Kas yra šiluma?

Kondicionieriaus veikimas pagrįstas bendra visų skysčių savybe: bet kuriam skysčiui išgarinti reikalinga energija. Energija – tai šiluma. Šiluma – tai energija. Šaltis nėra kažkas skirtingo negu šiluma, šaltis ir šiluma netgi nėra priešingi poliai, kaip magneto. Šaltis yra šilumos netekimas. Kadangi šiluma (t.y. energija) išnykti negali, tai šilumos netekimas reiškia jos perdavimą kitam kūnui. Kai jūs žiemą jaučiate šaltį, tai nereiškia kad šaltis patenka į jūsų kūną. Tai kūnas atiduoda šilumą aplinkai, priversdamas jus jausti šaltį. Kadangi žmogaus organizmas reguliuoja kūno temperatūrą, žmogaus kūnas  atšąla iki aplinkos temperatūros tik vieną kartą gyvenime, pačioje pabaigoje.

Temperatūra yra energijos "intensyvumo" matas. Ji atspindi, kiek energijos tūrio vienete sukaupė tam tikras kūnas. Kuo temperatūra aukštesnė, tuo kūnas šiltesnis.

Energija savaime yra perduodamo iš šiltesnio kūno į šaltesnį. Jei tarp dviejų kūnų yra temperatūrų skirtumas, tai iš šiltesnio kūno į šaltesnį energija bus perduodama tol, kol abiejų kūnų temperatūros išsilygins. Tai labai svarbu, norint suprasti kondicionieriaus veikimą. Jei pastatysime ant stalo puodelį su užvirintu vandeniu, kurio temperatūra 100°C, po kurio laiko pastebėsime, kad vanduo atšalo iki aplinkos temperatūros, atiduodamas šilumą aplinkai.

Atlikime eksperimentą. Pastatykime ant elektrinės viryklės puodą su vandeniu. Į vandenį įmerkime termometrą. Tie, kas nemėgsta grynos teorijos, gali į puodą įdėti kiaušinį, kuris nekeičia eksperimento esmės, bet gali būti panaudotas baigus eksperimentą. Kas vyksta įjungus viryklę? Svarbiausias daiktas šiame procese yra elektros skaitiklis, kuris skaičiuoja sunaudotą elektros energiją ir parodo, kiek mes už tai skolingi. Iš pradžių viskas savaime suprantama – skaitiklis sukasi (energija naudojama, skola elektros tinklams auga), vandens temperatūra didėja. Elektros energija sunaudojama vandens temperatūrai pakelti. Vandens temperatūra kyla iki 100°C ir... sustoja. Vanduo verda, skaitiklis sukasi, o temperatūra stovi. Kadangi visi mes šiek tiek mokyti, todėl nusprendžiame, kad energija, taigi ir mūsų centai, negali tiesiog pradingti nieko nenuveikdami. Energija sunaudojama vandeniui išgarinti, t.y. pakeisti vandens struktūrą iš skystos į dujinę (garus). Jei žiūrėtume iš kitos pusės, galime pasakyti, kad vanduo garuodamas paima energiją iš viryklės, taigi ją šaldo.

Bet koks skystis garuodamas atšaldo su juo besiliečiančius daiktus arba aplinką. Tai pastebėsime, užlašinę eterio, acetono ar kitos lengvai garuojančios medžiagos ant rankos. Lygiai taip pat bet kokie garai kondensuodamiesi - virsdami skysčiu - išskiria šilumą. Galime sakyti, kad garai turi savyje energiją, kurią išskiria virsdami skysčiu. Skystis, virsdamas garais (dujomis), paima iš aplinkos tą patį energijos kiekį. Ši energija vadinama garavimo energija arba garavimo šiluma. Garavimo šiluma negali būti išmatuota termometru, ji nustatoma eksperimentiškai.       

Slėgio ir temperatūros priklausomybė

Šaldiklis kondicionieriuje cirkuliuoja uždaru kontūru. Šaldiklis du kartus keičia būseną: kondenseryje - iš dujinės į skystą, garintuve - iš skystos į dujinę. Tokia šaldiklio cirkuliacija vadinama šaldymo ciklu.

Šaldiklio, kaip ir bet kurių kitų dujų, temperatūra ir slėgis yra priklausomi. Kuo didesnis slėgis, tuo didesnė temperatūra. Žemiau parodyta šaldiklių R12 ir R134a, naudojamų automobilių kondicionieriuose, slėgio priklausomybė nuo temperatūros.

