения

Температура, или ИНТЕНСИВНОСТЬ тепла, измеряется термометром. Большинство значений температуры в данном руководстве приводятся в градусах Цельсия (С), однако иногда используются и градусы Фаренгейта (F). Значение температуры говорит только об интенсивности тепла или о ЯВНОМ ТЕПЛЕ, а не о действительном количестве тепла. Комфортная температура для человека находится в пределах от 21 до 27С. В этом диапазоне температур человек чувствует себя наиболее комфортно. Когда любая температура выше или ниже этого диапазона, человек воспринимает это как теплое или холодное. В науке существуют понятие «абсолютный ноль» — температура, при которой от тела отведено все тепло. Температура абсолютного нуля определяется как –273°C. Любое вещество при температуре выше абсолютного нуля содержит некоторое количество тепла. Для понимания основ кондиционирования воздуха также необходимо понимать связь между давлением, температурой и агрегатным состоянием. Наша планета окружена воздухом, иначе говоря газом. Давление в газе передается во всех направлениях одинаково. Окружающий нас газ состоит на 21% из кислорода и на 78% из азота. Остающийся 1% занимают другие редкие газы. Эта комбинация газов называется атмосферой. Она простирается на несколько сотен километров над земной поверхностью и удерживается силой гравитации. На уровне моря атмосферное давление составляет 1,0 бар, а точка кипения воды — 100С. В любой точке выше уровня моря атмосферное давление ниже, а также ниже температура кипения воды. При понижении давления до 0,38 бар, температура кипения воды составляет 75С, а при давлении 0,12 бар — 50С. Если на точку кипения воды влияет уменьшение давления, логично предположить, что увеличение давления также на нее повлияет.

Пример — пароварочный котел!

Дополнительная информация: как перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия и наоборот: C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5 × C)+32. Кельвин = C + 273. Ренкин = F + 460.

 

Температура и давление

 

Зависимость между теплом и давлением: важно понять связь между давлением и температурой хладагента в системе кондиционирования воздуха. Если давление хладагента низкое, его температура также будет низкой. И наоборот, если давление высокое, температура также будет высокой. Это означает, например, что при повышении температуры растет давление, а при росте давления повышается температура.

Пример: велосипедный насос. Это важно запомнить, так как изменение давления так же как изменение температуры имеет большое значение в работе системы кондиционирования.