Многие из нас пользуются дома или на работе агрегатами для охлаждения воздуха в помещениях – кондиционерами. Но о том, как они функционируют, знает далеко не каждый. Задача данной статьи – объяснить устройство и принцип работы сплит-системы, что наиболее часто встречаются в нашей повседневной жизни.
Устройство бытового кондиционера
Современная сплит – система разделена на две части – наружный и внутренний блоки. Каждый из них выполняет свою функцию и содержит набор соответствующего оборудования. Внутри корпуса наружного блока находится теплообменник – конденсатор, вентилятор, призванный прогонять через него воздух, и компрессор – нагнетатель давления. Из более мелких, но не менее важных функциональных элементов следует выделить осушитель, расширительный клапан и соединительные трубки из меди. Кроме того, устройство данного узла предусматривает запитку от электросети, для чего в нем имеется необходимые электротехнические элементы, а также средства автоматизации.
Примечание. В случае когда конструкцией предусматривается работа сплит-системы на обогрев, в наружном блоке дополнительно установлен четырехходовой клапан с электроприводом, подогреватель компрессора и регулятор давления конденсации.
Внутренняя часть кондиционера помимо корпуса содержит теплообменник – испаритель с , фильтрующие элементы, жалюзи для направления потока воздуха и ванночку для сбора конденсата. Между внутренним и наружным блоком прокладываются 2 магистрали для хладоносителя, по трубе с большим диаметром он движется в виде газа, с меньшим – в жидком состоянии. Ниже на рисунке показано устройство сплит-системы с указанием основных элементов:
1 – компрессор; 2 – четырехходовой клапан для переключения режимов «зима – лето»; 3 – электронный блок; 4 – осевой вентилятор; 5 – теплообменник – конденсатор; 6 – магистрали для хладагента; 7 – центробежный вентилятор; 8 – теплообменник – испаритель; 9 – фильтр грубой очистки; 10 – фильтр тонкой очистки.
Принцип работы
Сплит – система, как и всякая холодильная машина, отличается очень высокой эффективностью. Для примера: охладитель, потребляющий электрическую мощность в размере 1 кВт, обладает холодопроизводительностью ориентировочно 3 кВт. При этом никакие законы сохранения энергии не нарушаются и КПД установки вовсе не 300%, как можно подумать.
Следует понимать, что принцип работы кондиционера заключается не в производстве холода, а в переносе тепловой энергии из одного места в другое посредством хладагента, называемого рабочим телом.
В качестве рабочего тела выступает фреон, чья температура кипения почти на 100 ºС ниже того же показателя у воды. Хитрость состоит в том, что для парообразования любая жидкость должна получить большое количество тепловой энергии, ее рабочее тело и отнимает у комнатного воздуха в испарителе. В физике эта энергия называется удельной теплотой парообразования.
Испаренный во внутреннем блоке фреон по трубке большого диаметра поступает в компрессор, создающий давление в сплит-системе и далее, в теплообменник – конденсатор. Рабочее тело, находящееся под давлением, интенсивно конденсируется в нем при контакте с наружным воздухом, высвобождая в атмосферу ранее поглощенное тепло. Только теперь это называется удельной теплотой конденсации, при постоянном количестве фреона в системе ее величина равна затраченной энергии парообразования. Как происходит описанный процесс, показывает схема работы кондиционера сплит-системы:
После перехода в жидкую фазу хладагент проходит через осушитель с целью отделения влаги и входит в расширительный клапан. Здесь за счет резкого увеличения размера канала (сопла) снижается давление и рабочее тело снова возвращается в испаритель за очередной порцией тепла.
Из электрооборудования, потребляющего значительную мощность, на схеме можно увидеть два вентилятора и компрессор, остальные источники энергопотребления ничтожно малы. То есть, приведенный в примере 1 кВт электричества расходуется лишь на вращение осей вентиляторов и компрессора, всю остальную работу проделывает фреон.