Šaldymo ciklas

Keisdami šaldiklio slėgį galime keisti ir jo temperatūrą. Kompresorius suslegia šaldiklio garus ir priverčia jį cirkuliuoti. Suslėgti aukštos temperatūros šaldiklio garai patenka į kondenserį. Čia šaldiklis atiduoda šilumą pro kondenserį pratekančiam oro srautui. Atšalę iki maždaug 50°C, šaldiklio garai kondensuojasi. Įvyksta pirmas iš dviejų fazinių virsmų. Automobiliuose naudojamos dvi skirtingos kondicionierių sistemos, kurios remiasi tuo pačiu principu, tačiau skiriasi šaldiklio srauto į garintuvą reguliavimu. Aukšto slėgio šaldiklio skystis patenka į slėgį sumažinantį įtaisą: plėtimosi vožtuvą arba plėtimosi vamzdelį, priklausomai nuo sistemos tipo. Į garintuvą patenka šaldiklio lašeliai, kurie išgaruoja, paimdami šilumą iš pratekančio pro garintuvą oro. Atšalęs oras tiekimas į automobilio saloną. Garintuve įvyksta antrasis fazinis virsmas. Žemo slėgio šaldiklio garai vėl patenka į kompresorių - ciklas kartojasi.

Taigi galime apibendrinti. Šaldiklis paima šilumą iš oro, pratekančio pro garintuvą, perneša šią šilumą ir atiduoda orui, pratekančiam pro kondenserį. Garintuvo zonoje oras yra atšaldomas. Toks procesas pagal visus iki šiol žinomus fizikos dėsnius negali vykti savaime, kadangi šiluma pernešama iš šaltesnės aplinkos į šiltesnę. Jis gali vykti tik su išorinės jėgos pagalba.

Sistemoje su plėtimosi vožtuvu šaldiklis iš kondenserio patenka į resiverį, kuris atlieka tris funkcijas: pašalina iš šaldiklio drėgmę, filtruoja jį nuo mechaninių priemaišų bei pašalina iš skysto šaldiklio garų burbuliukus. Ant resiverio arba ant vamzduko paprastai būna akutė, per kurią galima stebėti šaldiklio cirkuliaciją. Specialistas pagal tai gali įvertinti šaldiklio kiekį sistemoje bei diagnozuoti kai kuriuos gedimus. Iš resiverio šaldiklis patenka į plėtimosi vožtuvą, kuris tiekia šaldiklį į garintuvą, sumažindamas jo slėgį ir reguliuodamas srautą. Sumažėjus šaldiklio slėgiui, jis išgaruoja, paimdamas šilumą iš oro, pratekančio pro garintuvą. Iš garintuvo šaldiklio garai  patenka į kompresorių.

Sistemoje su plėtimosi vamzdeliu iš kondenserio šaldiklis patenka į plėtimosi vamzdelį. Plėtimosi vamzdelis sumažina  šaldiklio, tiekiamo į garintuvą, slėgį. Garintuve šaldiklis išgaruoja. Plėtimosi vamzdelis nereguliuoja šaldiklio srauto. Kai šaldiklio srautas per didelis, šaldiklis, išėjęs iš garintuvo dar yra pakankamai šaltas, atitinkamai sumažėja jo slėgis. Slėgio sumažėjimą fiksuoja jungiklis, kuris atjungia kompresorių. Slėgiui padidėjus, kompresorius vėl įsijungia. Išėjęs iš garintuvo šaldiklis patenka į akumuliatorių, kuris neleidžia skystai šaldiklio fazei patekti į kompresorių.

Garintuvo temperatūra negali nukristi žemiau 0°C, nes priešingu atveju jis apšaltų. Apšalus garintuvui pro jį nepraeitų oro srautas. Garintuvą nuo apšalimo saugo termostatas - elektroninis arba mechaninis prietaisas, atjungiantis kompresorių, kai garintuvo temperatūra nukrenta žemiau užduotos ribos.

