سیستم تهویه مطبوع خودرو

مقدمه
امروز سيستم تهويه مطبوع جايگاه ويژه اي در خودرو دارد. سرنشينان خودرويي كه از سيستم تهويه مطبوع پيشرفته و مجهزي برخوردار است، احساس آرامش مي كنند و چه بسا در شرايط سخت رانندگي در جاده هاي طولاني، به دليل داستن اين سيستم، سختي هاي سفر را بر خود هموار سازند و آن را با خاطره اي خوش به پايان رسانند.

سيستم هاي تهويه مطبوع پس از سال ها سير تكاملي، به شكل امروزي خود رسيده اند. اين سيستم در ابتدا از سرنشينان خودرو در برابر تابش مستقيم نور خورشيد يا بادهاي شديد محافظت مي كرد. پس از مدتي، سيستم گرمايش براي غلبه بر سرما طراحي شد و بالاخره با ساخت كولر، هوايي مطبوع و خنك در اتاق خودرو فراهم آمد. با توجه به جايگاه مهم سيستم تهوية مطبوع، بهتر است با روش و اصول كاركدر آن بيشتر آشنا شويم تا در مراحل گسترده تر، به رفع عيوب اين سيستم بپردازيم و با استفادة صحيح از آن، بيشترين بهره را از سيستم تهويه مطبوع ببريم.
تهويه مطبوع در خودرو
تهويه مطبوع در اتومييل ها از نظر كار و طرح با هم شبيه هستند، ولي كارخانجات سازنده خودروها از اجزاء متفاوتي براي بكار انداختن و كنترل اجزاء در محدوده مشخصات خود استفاده مي كنند.
عمل سرماسازي (برودت) در سيستم كولر

عمل سرماسازي در سيستم كولر خودرو از گردش گاز ۱۲-R (ماده سرماساز) در يك مدار بسته انجام مي گيرد. گاز ۱۲-R به حالت بخار از طرف اواپراتور (تبخيركننده) بوسيله كمپرسور مكيده مي شود و پس از فشردن ۱۴bar در كمپرسور و افزايش دما حدود ۸۰ درجه سانتيگراد بطرف كندانسور (رادياتور كولر) رانده مي شود. در كندانسور گاز داغ و فشرده خنك مي شود با خنك شدن گاز

تقريباً تبديل به مايع يعني تقطير مي گردد. و از آنجا به طرف رطوبت گير (رسيور) رطوبت و ناخالصي آن گرفته مي شود و به صورت مايع كامل بطرف اواپراتور حركت مي كند، قبل از ورود به اواپراتور با عبور از شيرانبساط بواسطه گشاد بودن مسير فشار آن بشدت كاهش و منبسط مي گردد و در اواپراتور به سرعت تبخير مي گردد. سرعت تبخير سرماي زيادي را ايجاد مي نمايد كه توسط فن كولر تهويه هواي تازه محيط يا هواي محيط اطاق خودرو از اطراف اواپراتور عبور داده مي شود به اين

معني كه حرارت اطاق خودرو را جذب خود مي كند و ماده سرماساز بصورت بخار مجدداً بطرف كمپرسور مكيده مي شود. اين سيكل تا زماني كه كمپرسور كار مي كند ادامه دارد در اين سيستم كار كمپرسور توسط جريان برق كه از كلاچ كمپرسور عبور داده مي شود ايجاد ميدان مغناطيسي كلاچ با محور كمپرسور درگير شده و با نيروي موتور كه توسط تسمه به پولي كلاچ متصل مي باشد حركت مي نمايد. در حالتي كه اواپراتور زياد سرد مي شود توسط ترموستاتي كه به اواپراتور متصل مي باشد مسير گاز را در شيرانبساط مسدودتر مي نمايد تا از يخ زدن هواي اطراف اواپراتور جلوگيري نمايد.
كولر
كولر دستگاهي است كه هواي اتاق را سرد مي كند و در صورتي كه رطوبت هوا زياد باشد، آن را كاهش مي دهد.
قانون عمومي سرمايش
در فصل تابستان گاهي اوقات پس از شنا احساس سرما يا خنكي مي كنيم. علت اين پديده آن است كه با توجه به گرماي خورشيد، آب روي پوست ما تمايل به تبخير دارد. آب، گرماي تبخير خود را از پوست بدن مي گيرد و با كاهش گرماي روي پوست، احساس سرما به ما دست مي دهد. مثال ديگر اين است كه اگر مقداري الكل روي دستمان بريزيم، به علت تبخير الكل از روي سطح پوست، احساس سرما مي كنيم. از اين روش مي توان در سيستم هاي سرمايش استفاده كرد. اين روش مبتني بر قانوني است كه مي گويد: هر ماده اي براي تبخير مجبور به جذب حرارت از