Все прочие функции – за системами автоматики. По достижении установленной температуры в помещении датчик подает сигнал на блок управления, а тот останавливает компрессор и вентиляторы, процесс прекращается. Воздушная среда в комнате нагрелась, - и датчик снова инициирует запуск охладителя, такая циклическая работа идет непрерывно. В то же время инверторные сплит – системы, чья конструкция немного отличается от устройства обычных кондиционеров, никогда не останавливают процесс. Такие агрегаты характеризуются плавным изменением температуры и тихим режимом работы компрессора.
Примечание. При интенсивных процессах теплообмена на ребрах испарителя и конденсатора выпадает влага, содержащаяся в воздухе, для ее сбора и отвода конструкция кондиционера предусматривает ванночку и систему трубок.
Для перехода установки в режим подогрева воздуха происходит переключение направления движения рабочего тела, вследствие чего теплообменники меняются функциями, наружный становится испарителем и отбирает теплоту из окружающей среды, а внутренний действует как конденсатор, передавая эту энергию в помещение. Для перераспределения потоков в схему введен четырехходовой клапан, чтобы не приходилось мудрить с компрессором.
Заключение
Сплит – система, как и другие холодильные машины, является очень экономичной в силу эффективности своей работы. Именно по этой причине они получили широкую популярность для создания комфортных условий в зданиях различного назначения.
Как работает система чиллер-фанкойл
Что такое инверторный кондиционер
Как включить кондиционер на обогрев
Как выполняется антибактериальная чистка кондиционера
Февраль 2019
Так как же работает сплит-система?
Дома, на работе - у многих уже есть кондиционеры. Но примерно 50% до сих пор уверены, что внешний блок кондиционера подаёт воздух с улицы через внутренний!
И ещё много заблуждений по поводу использования этого бытового прибора.
Принцип работы кондиционера
В основе работы любой системы кондиционирования, будь то домашняя сплит-система или промышленный кондиционер, заложены простые законы физики, которые гласят, что при испарении вещества происходит поглощение энергии и наоборот: при конденсации – выделение теплоты.
Любой современный кондиционер – это насос по перекачке тепла из одного места в другой путём чередования процесса расширения и сжатия рабочего тела (газа фреона).
Если перенести сказанное на бытовой уровень, то испаряющийся во внутреннем блоке сплит-системы фреон забирает избыток тепла в помещении (если система кондиционирования работает в режиме охлаждения) и переносит это тепло наружу во внешний блок. Логично представить, что если направить процесс вспять, то кондиционер будет… греть помещение. Большинство сплит-систем оборудованы трехходовыми клапанами, позволяющими работать системе в режиме обогрева помещения. В данном случае фреон испаряется во внешнем контуре сплит-системы и, поглощая тепло с улицы, переносит его в помещение.
Для ускорения процесса изменения температуры во внешнем и внутреннем блоках современных сплит-систем разведена сложная система медных трубок теплообменников, позволяющих в короткое время отвести или поглотить тепло. В одном внешнем блоке современной сплит-системы протяжённость медных капиллярных трубок может достигать сотни метров! Медь несмотря на свою дороговизну используется благодаря отличительным показателям коэффициента теплоотдачи. Ведущие мировые производители кондиционеров продолжают использовать для производства теплообменников медь с минимальными добавками иных металлов: это приводит к удорожанию техники, но повышает её КПД и долговечность работы.
На схеме №1 представлены основные агрегаты кондиционера:
Схема №1 "Основные агрегаты современной сплит-системы"
1. Вентилятор наружного блока сплит-системы.Вентилятор сплит-системы призван повысить скорость теплообмена во внешнем блоке кондиционера благодаря нагнетанию воздуха и обдува теплообменника. Если бы не было вентилятора во внешнем блоке кондиционера, то процесс передачи тепла безумно затянулся, а сам блок потребовалось бы значительно увеличить в размерах. При проектировании современных вентиляторов сплит-систем используют передовые достижения аэродинамики, что позволяет снизить сопротивление при вращении и соответственно снизить энергопотребление, а также приводит к снижению уровня шума внешнего блока кондиционера за счёт отсутствия турбулентных потоков воздуха. Так что вентилятор наружного блока кондиционера - это не обычный пропеллер, а результат длительного процесса проектирования и реализации инноваций в сфере аэродинамики потока.
