Czynnik chłodniczy systemu klimatyzacji i jego sezonowa obsługa.

W związku z wyraźną tendencją wśród producentów pojazdów samochodowych do zdecydowanego zwiększenia komfortu jazdy i bezpieczeństwa biernego uczestników ruchu drogowego poprzez zapewnienie optymalnych warunków dla zdolności koncentracji kierowcy w trakcie jazdy, zdecydowana większość produkowanych współcześnie pojazdów samochodowych wyposażona jest w standardzie w układy klimatyzacji.

Stosowane w konstrukcjach pojazdów układy klimatyzacji i ogrzewania zapewniają regulację temperatury i wilgotności oraz odpowiednią cyrkulację powietrza w kabinie pojazdu przez ochładzanie powietrza wewnątrz, gdy na zewnątrz jest gorąco lub jego ogrzewanie, gdy na zewnątrz jest zimno.

Zadaniem systemu klimatyzacji samochodowej jest utrzymywanie zadanych przez kierowcę wielkości parametrów powietrza dla poszczególnych miejsc w kabinie. Istota funkcjonowania systemu klimatyzacji samochodowej polega bardziej na usuwaniu ciepłego powietrza z wnętrza pojazdu niż jego chłodzeniu. Proces tego typu jest możliwy dzięki wykorzystaniu zjawiska wchłaniania ciepła we wnętrzu pojazdu i przenoszenia na zewnątrz do otoczenia. Samochodowe systemy klimatyzacji są w stanie zapewnić utrzymywanie we wnętrzu pojazdu temperatury na poziomie 10-15 ⁰C niższą od temperatury otoczenia.

Praca układu klimatyzacji oparta jest na zastosowaniu odpowiedniego czynnika chłodniczego, czyli związku chemicznego lub jego mieszaniny, który krążąc w zamkniętym obwodzie  (układzie chłodniczym) podlega cyklom przemian termodynamicznych, tworząc tym samym obieg chłodniczy. Czynnik chłodniczy w pracującym układzie znajduje się w ciągłym obiegu, w trakcie którego zmienia swój stan skupienia  z płynnego w gazowy w parowniku i z gazowego w płynny w skraplaczu.

W trakcie pracy układu klimatyzacji samochodowej czynnik chłodniczy wrząc (parując) pod niskim ciśnieniem i w niskiej temperaturze pobiera ciepło, które następnie oddaje w trakcie skraplania pod wyższym ciśnieniem i w wyższej temperaturze. Ciepło potrzebne do przejścia czynnika chłodniczego ze stanu płynnego w gazowy jest pobierane z przepływającego powietrza oraz sprężarki w zależności od temperatury i ciśnienia pary czynnika chłodniczego. Następnie ciepło to odprowadzane jest na zewnątrz przy zmianie stanu skupienia czynnika z gazowego z powrotem w płynny poprzez powietrze obmywające skraplacz.

SONY DSC

Efektywność energetyczna oraz właściwości eksploatacyjne układu klimatyzacji uzależniona jest od właściwości termodynamicznych czynnika chłodniczego. Najistotniejszymi parametrami czynnika chłodniczego są:

– ciepło parowania,

– normalna temperatura wrzenia (przy ciśnieniu atmosferycznym),

– gęstość czynnika w postaci ciekłej,

– ciśnienie nasycenia (zależne od temperatury nasycenia),

– ciepło właściwe czynnika chłodniczego w stanie ciekłym i w stanie parowym),

– objętość właściwa pary,

– współczynnik przewodzenia ciepła,

– napięcie powierzchniowe,

– lepkość kinematyczna.

W celu zapewnienia najskuteczniejszego przebiegu procesu termodynamicznego i osiągnięcia najlepszych możliwych warunków pracy przez układ klimatyzacji, czynnik chłodniczy musi spełniać odpowiednie wymagania. Powinien posiadać możliwie dużą właściwą objętościową wydajność chłodzenia, gwarantującą zastosowanie niedużego, wymagającego niewielkie zapotrzebowanie na energię urządzenia klimatyzacyjnego.