محيط اطراف خود و در نتيجه سرد كردن محيط است.
در ظرفي كه كاملاً نسبت به محيط اطراف عايق بوده و شير كنترل بخار دارد، اگر مقداري مايع مبرّد بريزيم، اين ماده به هنگام تبخير، گرماي هواي ظرف را جذب خود مي كند. با اين كار، دماي هواي داخل ظرف از دماي هواي محيط خارج سردتر مي شود. همان گونه كه در شكل صفحة بعد نشان داده شده است، هنگام باز كردن شير بخار، بخارات مبرّد به سمت خارج رانده مي شوند. تا زماني كه شير باز نشده باشد، دماي هواي درون ظرف سرد مي شود. با اين روش مي توان در سيستم سرمايش نيز توليد سرما كرد. براي توليد سرما، بايد مايع مبرّد را زياد كنيم كه در نهايت اين مايع تمام مي شود. از اين رو استفاده از مايع مبرّد غيراقتصادي است. روش مناسب توليد سرما، تبديل گاز به مايع و تبخير مجدد آن است.
مبرّد
مبرّد ماده اي سيال مانند است كه در سيستم تبريد به كار مي رود و با انبساط و تبخير خود سرما توليد مي كند.
رايج ترين مبرّدي كه در سيستم سرمايش خودرو به كار مي رفت، ”۱۲ ـ R” بود كه شكلي از گاز فريون است. اين مبرّد به دليل تخريب لاية اوزون، ديگر به كار نمي رود.

ويژگيهاي فريون ۱۲ـ R
همان طور كه مي دانيد، در فشار جو، آب در دماي ۱۰۰ درجة سانتي گراد يا ۲۱۲ درجة فارنهايت به جوش مي آيد، در حالي كه ”۱۲ ـ R” در دماي ۸/۲۹- درجة سانتي گراد يا ۶/۲۱- درجة
فارنهايت تبخير مي شود.
اگر فشار به ۲ kg / cm 2 تبديل شود، ۱۲ـ R در دماي ۱۳- درجة سانتي گراد يا ۶/۸ درجة فارنهايت بخار خواهد شد. در حالي كه در اين شرايط، آب در دماي ۱۲۱ درجة سانتي گراد يا ۲۵۰ درجة فارنهايت به جوش مي آيد. حال اگر مبرّد ۱۲ـ R را در دماي عادي اتاق و در شرايط فشار استاندارد قرار دهيم، گرماي محيط را جذب و بسرعت تبديل به گاز مي شود. فريون ۱۲ تحت فشار مناسب مي تواند براحتي با گرفتن گرما و انتقال آن به محيط، تبديل به مايع شود.
نمودار صفحة بعد ارتباط مبرّد فريون ۱۲ را با دما و فشار محيط نشان مي دهد. اين منحني نشان مي دهد كه فريون ۱۲ در چه فشار و دمايي تبخير مي شود. قسمت بالايي نمودار، حالت گازي مرد و قسمت پاييني آن مرحلة مايع مبرّد را نشان مي دهد.
مبرّد با روش هاي نشان داده شده در نمودار زير، تبديل به مايع مي شود. مي توان با افزايش فشار و بدون كاهش دما، مبرد را از حالت گازي به حالت مايع رساند و يا بدون تغيير فشار و با كاهش دما، آن را به مايع تبديل كرد. اين حالت ها در مسير ۱ و ۲ نمودار نشان داده شده اند.
با ثابت نگه داشتن دما و كاهش فشار يا با ثابت نگه داشتن فشار و افزايش دما مي توان مايع مبرد را تبديل به گاز كرد.
توضيح آنكه هر اتمسفر معادل ۱/۰۳kg / cm2 يا ۷۶۰mmHg يا ۱bar ، معادل ۰/۱mpa است.
قسمتهاي مهم سيستم كولر
اجزاء تشكيل دهنده سيستم كولر
۱ـ كمپرسور ۲ـ كندانسور
۳ـ اواپراتور (تبخيركننده) ۴ـ رسيور (خشك كننده)
۵ـ سوپاپ اطمينان ذوبي ۶ـ سوپاپ انبساط (شيرانبساط)
۷ـ سوئيچ ترموستاتيك
۱ـ كمپرسور