2. Компрессор кондиционера.Одна из основных и самых нагруженных деталей сплит-системы - это компрессор. Непосредственно участвует в процессе переноса тепла: приводит в движение фреон и осуществляет основную работу по изменению физических свойств хладагента. На схеме №2 изображён рабочий цикл кондиционера:
Схема №1 "Рабочий цикл кондиционера"
Как видно из представленной схемы работы кондиционера испарившийся (и, напомним, поглотивший в помещении тепло) фреон по фреонопроводу попадает в компрессор внешнего блока. Газообразный фреон имеет малое давление и достаточно высокую температуру, но для повышения КПД компрессор сжимает газ при этом температура ещё больше увеличивается на фоне роста давления, что увеличивает перепад температур воздуха снаружи теплообменника внешнего блока и рабоичм телом, т.е. самим фреоном.
В решётке внешнего блока сплит-системы фреон, имеющий избыточное давление и температуру быстро отдаёт тепло и переходит в жидкое состояние. Его температура понижается и он готов снова попасть во внутренний блок Вашей сплит-системы для удаления тепла.
Компрессор бывает разной конструкции: поршневой, ротационный, винтовой, спиральный. Классический поршневой компрессор из-за нестабильности создаваемого давления (цикличность работы приводит е перепадам давления рабочего газа) и шумности работы постепенно уходит в небытие.
Неоспоримые лидеры в производстве надёжных и долговечных компрессоров - производители исконно японских марок, таких как Mitsubishi Electric, Daikin, Toshiba.
Некоторые известные корейские производители кондиционеров, такие Panasonic, самостоятельно не производят компрессора, но закупают агрегаты у японских производителей и без страха дают гарантию в 5 лет на их работу. Новые современные компрессора, которые обладают увеличенным ресурсом, а также позволяют сплит-системе работать при существенных перепадах температур.
Компрессор зачастую работает на повышенных оборотах и под воздействием негативных внешних факторов. В состав фреона производители добавляют специальное масло и присадки для смазки особо нагруженных частей. Именно поэтому зачастую невозможно на старую фреоновую трассу (по которой проходил фреон типа R22) установить сплит-систему нового типа (на фреоне R410).
3. Теплообменник внешнего блока кондиционера.
Как уже понятно из названия (и описания предыдущих агрегатов) обеспечивает отвод тепла от газообразного фреона высокого давления для возможности перехода фреона в жидкое состояние. Задача инженеров заключается в том, чтобы в ограниченном пространстве внешнего блока сплит-системы обеспечить отвод тепла, получаемого от целой комнаты/помещения в несколько квадратных метров. Это достигается благодаря извилистой форме трубок теплообменника, дополнительным вставкам пластин, принимающих на себя тепло.
Очень сильно на теплоотдачу влияет степень загрязнённости теплообменника. В случае если он засорится (из-за эксплуатации в пыльных условиях, налипания пуха и пыльцы), то резко снизится КПД теплоотдачи, что может привести к выходу всей системы из строя.
Теплообменник требует особого ухода и регулярной чистки. Более подробно Вы можете ознакомится в разделе "Обслуживание кондиционеров".
4. Фреонопровод.
Часть сплит-системы, которая собственно и позволила разделить в кондиционере функцию охлаждения (в помещении) и отвода тепла (на улицу). Состоит, как правило, из двух медных труб: одна меньшего диаметра - жидкостная, по ней фреон в жидком состоянии поступает во внутренний блок; вторая - большего диаметра, для отвода испарившегося и превратившегося в газ фреона из внутреннего блока кондиционера к теплообменнику наружного.