Czynnik  chłodniczy zapewnić powinien również stosunkowo wysoki współczynnik przenikalności cieplnej, umożliwiający stosowanie wymienników  ciepła, umożliwiający stosowanie wymienników ciepła o nieznacznych rozmiarach.

Istotne jest również posiadanie przez czynnik chłodniczy niskiego ciśnienia skraplacza, decydującego o stopniu sprężania i mechanicznym obciążeniu sprężarki. Poza tym czynnik chłodniczy powinien być odporny chemicznie we wszystkich zakresach ciśnień i temperatur. W trakcie pracy, nie powinien wchodzić w reakcję chemiczne z materiałami, z którego są wykonane elementy układu, uszczelniaczami oraz olejem sprężarkowym. Musi być również niepalny, nietrujący i nie posiadać właściwości wybuchowych. Dodatkowo powinien się w łatwy sposób mieszać  z olejem sprężarkowym.

Pierwszym rodzajem czynnika chłodniczego, stosowanym w samochodowych układach klimatyzacji był typ R12. W połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku został on jednak wycofany z użytku ze względu na szkodliwe działanie dla atmosfery. Zastąpił go czynnik R134a, czyli tetrafluoroeten  (organiczny związek chemiczny). Czynnik ten charakteryzuje się następującymi właściwościami:

– reaguje na temperaturę i ciśnienie,

– występuje w dwóch stanach skupienia (przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym jest gazem, skrapla się dopiero, gdy zostanie schłodzony do temperatury poniżej -26 ⁰C,

– miesza się tylko z olejami syntetycznymi (poliglikolami),

– nie reaguje z metalami,

– jest bezbarwny,

– jest palny,

– bardzo łatwo absorbuje wilgoć,

– w stanie cięższym jest cięższy od powietrza.

Czynnik chłodniczy stosowany w układach klimatyzacji samochodowych jest substancją jednorodną, co powoduje, że w procesach wrzenia i skraplania nie ulega zmianie skład fazy parowej oraz ciekłej. Stosowane w układach klimatyzacji samochodowych czynniki chłodnicze posiadają znormalizowany system oznaczeń, w którym identyfikacyjny numer każdego czynnika jest poprzedzony literą R. Zgodnie z tym sposobem oznaczenia rodzaju czynnika chłodniczego:

– pierwsza cyfra (setek) określa ilość atomów węgla pomniejszona o jeden,

– druga cyfra (dziesiątek) oznacza ilość atomów węgla wodoru powiększoną o jeden,

– trzecia cyfra (jedności) informuje o ilości atomów fluoru,

– litera „a” w oznaczeniu wskazuje symetrię budowy molekularnej.

W stosowanym jeszcze obecnie czynniku chłodniczym R134a poszczególne elementy symbolu informują o następującym składzie chemicznym: dwóch atomach węgla , czterech atomach wodoru, czterech atomach fluoru.

Wzór chemiczny sumaryczny tego czynnika ma postać: C2H4F4. Z kolei symbol „a” umieszczony na końcu oznacza, że dostępne są różne izomery tego związku. W związku z istotnym wpływem czynników chłodniczych na środowisko naturalne ich eksploatacja podlega ścisłym uregulowaniom prawnym.

W związku z tym obowiązują odpowiednie przepisy prawne narzucające stosowanie w układach klimatyzacji czynników chłodniczych, których parametr GWP (Global Warming Potential – Potencjał Efektu Cieplarnianego), określający zdolność gazu do hamowania promieniowania ciepła w zakresie podczerwieni wynosi poniżej 150 lub jego utrata jest mniejsza niż 40 g rocznie i 60 g rocznie w przypadku pojazdów wyposażonych w układ klimatyzacji z dwoma parownikami.

Właśnie w związku  z tymi przepisami wprowadzony jest obecnie w układach klimatyzacji samochodowych nowy czynnik chłodniczy o oznaczeniu R1234 yf (tetrafluoropropen), którego charakterystyka termodynamiczna jest bardzo zbliżona do czynnika R134a. Nowy czynnik jest zdecydowanie bardziej przyjazny środowisku naturalnemu.

