Динамика хладагента R134a в автомобильных климатических системах

Диаграмма R134a (диаграмма lg p–h) показывает состояние хладагента в цикле автокондиционера: по вертикали — давление, по горизонтали — энтальпия. Цикл на ней — четыре линии: сжатие в компрессоре, охлаждение и конденсация в конденсаторе, дросселирование в расширительном клапане и кипение в испарителе. Длина участка испарения по энтальпии показывает, сколько тепла снимает 1 кг хладагента.

Цикл работы хладагента

Цикличность состояний. В климатической системе автомобиля хладагент R134a проходит через различные состояния в зависимости от давления, температуры и энергоемкости, возвращаясь в исходное состояние.

Анализ энергоемкости

Значение энергоемкости. Определяет необходимое количество энергии для испарения и конденсации хладагента, чтобы достичь нужной хладопроизводительности.

Физические характеристики R134a

• Температура кипения: −26,5 °C.
• Температура замерзания: −101,6 °C.
• Критическая температура: 100,6 °C.
• Критическое давление: 4,056 МПа (40,56 бар).

Роль R134a в экологическом аспекте

Экологическая безопасность. R134a более предпочтителен с точки зрения воздействия на озоновый слой, в отличие от более старых хладагентов, содержащих хлор.

Тренды и инновации в хладагентах

Будущее хладагентов. Разработка новых, более эффективных и экологически безопасных хладагентов продолжается, с целью улучшения производительности и минимизации воздействия на окружающую среду.

Формула, свойства и таблица давлений насыщения хладагента приведены в статье хладагент R134a.

Состояние R134a в точках цикла

Связь давления и температуры кипения — в статье давление и точка кипения; свойства и обозначения хладагентов — в статье хладагент автомобильного кондиционера. Тот же холодильный цикл в промышленном масштабе работает в чиллерах для охлаждения воды — подбор чиллера онлайн.

Цикл R134a в цифрах: давление, температура, энтальпия в четырёх точках

Цикл автокондиционера на R134a при кипении 0 °C и конденсации +50 °C даёт 139 кДж холода на каждый килограмм хладагента при работе сжатия 32 кДж/кг — холодильный коэффициент 4,3. Ниже — четыре точки этого цикла, рассчитанные по уравнению состояния NIST для перегрева 5 K на выходе испарителя и переохлаждения 5 K после конденсатора.

Из таблицы считаются три главных числа цикла: удельная холодопроизводительность q₀ = h₁ − h₄ = 403 − 264 = 139 кДж/кг; работа сжатия w = h₂ − h₁ = 435 − 403 = 32 кДж/кг; тепло конденсатора q_к = h₂ − h₃ = 171 кДж/кг — ровно сумма первых двух. Холодильный коэффициент COP = q₀ / w = 4,3: на каждый киловатт работы компрессора кондиционер переносит 4,3 кВт тепла из салона на улицу.

m = Q₀ / q₀ = 5 кВт / 139 кДж/кг = 0,036 кг/с ≈ 130 кг/ч

Столько хладагента прокачивает компрессор, чтобы дать салону 5 кВт холода; при заправке 600 г весь объём проходит через контур примерно каждые 17 секунд. Отсюда же требование к заправке по массе: недостача 100 г — это 15 % жидкости в ресивере, и в жару испаритель начинает «голодать».

Как пользоваться диаграммой lg p–h

Диаграмма lg p–h читается так: вертикальная ось — давление в логарифмическом масштабе, горизонтальная — энтальпия, купол посередине отделяет жидкость (слева) от пара (справа), а внутри купола хладагент кипит или конденсируется при постоянной температуре. Любой процесс в контуре — это отрезок на диаграмме, и его длина по горизонтали равна подведённому или отведённому теплу.

1. Найти давление на низкой стороне (манометр всасывания плюс 1 бар атмосферы) и провести горизонталь — это линия испарителя; точка её пересечения с правой ветвью купола даёт температуру кипения.
2. Найти давление нагнетания и провести вторую горизонталь — линия конденсатора.
3. Точку 1 поставить правее купола на величину перегрева по изотерме, точку 3 — левее купола на величину переохлаждения.
4. От точки 1 подняться по линии постоянной энтропии до давления конденсации — точка 2, температура нагнетания читается по изотерме.
5. От точки 3 опустить вертикаль до давления испарения — точка 4; доля пара после клапана видна по линиям сухости внутри купола.