При прокладке трассы также укладывают:
- медные трубки фреонового контура кондиционера. Это основной путь движения фреона: по медным трубкам фреон подводится к компрессору и к теплообменникам внешнего и внутреннего блока сплит-системы. От качества используемой при монтаже трубы сильно зависит длительность и безаварийность эксплуатации кондиционера
- дренажную трубку. Для отвода конденсата - воды - образующейся во внутреннем блоке кондиционера
- кабель межблочного управления. По нему осуществляется управление и согласование работы двух частей сплит-системы
- кабель питания. Внутренний и внешние блоки кондиционера подключаются к сети питания. Но не оба, а всего лишь один из них. Второй (какой именно - зависит от типа кондиционера) запитывается от другой части сплит-системы
Призван обеспечить эффективное испарение фреона. При испарении фреона происходит охлаждение медной трубы теплообменника. Чем мощнее кондиционер - тем больше по габаритам приходится выполнять сам теплообменник. Именно поэтому с ростом мощности охлаждения сплит-системы увеличиваются и габариты самого внутреннего блока кондиционера.
На теплообменнике происходит конденсация влаги аналогично выпадению росы: из-за снижения температуры протекающего через него воздуха. Именно поэтому в современных сплит-системах осуществляется отвод конденсирующейся влаги (в противном случае она бы вытекала из внутреннего блока кондиционера). Также через теплообменник проходят сотни кубометров воздуха за один час. Этот воздух не всегда идеально чист. Результат - образование "бороды" из пыли и грязи. Наличие влаги способствует также и размножению болезнетворных микроорганизмов. В связи с этим производители (Mitsubishi Electric, Daikin, Fujitsu General) реализовывают технологические новинки, которые обеспечивают:
- осушение теплообменника. После выключения сплит-системы происходит временный обдув решётки для осушения
- обработка теплообменника спец.покрытием, предотвращающим образование микроорганизмов
Функция аналогична вентилятору внешнего блока. Особые требования относятся к аэродинамике и выравниванию воздушного потока внутреннего блока для достижения двух целей:
- снижения шумового давления (для обеспечения комфортного пребывания в помещении при работающем блоке)
- повышения коэффициента полезного действия при теплообмене
Кондиционеры и сплит-системы различных моделей уже прочно вошли в жизнь современного человека - сегодня эта бытовая техника не считается роскошью, как это было в недавнем прошлом. Эти изделия специально разработаны для создания благоприятного микроклимата внутри зданий знойным летом, но многие модели могут обогревать помещения и в межсезонье. Принципиально устройство кондиционера схоже с компоновкой отдельных блоков сплит-систем, различие только в том, что первые, как правило, имеют один корпус, а вторые - два блока. Принцип работы сплит-системы аналогичен работе стандартного бытового кондиционера оконного или напольного.
Как устроен кондиционер, понять довольно просто, надо только изучить по отдельности составные части кондиционера: внутренний и внешний блоки.
Выносной блок
Конструкция наружного блока весьма сложная, ведь он управляет работой всей системы, основываясь на заданных режимах, которые набираются пользователем вручную. Его компоненты представлены на фото:
- Вентилятор - его обязанности создавать обдув внутренних частей.
- Радиатор , в котором осуществляется охлаждение хладагента, называется конденсатором, он отдает тепло потоку наружного воздуха.
- Компрессор кондиционера сжимает хладагент и осуществляет его циркуляцию между блоками. Описание принципа работы компрессора легко найти в интернете, поэтому мы не будем перегружать статью излишними техническими подробностями.
- Плата автоматического управления имеет такое размещение на моделях инверторного класса, у остальных - вся электроника располагается внутри внутреннего блока кондиционера.
- Сложной конструкции клапан устанавливается только на моделях класса «холод-тепло», при включении режима обогрев, принцип действия блоков меняется зеркально.