يك پمپ دوار با طراحي مخصوص كه وظيفه مكش و فشردن گاز را بر عهده دارد و حركت خود را از تسمه بوسيله موتور مي گيرد. دماي خروجي كمپرسور حدود ۸۰ درجه سانتيگراد و فشار حدود ۱۲ bar مي باشد.
۲ـ كندانسور (رادياتور كولر)
در جلو رادياتور نصب مي شود كه گاز متراكم شده در كمپرسور با دماي ۸۰ درجه سانتيگراد پس از ورود به داخل كندانسور دماي خود را تا حدود ۴۵ درجه سانتيگراد از دست مي دهند و بصورت مايع در مي آيد.
۳ـ اواپراتور (مخزن انبساط ـ تبخير)
در قسمت جلو اطاق خودرو نسب مي شود و وظيفه آن انتشار برودت به داخل اطاق مي باشد.
۴ـ رسيور (رطوبت گير)
داراي سه وظيفه مي باشد. الف: جذب ذرات و ناخالصي
ب: جذب رطوبت از ماده مبرّد
ج: ذخيره نمودن ماده سرماساز در حالتي كه كولر متوقف مي باشد.
۵ـ سوپاپ اطمينان ذوبي
روي كپسول رسيور يك سوپاپ اطمينان وجود دارد تا در صورتيكه دماي گاز از حدود ۱۰۵ درجه سانتيگراد تجاوز كرد سوپاپ ذوبي عمل و گاز تخليه گردد.
۶ـ شيرانبساط
وظيفه آن كنترل ورود مقدار معيني از ماده به داخل اواپراتور و همچنين كمك به كم كردن فشار ماده سرماساز جهت راندمان بيشتر مي باشد.
۷ـ ترموستات
ترموستات از يك طرف به شيرانبساط و مخزن آن مجاور اواپراتور نصب مي شود تا مانع ورود ماده مبرد از شيرانبساط به اواپراتور و جلوگيري از يخ زدن آن شود.
اساس كار سيستم سرمايش خودرو

انبساط و تبخير
در سيستم تبريد مكانيكي، هوا به روش زير سرد مي شود:
ابتدا مايع مبرد درون ظرفي تحت دما و فشار بالا ذخيره مي شود كه به آن ظرف «رسيور» يا «مخزن ذخيره» مي گوييم. سپس مايع مبرد را از دهانة ريزي به نام «شيرانبساط» عبور مي دهيم. در اين هنگام دما و فشار مايع مبرد كاهش پيدا مي كند. بيشتر مبردها در اين حالت بخار مي شوند.
مبرد در فشار و دماي پايين به سمت محفظه اي به نام «اواپراتور» جريان مي يابد. در اين ظرف، مايع مبرد بخار مي شود. هنگام اين فرايند، گرماي هواي محيط اطراف جذب مبرد مي شود.
تقطير مبرد
همان گونه كه گفتيم، در سيستم تبريد مكانيكي، مي توان مبرد را با افزايش فشار و سپس كاهش دما به صورت مايع درآورد.
هنگامي كه مبرد گازي اواپراتور را ترك مي كند، به وسيلة «كمپرسور» متراكم مي شود. در «كندانسور» مبرد متراكم شده، گرماي خود را به محيط انتقال مي دهد. پس از آن مبرد تقطير و به مايع تبديل مي شود. در پايان، اين مايع به مخزن ذخيره باز مي گردد.
چرخة تبريد
۱ـ مبردي كه با فشار و دماي بالا از كمپرسور خارج مي شود، علاوه بر گرماي جذب شده از اواپراتور، گرماي تشكيل شده در كمپرسور را نيز داراست.
۲ـ مبرد گازي شكل در كندانسور جريان مي يابد و به مبرد مايع تبديل مي شود.
۳ـ مايع مبرد به سمت مخزن ذخيره جريان پيدا مي كند و در اين محل ذخيره و به وسيلة فيلتر رطوبت گيري مي شود. تا زماني كه اواپراتور به مبرد نياز نداشته باشد، مايع مبرد از مخزن ارسال نمي شود.
۴ـ شيرانبساط، مايع مبرد را به مخلوط دومرحله اي (گاز ـ مايع) و داراي فشار و دماي پايين ت