Zastosowanie w układzie klimatyzacji sprężarki wymusza konieczność dodania do czynnika chłodniczego oleju smarującego jej ruchome elementy, zabezpieczając je tym samym przed zatarciem. Olej miesza się z czynnikiem chłodniczym i krąży w układzie razem z nim. Stosowany do układów klimatyzacji olej sprężarkowy musi zapewnić elementom sprężarki odpowiednie smarowanie, chłodzenie, ochronę antykorozyjną oraz właściwe tłumienie hałasu. W związku z tym powinien charakteryzować się następującymi właściwościami: mieszać się z czynnikiem chłodniczym, posiadać dobre właściwości smarne, posiadać odpowiednią lepkość i stabilność temperaturową, chemiczną obojętność na czynnik chłodniczy i w stosunku do materiałów elementów układu i uszczelnień, niską temperaturę krzepnięcia i stosunkowo małą skłonność do pochłaniania wilgoci.

Stosowany jeszcze obecnie czynnik chłodniczy R134a wymaga wykorzystania olejów syntetycznych na bazie poliestrów  (POE) lub poliakyleglikolu (PEG). Niestety oleje te posiadają znaczną skłonność do wchłaniania wilgoci. W związku z niebezpieczeństwem zatkania się z tego powodu zaworów rozprężnych lodem w przypadku czynnika chłodniczego zawierającego zbyt dużo wilgoci należy w miarę możliwości nie dopuszczać do zbyt długiego kontaktu oleju sprężarkowego z powietrzem oraz przechowywać olej w stosunkowo niewielkich naczyniach i zbiorniczkach wykonanych z metalu.

Stosowany w układach klimatyzacji samochodowych czynnik chłodniczy nie powinien być wypuszczany bezpośrednio do otoczenia. W przypadku naprawy, czy obsługi serwisowej układów klimatyzacji napełnionych czynnikiem chłodniczym należy stosować wyłącznie specjalistyczne, przeznaczone do tego celu urządzenia. Obecnie przy obsłudze serwisowej samochodowych układów klimatyzacji standardem jest wykorzystywanie w pełni automatycznych stacji obsługowych. Realizują one wszystkie czynności w zaprogramowanym cyklu bez uczestnictwa obsługującego. Dzięki zastosowaniu wagi do zbiornika oleju stacja automatyczna samoczynnie wprowadzi do obsługiwanego układu klimatyzacji wymaganą ilość oleju sprężarkowego. W stacjach automatycznych wszystkie niezbędne w trakcie obsługi funkcje sterowane są elektrozaworami uruchamianymi przez mikroprocesor zgodnie z programem wybieranym ręcznie z poziomu pulpitu sterującego lub przywołanym z bazy danych zainstalowanej w urządzeniu. W trakcie każdego etapu pracy automatycznej stacji serwisowej na wyświetlaczu panelu sterującego ukazywane są odpowiednie komunikaty opisujące rodzaj aktualnie wykonywanej czynności oraz jej parametry np. wartość ciśnienia, czas napełniania, wykonywania próżni, masa czynnika i oleju. W sytuacji, gdy w trakcie obsługi układu pojawią się ewentualne nieprawidłowości (zbyt mała ilość czynnika w butli, brak oleju w zbiorniczku, czy negatywny wynik testu szczelności), na wyświetlaczu pojawią się odpowiednie komunikaty oraz emitowane są sygnały dźwiękowe, informujące obsługującego o zaistniałej sytuacji.

Stacje serwisowe posiadają zainstalowaną w urządzeniu bazę danych obsługowych parametrów układu klimatyzacji eksploatowanych na rynku pojazdów. Posiadają one informacje o ilości czynnika i oleju, jaką należy podać do obsługiwanego w danej chwili pojazdu. Po wyborze z poziomu menu urządzenia marki, modelu i wersji pojazdu, stacja automatyczna zaprogramuje i przeprowadzi od początku do końca cały proces obsługi układu klimatyzacji w samochodzie.

Wraz z wprowadzeniem do użytku w pojazdach samochodowych nowego rodzaju czynnika    R 1234yf, konieczne jest coraz częściej posiadanie przy obsłudze układów klimatyzacji samochodowych urządzenia (stacji serwisowej) umożliwiającej obsługę również i tego rodzaju czynnika chłodniczego.

Autor: mgr Andrzej Kowalewski