- Крышка , защищающая штуцерные соединения.
- Фильтр - защищает устройство от попадания посторонних частиц, которые могли проникнуть в систему во время монтажа изделия.
- Внешний корпус .
Корпус испарителя
Его конструкция не отличается особой сложностью.
Микропроцессор и плата электроники, а также штуцера, к которым подключают медные трубки с циркулирующим фреоном, на фото не указаны - они находятся сзади.
Основная конструкция кондиционера практически не меняется - разные модели имеют специфические доработки, но выносной и внутренний блок всегда присутствуют.
Теперь вы в курсе из чего состоит кондиционер, поэтому можно переходить к краткому ознакомлению с принципом конкретной работы кондиционера.
Функциональные нюансы
Жидкие вещества при нагревании испаряются, активно поглощая тепло с той поверхности, на которой находятся, а при выпадении конденсата происходит обратный процесс - на этом и основывается принцип действия любой системы кондиционирования. Эти изделия не могут производить холод, а только переносят тепло из охлаждаемого объекта на улицу или наоборот, что происходит при включении режима обогрев. Тепло - это энергия, а она не может исчезать бесследно или возникать ниоткуда, основным переносчиком ее в кондиционерах является хладагент.
Во время охлаждения фреон испаряется, конденсация его происходит в выносном блоке, после того, как сжатый до определенной консистенции хладагент выходит из компрессора. Если работа кондиционера или сплит-системы настроена на обогревание помещения, то все происходит наоборот.
Питание изделия происходит от электрической сети, и пользователи должны знать, что применять такие устройства для обогрева помещения довольно выгодно: потребляя 1 кВт электричества, они переносят в строение 3 кВт тепловой энергии и не пересушивают воздух.
Технические характеристики бытовых кондиционеров складываются из номинальной мощности изделия , которая расходуется на охлаждение или обогрев внутренних помещений. Такой конструкции изделия используются в межсезонье, но только при температуре выше ноля - включать при морозе их нельзя. Причем нагрев происходит по специальной схеме: обогревается пол, создавая комфортную атмосферу для ног.
Далее, идет мощность потребления, расход воздуха, уровень производимого шума, который допускается в жилых помещениях не более 34 дБ. Учитывать надо шум при минимальной и максимальной мощности работы изделия.
Основные характеристики кондиционеров учитывают и хладагент, используемый в изделии - все устройства используют разные виды фреона от R-12 до R-410А, который состоит из равных долей (50 на 50) R32 и R125.
Основные функции
Для комфортного использования у бытового кондиционера есть определенный набор функциональных возможностей:
- охлаждение, для отдельных модификаций есть и обогревание воздуха;
- вентиляция - из всех узлов агрегата задействован только вентилятор;
- автономный режим - система сама управляет всеми основными функциями;
- осушение - происходит удаление излишней влаги из воздуха;
- очистка - производится перед поступлением его к теплообменнику;
- установка температуры - весьма полезная функция, которая позволяет точную ее установку при охлаждении и обогреве;
- скорость вращения вентилятора - имеет несколько режимов, которые позволяют изменять производительность изделия;
- направление - жалюзи регулируют направление движения воздуха, горизонтальные меняют высоту, а вертикальные - сторону;
- таймер - позволяет назначить точное время для включения или выключения кондиционера;
- режим «ночь» - встроенная система автоматического контроля самостоятельно регулирует скорость работы вентилятора, плавное понижение/повышение температуры воздуха на 2-3 о.
Каждая модель бытовых кондиционеров имеет еще и различные дополнительные функции, которые прописаны в инструкции по использованию изделия.
Всевозможные дополнительные фильтры тонкой очистки, ионизаторы и ультрафиолетовые лампы значительно повышают качество нагнетаемого воздуха, но стоимость изделия также неуклонно стремится ввысь.