بديل مي سازد.
۵ـ اين مبرد دومرحله اي در اواپراتور به جريان مي افتد. با تبخير مايع در اواپراتور، هواي گرم كه از روي اواپراتور عبور مي كند، گرما مي گيرد و مايع مبرد به گاز تبديل مي شود. پس از آن مبرد گازي شكل به سوي كمپرسور جريان مي يابد و اين فرايند مجدداً تكرار مي شود.
كمپرسور
كمپرسور پمپي است كه براي افزايش فشار مايع مبرد طراحي شده است. منظور از افزايش فشار، افزايش دماست. بخار مايع مبرد در دماي بالا بسرعت تقطير مي شود و انرژي گرمايي خود را به محيط پس مي دهد.
كمپرسورها را مي توان به ۳ شكل زير طبقه بندي كرد:
۱ـ كمپرسور رفت و برگشتي (خطي)
۲ـ كمپرسور دوراني
۳ـ كمپرسور صفحه مورب
نوع رفت و برگشتي يا خطي
در كمپرسور رفت و برگشتي، حركت دوراني ميل لنگ ناشي از حركت رفت و برگشتي پيستون است.
مدل دوراني
در اين مدل، پره ها از ميان يكديگر و در جهت مخالف هم به صورت اجزاي مركب قرار مي گيرند. هر كدام از اين پره ها در زواياي مستقيم بر روي شيارهاي موتور قرار گرفته اند. هنگامي كه موتور شروع به كار مي كند، پره ها در جهت شعاع دوران و انتهاي خود، در داخل به خموازات سطح سيلندر از يك طرف به سمت ديگر حركت مي كنند.
كندانسور يا واحد تقطير
كندانسور براي سرد كردن و گرفتن گرما از گاز مبرد به كار مي رود. در كمپرسور، مبرد تبديل به گازي با دما و فشار بالا مي شود كه كندانسور آن را به مايع مبرد تبديل مي كند.

گرماي گرفته شده از مبرد گازي شكل، شامل گرماي جذب شده در اواپراتور و گرماي ناشي از كار كمپرسور در هنگام تراكم مبرد است.
گرماي آزاد شده از كندانسور به شرطي اثر تبريد را افزايش مي دهد كه به وسيلة اواپراتور قابل دسترسي باشد. به تازگي كندانسورهاي جديدي ساخته شده اند كه مانند مدل هاي قديمي از فن رادياتور استفاده نمي كنند و داراي فن مستقلي هستند.