Kompresorius

Kompresorius - kondicionieriaus širdis. Kompresoriaus paskirtis - suslėgti šaldiklį ir priversti į cirkuliuoti kondicionieriaus sistemoje. Į vieną, įsiurbimo, angą patenka žemo slėgio garai iš garintuvo, iš kitos angos aukšto slėgio garai patenka į kondenserį. Kadangi kompresorius gali suslėgti tiktai dujas, skystas šaldiklis, patekęs į kompresorių, gali jį sugadinti. Tai vadinama hidrauliniu smūgiu. Kompresorius montuojamas automobilio variklio skyriuje, sukimą gauna nuo alkūninio veleno, panašiai kaip generatorius ar vairo stiprintuvas. Kompresorius turi elektromagnetinę sankabą, kuri  įjungia arba išjungia kompresorių pagal vairuotojo arba valdymo sistemos komandas. Vienose sistemose, vairuotojui įjungus kondicionierių, kompresorius veikia pastoviai, kitose - periodiškai atsijungdamas.

Šiuo metu sutinkami trijų tipų kompresoriai: stūmokliniai, išcentriniai su mentelėmis, spiraliniai.

Stūmokliniai kompresoriai būna nuo vieno, dviejų iki dešimties cilindrų. Slėgį šio tipo kompresoriuose sukuria judantys stūmokliai. Šaldiklio srautą reikiama kryptimi nukreipia vožtuvai. Stūmokliniai kompresoriai gali būti kintamo darbinio tūrio. Tokiuose kompresoriuose stūmoklio eiga keičiasi, priklausomai nuo sistemos poreikio. Varikliui dirbant tuščia eiga arba esant aukštai temperatūrai stūmoklio eiga didesnė, negu varikliui dirbant dideliais sūkiais arba esant žemai aplinkos temperatūrai.

Išcentrinis kompresorius susideda iš rotoriaus, keleto mentelių ir korpuso. Kai rotorius sukasi, mentelės priglunda prie korpuso, suformuodamos tiek kamerų, kiek yra mentelių. Sukantis rotoriui kameros "juda" nuo įsiurbimo angos link išmetimo angos. Judant kameroms, jų tūris mažėja, atitinkamai dujos suslegiamos.

Spiraliniai kompresoriai turi dvi spirales. Viena jų yra nejudanti, kita ekscentriškai juda pirmojoje, sudarydama uždaras ertmes, kurios mažėja, artėdamos link centro. Kamerose esančios dujos suslegiamos ir išeina pro išmetimo angą.

Kondenseris

Kondenseris sudarytas iš plonų vamzdelių, tarp kurių yra plokštelės, padidinančios paviršiaus plotą. Tokia konstrukcija leidžia sutalpinti didžiausią plotą mažiausiame tūryje. Kondenseris montuojamas automobilio priekyje, prieš variklio aušinimo radiatorių, kad gautų šalto oro srautą automobiliui važiuojant arba veikiant ventiliatoriui. Geresniam kondenserio aušinimui gali būti sumontuotas papildomas elektrinis ventiliatorius. Kondenseris yra gaminamas iš aliuminio, kartais iš varinių vamzdelių. Kondenseris yra labiausiai pažeidžiama kondicionieriaus dalis. Įvykus avarijai, kai pažeidžiamas automobilio priekis, dažniausiai nukenčia ir kondenseris. Be to kondenseris labai nukenčia ir nuo aplinkos, ypač žiemą. Skirtingai negu variklio aušinimo radiatorius, kondenseris žiemą nėra intensyviai eksploatuojamas. Ant kondenserio patekusios druskos ir drėgmė ardo aliuminio paviršių. Korozija ypač apima plotus, kurie yra uždengti ir nėra natūralios ventiliacijos. Pasitaiko atvejų, kai kondenserį korozija įveikia per kelis metus. Dėl to patartina ir žiemą kartais įjungti kondicionierių, kad įkaitęs kondenseris išdžiūtų. Taip pat reikėtų jį periodiškai nuplauti.

Į kondenserį patenka aukšto slėgio karšti šaldiklio garai tiesiai iš kompresoriaus. Karštas šaldiklis, patekęs į kondenserio įėjimą viršuję, tekėdamas kondenserio vamzdukais atiduoda šilumą aplinkai. Garai atšąla, kol pasiekiamas kondensacijos taškas. Šaldiklis virsta skysčiu. Didžiausias šilumos kiekis atiduodamas būtent vykstant kondensacijai. Esant vidutiniam kondicionieriaus apkrovimui, dviejuose trečdaliuose kondenserio yra karšti šaldiklio garai, viename trečdalyje - šiltas skystis. Šiltas šaldiklis teka link garintuvo .