В чем разница работы кондиционера и сплит-системы
Многие покупатели спрашивают, какая существует разница между оконными, напольными изделиями для охлаждения помещений и системами типа сплит? Второй вариант считается более функциональным и эффективным. Любая сплит-система обладает такими преимуществами:
- испаритель может располагаться на потолке, стене или на полу, при этом идеально подходит к любому интерьеру помещения;
- охлаждение осуществляется быстрее за счет большей мощности;
- очищает, увлажняет и ионизирует нагнетаемый воздух;
- при функционировании производит довольно низкое шумовое воздействие на окружающих.
Для квартиры с большой площадью или загородного строения приобретают мультисистемы с несколькими внутренними испарителями и одним выносным блоком, что облегчает пользователям весь процесс эксплуатации. К тому же внешний вид коттеджа не портит обилие выносных блоков одинаковой конструкции, но с разным шумовым воздействием.
Устройство и принцип работы кондиционера ничем не отличаются от устройства любой сплит-системы, разница только в специфических нюансах, поэтому дать точный ответ, какая техника лучше справляется с поставленными задачами весьма непросто - каждая из них имеет свои недостатки и преимущества, которые определяют сферу их применения.
Строение кондиционеров оконного типа отличается своеобразной конструкцией - одна часть их находится внутри, а другая снаружи оконного блока. С моноблочным напольным вариантом они схожи только конструкцией, т. к. все компонента находятся внутри одного корпуса. Работающие детали - вентилятор и компрессор — издают шума больше, чем у сплит-системы, потому что у них эти компоненты находятся в отдельном блоке, расположенном снаружи помещения.
Прежде, чем сделать выбор при покупке такого изделия в свой дом, надо сделать сравнение технических характеристик самых недорогих сплит-систем с аналогичными параметрами напольного или оконного типа устройства - найдется много положительных и негативных нюансов у каждого вида, поэтому сделать окончательный вывод весьма непросто.
Принцип работы кондиционера (сплит-системы) попытаюсь пояснить, особо не используя специфические термины термодинамики. Тем не менее, для того, чтобы разобраться необходимо, вспомнить (принять на веру) результат нескольких термодинамических процессов:
- дросселирование – процесс расширения рабочего тела (испарения) с поглощением тепловой энергии и снижением температуры.
- конденсация – процесс превращения пара в жидкость.
- сжатие – процесс уменьшения объёма рабочего тела с повышением давления и температуры.
Энтропия S - количество тепловой энергии, пригодной для совершения работы: чем энергии меньше, тем выше энтропия.
Охлаждение воздуха в помещении осуществляется с помощью специальной холодильной установки – кондиционера, работающего по обратному тепловому циклу. Обратный тепловой цикл, такой цикл при котором передача тепловой энергии от более холодного тела к более тёплому осуществляется за счёт подводимой работы. Рабочим телом в кондиционере является фреон.
Принципиальная схема кондиционера – на левом рисунке, а его рабочий цикл в Т – S диаграмме на правом.
И так – кондиционер включён в работу. Компрессор 3 сжимает фреоновый пар, повышая его температуру от Т2 до Т1 (процесс 3 – 4 на диаграмме). Сжатый и нагретый фреоновый пар поступает в конденсатор 4 наружного блока кондиционера где, отдавая тепловую энергию в окружающий воздух конденсируется (процесс 4 – 1 на диаграмме). Из конденсатора фреон поступает на дроссельный вентиль 1, после которого испаряется в испарителе 2 внутреннего блока кондиционера (процесс 1 – 2 на диаграмме) в результате чего его температура понижается. В испарителе образовавшийся фреоновый пар отбирает тепло у окружающего воздуха. Далее фреон поступает на всас компрессора (процесс 2 -3 на диаграмме) – цикл замкнулся.
Дроссельный вентиль 1 в кондиционере является регулирующим органом. Изменяя расход рабочего тела через него можно регулировать холодопроизводительность кондиционера.
Вот по такому принципу работает сплит-система.