مخزن ذخيره / خشك كن
براي ذخيرة موقتي، مبرد مايع شده به وسيلة كندانسور و نيز زدودن ناخالصي و رطوبتي كه به سيستم تهويه آسيب مي زند، مخزن ذخيره طراحي شده است. براي تهية اين مخزن از فيلتر و خشك كن استفاده مي كنيم. در بالاي مخزن چشمي شيشه اي نيز براي ديدن ورود و خروج مبرد كار گذاشته شده است.
اگر گاز مبرد در رطوبت داشته باشد، باعث زنگ زدگي اجزاي سيستم مي شود. علاوه بر اين، رطوبت سبب مي شود مبرد در دهانة شيرانبساط يا در اواپراتور يخ بزند. براي جلوگيري از بروز اين گونه مشكلات، از خشك كن استفاده مي كنند.
چشمي شيشه اي قابل ذوبي كه در بالاي مخزن ذخيره و خشك كن نصب شده است. نقش سوپاپ اطمينان را دارد. اين چشمي شيشه اي كه پيچ ذوب نيز ناميده مي شود، از پركنندة لحيمي مخصوصي تشكيل شده است كه در مركز پيچ قرار دارد. اگر كاركرد كندانسور مختل شود يا سرمايش به طور مفرط افزايش يابد، فشار در كندانسور و مخزن ذخيرة خشك كن بالا مي رود و خطر تركيدن سيستم لوله كشي پيش مي آيد. براي جلوگيري از اين حالت در فشارهاي بالا (حدود ۳۰ kg/cm2 و دماي ۱۰۰ درجة سانتي گراد) فلز لحيمي مخصوص داخل درپوش زودگداز، ذوب مي شود و به مبرد براي تخليه به اتمسفر اجازة خروج مي دهد و به اين ترتيب از رسيدن هرگونه خسارت به سيستم تبريد جلوگيري مي كند.
در بعضي سيستم هاي جديد، مدل ديگري را به كار مي برند كه هم سبك تر و هم كوچك تر از مدل ياد شده است. در اين مدل، اتصالات لوله نيز با روش جديدي طراحي و تعبيه شده است.
واحد سرمايش
واحد سرمايش، تشكيل شده است از: اواپراتور، موتوردمنده، فن، شيرانبساط و ظرف تخليه اي كه در اتاقك سرنشين نصب شده است. در بعضي مدل ها، موتوردمنده و فن به صورت يكپارچه در واحد سرمايش قرار نگرفته اند.

ظرف تخليه محفظه اي در واحد سرمايش است كه هدف آن جمع آوري آب تقطيرشده به وسيلة اواپراتور و تخلية آن به سمت خارج است. تشتك يا ظرف تخليه به گونه اي طراحي شده است كه از زنگ زدگي در قسمت سرنشين جلوگيري مي كند. شيرانبساط و اواپراتور در قسمت بعدي تشريح خواهند شد.
شير انبساط
مايع مبرد پس از عبور از ميان مخزن ذخيره و خشك كن، از روزنه اي كوچك به سمت خارج تزريق مي شود. در اين مرحله، مايع مبرد ناگهان منبسط مي شود و فشار و دماي آن
كاهش مي يابد.
شيرهاي انبساط به دو گونة زير تقسيم مي شوند:
۱ـ شيرانبساط فشار ثابت
۲ـ شيرانبساط حرارتي
با توجه به بار اواپراتور، شرايط خروجي آن بايد به گونه اي باشد كه مايع مبرد بتواند گرماي نهان تبخير خود را از محيط اطراف بگيرد و به صورت كامل تبخير شود. در غير اين صورت، مايع مبرد نمي تواند به طور كامل در چرخه اي مشخص و شرايطي مناسب جريان پيدا كند.
شيرانبساط حرارتي براي تنظيم جريان مبرد به كار مي رود و بخار مبرد به صورت بخار فوق گرم از اواپراتور خارج مي شود. در اين زمان، اختلاف دما بين بخار مبرد و بخار اشباع، ثابت است. بنابراين با استفاده از شيرانبساط حرارتي، اواپراتور تنها مقدار لازم از مبرد را تبخير مي كند. اين كار باعث مي شود كه از بيشترين ظرفيت اواپراتور بهره ببريم و تمام اجزاي سيستم بخوبي و با بهترين بازدهي كار كنند. پس از آنكه مبرد در كندانسور به مايع تبديل شد، حركت عمودي شير سوزني ميزان جريان مبرد را كنترل مي كند. ميزان اين حركت به اختلاف فشار بخار P داخل لولة حسگر گرما و مجموع فشارهاي ” Ps ” و ” Pe ” بستگي دارد. فشار Ps فشاري است كه از فشار فنر گرفته مي شود و فشار Pe فشار بخار در داخل اواپراتور است.
اكنون اجازه دهيد زماني كه ميزان بار سرمايش زياد است را در نظر بگيريم. هنگامي كه بار سرمايش زياد است، دماي گاز مبرد در حين عبور از خروجي اواپراتور بالاست. بنابراين دما و فشار درون لولة حسگر گرما نيز بالا مي رود. در اين حالت، ساچمه به سمت پايين فشار مي آورد و باعث مي شود مقدار زيادي مبرد جريان يابد. هنگامي كه بار سرمايش كمتر مي شود، برعكس حالت يادشده اتفاق مي افتد و مقدار كمتري مبرد جريان مي يابد.
در شيرانبساط حرارتي، يك كتعادل كنندة داخلي يا خارجي تعبيه شده كه كاركرد آنها به فش

