Klimatyzator

W XIX wieku brytyjski naukowiec i wynalazca Michael Faraday odkrył, że sprężanie i skraplanie amoniaku może schłodzić powietrze, gdy pozwolono skroplonemu amoniakowi odparować.

W 1842 r. amerykański lekarz dr John Gorrie wykorzystał technologię kompresorową do wytwarzania lodu, którego używał do chłodzenia powietrza dla swoich pacjentów. Miał nadzieję, że w przyszłości wykorzysta swoją maszynę do wytwarzania lodu do regulowania temperatury w budynkach, a nawet rozważał chłodzenie całych miast za pomocą systemu scentralizowanych jednostek klimatyzacyjnych.

Inżynierowie klimatyzacji zasadniczo dzielą zastosowania klimatyzacji na komfortowe i procesowe.

Zastosowania komfortowe mają na celu zapewnienie środowiska wewnętrznego, które pozostaje względnie stałe w zakresie preferowanym przez człowieka, pomimo zmian zewnętrznych warunków pogodowych lub wewnętrznych obciążeń cieplnych.

Aplikacje procesowe mają na celu zapewnienie odpowiedniego środowiska dla procesu przemysłowego lub komercyjnego, niezależnie od wewnętrznych obciążeń cieplnych i zewnętrznych warunków pogodowych. Chociaż często w tym samym zakresie komfortu, to wymagania procesu decydują o warunkach, a nie preferencje człowieka. Zastosowania procesowe obejmują:

• Szpitalne sale operacyjne, w których powietrze jest filtrowane do wysokiego poziomu w celu zmniejszenia ryzyka infekcji, a wilgotność jest kontrolowana, aby ograniczyć odwodnienie pacjenta. Chociaż temperatury często mieszczą się w zakresie komfortu, niektóre specjalistyczne procedury, takie jak operacje na otwartym sercu, wymagają niskich temperatur (około 18 °C, 64 °F), a inne, takie jak noworodki, stosunkowo wysokich temperatur (około 28 °C, 82 °F).

• Pomieszczenia czyste do produkcji układów scalonych, farmaceutyków itp., w których dla powodzenia procesu wymagany jest bardzo wysoki poziom czystości powietrza oraz kontrola temperatury i wilgotności.

• Obiekty do hodowli zwierząt laboratoryjnych. Ponieważ wiele zwierząt normalnie rozmnaża się tylko wiosną, trzymanie ich w pomieszczeniach, które odzwierciedlają warunki zbliżone do wiosennych, może spowodować, że będą się rozmnażać przez cały rok.

• Klimatyzacja lotnicza. Klimatyzacja lotnicza, choć nominalnie ma na celu zapewnienie komfortu pasażerom i chłodzenie urządzeń, stanowi szczególny proces ze względu na niskie ciśnienie powietrza na zewnątrz samolotu.

Inne przykłady to:

• Centra przetwarzania danych
• Fabryki włókiennicze
• Urządzenia do badań fizycznych
• Rośliny i obszary upraw rolniczych
• Obiekty jądrowe
• Kopalnie
• Środowiska przemysłowe
• Strefy gotowania i przetwarzania żywności

Zarówno w zastosowaniach komfortowych, jak i procesowych, celem jest nie tylko kontrola temperatury (choć w niektórych zastosowaniach komfortowych jest to jedyne, co jest kontrolowane), ale także czynników takich jak wilgotność, ruch powietrza i jakość powietrza.

Cykl chłodniczy

W cyklu chłodniczym, pompa przenosi ciepło ze źródła o niższej temperaturze do radiatora o wyższej temperaturze. Ciepło będzie naturalnie płynąć w przeciwnym kierunku. Jest to najbardziej rozpowszechniony rodzaj klimatyzacji. System klimatyzacji z chłodzeniem działa w podobny sposób, wypompowując ciepło z pomieszczenia, w którym stoi.

Cykl ten wykorzystuje uniwersalne prawo gazowe PV = nRT, gdzie P to ciśnienie, V to objętość, R to uniwersalna stała gazowa, T to temperatura, a n to liczba cząsteczek gazu (1 mol = 6,022×1023 cząsteczek).

Najbardziej powszechny cykl chłodniczy wykorzystuje silnik elektryczny do napędzania sprężarki. W samochodzie sprężarka jest napędzana przez koło pasowe na wale korbowym silnika, przy czym w obu przypadkach do cyrkulacji powietrza wykorzystuje się silniki elektryczne. Ponieważ parowanie występuje wtedy, gdy ciepło jest absorbowane, a kondensacja występuje wtedy, gdy ciepło jest uwalniane, klimatyzatory są zaprojektowane tak, aby wykorzystywać sprężarkę do powodowania zmian ciśnienia między dwoma przedziałami i aktywnie pompować czynnik chłodzący w zamkniętym systemie. Ciecz chłodząca, czyli czynnik chłodniczy, jest pompowana do komory chłodzonej (wężownicy parownika). Niskie ciśnienie powoduje odparowanie czynnika chłodniczego, który zabiera ze sobą ciepło. W drugiej komorze (skraplacz) para czynnika chłodniczego jest sprężana i przepuszczana przez kolejną wężownicę wymiennika ciepła, skraplając się do postaci cieczy, która następnie odrzuca ciepło wcześniej pobrane z chłodzonej przestrzeni.

Źle utrzymane systemy klimatyzacji (zwłaszcza duże, scentralizowane systemy) mogą niekiedy sprzyjać rozwojowi i rozprzestrzenianiu się mikroorganizmów, takich jak Legionella pneumophila, czynnika zakaźnego odpowiedzialnego za chorobę legionistów. Klimatyzacja może mieć pozytywny wpływ na osoby cierpiące na alergie i astmę.

W przypadku poważnych fal upałów klimatyzacja może uratować życie osób starszych. Niektóre władze lokalne utworzyły nawet publiczne centra chłodzenia z myślą o osobach nieposiadających klimatyzacji w domu.

• Energia
• Pompa ciepła
• Energia odnawialna