Garintuvas

Garintuvas sudarytas iš plonų vamzdelių, tarp kurių yra plokštelės, padidinančios paviršiaus plotą. Tokia konstrukcija leidžia sutalpinti didžiausią plotą mažiausiame tūryje. Garintuvas montuojamas automobilio salone, rečiau - variklio skyriuje.

Į garintuvą patenka šaldiklio lašeliai iš slėgį sumažinančio įtaiso: plėtimosi vožtuvo arba plėtimosi vamzdelio. Skysčio lašeliai išgaruoja, paimdami šilumą iš pratekančio pro garintuvą oro. Išgaravęs šaldiklis toliau juda link kompresoriaus.

Labai svarbu, kad per garintuvą tekėtų reikiamas šaldiklio srautas. Kai šaldiklio per daug, garintuvas yra "užpilamas". Šaldiklis garintuve neišgaruoja ir neužverda, pratekėdamas per garintuvą skystas. Tokiu atveju nėra šaldymo efekto. Kai šaldiklio srautas per mažas, visas šaldiklis išgaruoja vamzdukuose, nepriėjęs garintuvo arba garavimo procesas vyksta mažesnėje garintuvo dalyje. Todėl taip pat  negaunama šaldymo efekto.

Plėtimosi vožtuvas

Plėtimosi vožtuvas montuojamas prieš garintuvą. Jo paskirtis - sumažinti slėgį ir reguliuoti šaldiklio srautą į garintuvą. Iki plėtimosi vožtuvo šaldiklis yra skystas, aukšto slėgio, po plėtimosi vožtuvo - skystas (skysčio lašeliai), žemo slėgio. Plėtimosi vožtuvo kapiliaras liečiasi prie žemo slėgio vamzduko, išeinančio iš garintuvo. Kai žemo slėgio vamzduko temperatūra nukrenta, vožtuvas sumažina šaldiklio srautą į garintuvą. Sumažėjus garuojančio šaldiklio kiekiui, garintuvo išėjimo vamzduko temperatūra šiek tiek pakyla. Tuomet vožtuvas padidina šaldiklio srautą.

Resiveris

Resiveris montuojamas tarp kondenserio ir plėtimosi vožtuvo. Jis atlieka kelias funkcijas: filtruoja šaldiklį nuo mechaninių priemaišų, pašalina iš jo drėgmę, saugo šaldiklio perteklių bei pašalina iš šaldiklio garų burbuliukus, tiekdamas jį į plėtimosi vožtuvą. Resiveris - tai uždaras metalinis cilindras su dviem - įėjimo ir išėjimo - angom. Jame suformuoti kanalai šaldikliui tekėti, yra filtruojantis elementas bei drėgmę sugerianti medžiaga.

Plėtimosi vamzdukas

Plėtimosi vamzdukas montuojamas prieš garintuvą, vamzdelio viduje. Jo paskirtis - sumažinti šaldiklio slėgį. Iki plėtimosi vamzduko šaldiklis yra skystas, aukšto slėgio, po plėtimosi vamzduko  - skystas (skysčio lašeliai), žemo slėgio. Plėtimosi vamzdukas nereguliuoja šaldiklio srauto. Kai šaldiklio srautas tampa per didelis, temperatūra garintuvo išėjime sumažėja, atitinkamai sumažėja ir slėgis. Esant tam tikram slėgiui, suveikia slėgio jungiklis, atjungiantis kompresorių. Sustojus šaldiklio srautui, temperatūra, taigi ir slėgis garintuve kyla ir, pasiekęs tam tikrą vertę, kompresorius vėl įsijungia.

Akumuliatorius

Akumuliatorius montuojamas tarp garintuvo ir plėtimosi vamzduko. Jis filtruoja šaldiklį nuo mechaninių priemaišų, pašalina iš jo drėgmę, saugo šaldiklio perteklių bei apsaugo kompresorių nuo skysto šaldiklio (hidraulinio smūgio). Akumuliatorius - tai uždaras metalinis cilindras su dviem - įėjimo ir išėjimo - angom. Jame suformuoti kanalai šaldikliui tekėti, yra filtruojantis elementas bei drėgmę sugerianti medžiaga.