Как это устроено?.. Кондиционеры

См. также № 1, 3, 5, 7, 9, 11/09

Кондиционеры. Тепловая энергия обычно передаётся от горячих тел к холодным. Именно поэтому воздух в комнате нагревается, если снаружи жарко. Кондиционер выполняет обратную задачу: передаёт какое-то количество тепла из комнаты наружу. Это возможно при использовании химических веществ – так называемых рабочих жидкостей, или хладагентов, способных легко переходить из газообразного состояния в жидкое и обратно. Для управления переходами между этими двумя агрегатными состояниями хладагента (обычно это фреон) внутри кондиционера изменяют давление и плотность хладагента. На поверхности раздела газ–жидкость всегда идёт активная «жизнь»: молекулы снуют туда-сюда – вылетают из жидкости в газ и возвращаются назад. Если давление газа понизить, больше молекул будет вылетать из жидкости, чем возвращаться обратно, т.е. жидкость начнёт испаряться. Наоборот, если давление повысить, то больше молекул будет возвращаться в жидкость, чем вылетать из неё, – начнётся процесс конденсации. Именно эти свойства и используют, когда пропускают хладагент через различные узлы кондиционера, заставляя его переходить из одного агрегатного состояние в другое с выделением или поглощением тепла.

• В Персии тысячи лет назад использовались кондиционеры в виде шахты, в которой размещались пористые сосуды с водой или протекала вода из источника. Воздух в шахте охлаждался, насыщался влагой и подавался в помещение. Устройство было сравнительно эффективно для жаркого и сухого климата, но не смогло бы работать при высокой относительной влажности воздуха.
В Индии летом в качестве двери использовался каркас, обвитый индийской кокосовой пальмой — татти. Сверху двери устанавливалась ёмкость, которая медленно заполнялась водой за счёт капиллярного эффекта татти. Когда уровень воды достигал определённого значения, ёмкость опрокидывалась, орошая водой дверь. Цикл многократно повторялся, пока пальма оставалась живой и получала достаточно света.

В XIX в. М.Фарадей обнаружил, что сжатие и сжижение определённого газа охлаждают воздух. Электрический способ кондиционирования воздуха изобрёл Уиллис Кэррьер примерно в 1902 г. Он же разработал первый кондиционер для типографии в Бруклине (Нью-Йорк). Летом постоянное изменение температуры и влажности не позволяло добиться качественной цветопередачи при печати. Аппарат охлаждал воздух до постоянной температуры и осушал его до 55%. Своё устройство он назвал «аппаратом для обработки воздуха» [ru.wikipedia.org/wik].

• Пары хладагента, проходя по контуру испарителя, нагреваются за счёт тепла воздуха в помещении и достигают компрессора уже в очень разреженном состоянии. В компрессоре газ сжимается, его плотность возрастает, температура повышается. Проходя далее по контуру конденсатора, этот газ отдаёт тепло наружному воздуху, охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость. Цикл повторяется.

• Поскольку на отделение молекул жидкости друг от друга требуется энергия, рабочая жидкость при испарении поглощает тепло из окружающей среды. Рабочая жидкость поступает в так называемый терморегулирующий вентиль (ТРВ), который в простейшем случае представляет собой капилляр (длинную тонкую медную трубку, свитую в спираль), ограничивающий поток жидкости. На выходе ТРВ давление хладагента существенно понижается, часть хладагента быстро испаряется, его температура понижается. Далее смесь жидкого хладагента с его же парами поступает в контур испарителя, где испарение продолжается, а необходимая для этого энергия забирается из помещения. В результате воздух внутри комнаты охлаждается.

Продолжение следует

Scientific American, 1999, August, p. 100–101.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.Козловой