Длина отрезка 4–1 — холод, отрезка 1–2 — работа, отрезка 2–3 — тепло на улицу. Теория диаграммы и линии постоянной температуры, энтропии и сухости — в статье энтальпия и в статье о цикле на диаграмме T–s; практические цифры давлений и температур на узлах — в статье устройство автомобильного кондиционера.

Что меняется в цикле в жару и при грязном конденсаторе

В жару линия конденсатора на диаграмме поднимается: при +65 °C конденсации давление нагнетания растёт с 13 до 19 бар, холод на килограмм падает со 139 до 116 кДж/кг, работа сжатия растёт с 32 до 40 кДж/кг, и холодильный коэффициент проседает с 4,3 до 2,9. Компрессор при этом качает тот же объём, то есть салон получает на 15–20 % меньше холода, а двигатель отдаёт на 25 % больше мощности — именно поэтому в пробке при +35 °C кондиционер «не тянет».

Грязный конденсатор или остановившийся вентилятор делают то же самое при любой погоде: температура конденсации растёт на 10–15 K, и цикл сдвигается вверх. Отсюда правило сервиса: прежде чем искать неисправность в контуре, промыть конденсатор и проверить вентилятор. Как устроен и чем забивается конденсатор кондиционера автомобиля — в отдельной статье.

R1234yf на той же диаграмме: почему заправка меньше, а расход больше

У R1234yf при тех же 0 °C кипения и +50 °C конденсации удельный холод 106 кДж/кг против 139 у R134a — на 24 % меньше, поэтому для 5 кВт его нужно прокачивать 47 г/с вместо 36. Работа сжатия у него тоже ниже (26 против 32 кДж/кг), и холодильный коэффициент почти тот же — 4,1; температура нагнетания ниже примерно на 9 K, что продлевает жизнь маслу. Давления совпадают с R134a в пределах 0,3 бар, поэтому манометры и методика диагностики общие, но порты и заправочная масса — разные.

В промышленных чиллерах цикл строят на этой же диаграмме для R410A: у чиллера 12 кВт ВМТ-Ксирон кипение +2 °C при 8 бар и конденсация +45 °C при 27 бар, удельный холод около 160 кДж/кг — по тем же четырём точкам подбирают компрессор и испаритель; как считать мощность по воде — в статье расчёт мощности чиллера.

Частые вопросы

Что показывает диаграмма фреона 134а?

Связь давления, температуры и энтальпии хладагента R134a в жидком, двухфазном и паровом состоянии. На ней строят холодильный цикл и находят холодопроизводительность и работу сжатия на 1 кг хладагента.

Как по диаграмме R134a определить холодопроизводительность?

Найти энтальпию хладагента на входе в испаритель и на выходе из него; их разность — удельная холодопроизводительность, кДж/кг. Умножив её на массовый расход, получают мощность охлаждения.

Где хладагент жидкий?

Между конденсатором и расширительным устройством — от выхода конденсатора через ресивер-осушитель до клапана; на диаграмме это точка 3 левее купола. После клапана хладагент уже смесь (около 30 % пара), а после испарителя и до выхода из конденсатора — пар.

Какая трубка горячая, а какая холодная?

Толстая трубка на всасывании (точка 1) холодная, около +5…+10 °C, и потеет; тонкая от компрессора к конденсатору (точка 2) горячая, +60…+80 °C; тонкая жидкостная от конденсатора к клапану (точка 3) тёплая, +40…+50 °C. Отклонение от этой картины — первый признак неисправности.

Почему R134a?

Он безопасен для озонового слоя (не содержит хлора), негорюч и даёт давления, удобные для автомобильных компрессоров: 2–3 бар на всасывании и 12–18 бар на нагнетании. Из-за высокого парникового потенциала (GWP 1430) в новых машинах его заменил R1234yf с почти теми же давлениями, но меньшим удельным холодом.

Сколько холода даёт 1 кг R134a?

Около 139 кДж при кипении 0 °C и конденсации +50 °C с перегревом и переохлаждением по 5 K — это разность энтальпий на входе и выходе испарителя. В жару при конденсации +65 °C — только 116 кДж/кг. Для 5 кВт холода компрессор прокачивает 36 г/с, то есть всю заправку 600 г каждые 17 секунд.

Какая температура на выходе компрессора кондиционера?

Около +60 °C при нормальной конденсации +50 °C и до +80…+90 °C в жару или при грязном конденсаторе; выше +100…+110 °C масло PAG начинает разлагаться. Температуру нагнетания находят на диаграмме в точке 2 — пересечении линии постоянной энтропии от точки 1 с давлением нагнетания.

Читайте также

• Хладагент
• Давление и точка кипения
• Хладагент и озоновый слой
• Холодильное масло