ار داخلي اواپراتور بستگي دارد، اما هر دو نوع از يك قانون تبعيت مي كنند.
اواپراتور يا واحد تبخير
كار اواپراتور برعكس كندانسور است. مبرد پيش از رسيدن به شيرانبساط، ۱۰۰ درصد مايع است. به محض اينكه فشار مبرد افت مي كند، مايع به جوش مي آيد. در اواپراتور اين كار با جذب حرارت و گرما از هواي عبوري روي فين هاي سرمايش انجام مي پذيرد كه در نتيجة آن هواي محيط سرد مي شود.
جنس اواپراتورها از آلومينيم است و ۳ نوع از آنها در بازار موجود است:
۱ـ داراي فين لوله اي
۲ـ داراي فين مارپيچ
۳ـ داراي فين صفحه اي
ساختمان اواپراتور نيز مثل كندانسور بسيار ساده است. اواپراتور از اجزاي مهم سيستم تبريد است كه براساس قانون انتقال حرارت كار مي كند و اثر زيادي بر بازده سيستم سرمايش دارد.
از جمله اشكالاتي كه در فين ها يا پره هاي اواپراتور پيش مي آيد، يخ زدگي آنهاست. زماني كه هواي گرم به فين هاي اواپراتور برخورد مي كند و تا زير دماي نقطه شبنم سرد مي شود، بخارآب موجود در هوا تقطير شده و به صورت قطرات ريز آب درمي آيد. اگر در همين زمان فين ها سرد شوند و دماي آنها به زير صفر درجة سانتي گراد برسد، قطرات آب يخ مي زنند. قطرات يخ زده بر بازده اواپراتور كه به مثابة مبدل حرارتي است اثر مي گذارد و آن را كاهش مي دهد. علاوه بر اين، مقدار هواي عبوري از ميان فين ها نيز كاهش مي يابد كه اين امر به كم شدن سرما مي انجامد.
فن يا بادگير با جريان اجباري
در سيستم هاي تهوية اجباري هوا، فن الكتريكي يا وسيلة مشابه آن هوا را درون خودرو به جريان مي اندازد. در شكل زير، منفذهاي مكش و خروجي تهويه، مانند سيستم جريان طبيعي هوا نشان داده شده اند.
اين نوع سيستم تهويه مي تواند در سيستم هاي سرمايش و گرمايش، توأم با يكديگر و يا به صورت مجزا به كار رود.

فيلتر و تصفيه كنندة هوا
تصفيه كنندة هوا وسيله اي است كه هواي داخل خودرو را تصفيه مي كند. اين كار با گرفتن گردوغبار و زدودن بوهاي نامطبوع خودرو انجام مي شود. به طور كلي فيلتر هوا شامل فني است كه هوا را به داخل خود مي كشد و از سمت ديگر خود خارج مي سازد. براي پاك كردن غبار از «فيلترصافي» و براي از بين بردن بوهاي زايد از «فيلترذغالي» استفاده مي شود.
انواع ديگر فيلتر هوا، مجهز به لامپ ضد باكتري و فيلتريوني هستند. در شكل صفحة روبه رو ساختمان داخلي فيلتر هوا نشان داده شده است.