«Бюджетный кондиционер»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №17

Проект на тему «Бюджетный кондиционер»

п. Левиха, 2018г.

Оглавление

Введение

В последнее время появилось слишком много споров о вредности и ненужности кондиционирования. Специалисты провели исследования и выявили тот факт, что большая часть этих разговоров не имеет никаких подтверждений, а сам процесс кондиционирования не только улучшает климатические условия внутри жилых помещений, но и предотвращает от дискомфорта лиц, страдающих болезнями сердца и органов дыхания.

Как можно поддерживать комфортную температуру в помещении, не имея покупного кондиционера, сохранив свой бюджет? Ответ на этот вопрос я попытаюсь раскрыть в своей работе.

Цель исследования: с помощью подручного материала изготовить в домашних условиях кондиционер и проверить его работу по охлаждению воздуха внутри помещения.

Задачи:

1. собрать и систематизировать материал по проблеме исследования;

2. изучить историю возникновения кондиционеров;

3. узнать виды кондиционеров и их применение;

4. узнать принцип работы кондиционеров;

5. подготовить продукт проекта: бюджетный кондиционер.

Объект исследования – кондиционер.

Предмет исследования – оптимальные климатические условия, создаваемые при помощи кондиционера.

Гипотеза исследования – с помощью подручного материала можно изготовить кондиционер для помещения.

Методы исследование – наблюдение, эксперимент.

Глава 1. Теоретическая часть

Что такое кондиционер?

Кондиционер (англ. conditioner) – устройство для поддержания оптимальных климатических условий в помещениях строительных сооружений, транспортных средств и другой техники.

В простейшей форме кондиционер предназначен для регулирования и поддержания заданной температуры воздуха в помещении. Наиболее широко кондиционеры используются для снижения температуры воздуха внутри помещений в жаркое время года и круглогодично там, где образуется избыточное тепло (информационно-вычислительные центры, вагоны метро, салоны самолётов, аудитории, зрительные залы и т.д.) или требуется поддержание определённой температуры (продуктовые склады, операционные).

Кондиционеры с функцией теплового насоса наряду с охлаждением позволяют повышать температуру воздуха в холодное время года и могут использоваться как охлаждающий и отопительный прибор.

Таким образом, я узнала, что в большинстве случаев кондиционеры работают на снижение температуры в помещениях.

История возникновения кондиционеров

С древнейших времен человечество пыталось сделать свою окружающую среду более комфортабельной во все времена года. Ношение различной одежды в зависимости от сезона, а также использование штор для защиты от солнечного света при одновременном пропуске сквозь них легкого ветра, являются чрезвычайно умными изобретениями человека. Кондиционирование воздуха представляет собой другой метод для того, чтобы мы чувствовали себя более комфортно. 

Современное понятие «кондиционер» (от англ. air – воздух и condition – условие), как обозначение устройства для поддержания заданной температуры в помещении, существует достаточно давно. Интересно, что впервые слово кондиционер было произнесено вслух ещё в 1815 году. Именно тогда француз Жанн Шабаннес получил британский патент на метод «кондиционирования воздуха и регулирования температуры в жилищах и других зданиях». Собственно говоря, для английского языка глагол tocondition является вполне стандартным и означает в том числе и «улучшать что-либо до желаемого состояния», в данном случае – воздух до состояния, комфортного для человека с точки зрения температуры, влажности и прочих параметров.

Однако практического воплощения идеи пришлось ждать достаточно долго. Только в 1902 году американский инженер-изобретатель Уиллис Кэрриерсобрал промышленную холодильную машину для типографии Бруклина в Нью-Йорке. Самое любопытное, что первый кондиционер предназначался не для создания приятной прохлады работникам, а для борьбы с влажностью, сильно ухудшавшей качество печати.

«Ископаемым» предком всех современных сплит-систем и может считаться первый комнатный кондиционер, выпущенный компанией GeneralElectric ещё в 1929 году. Поскольку в качестве хладагента в этом устройстве использовался аммиак, пары которого небезопасны для здоровья человека, компрессор и конденсатор кондиционера были вынесены на улицу. Однако, начиная с 1931 года, когда был синтезирован безопасный для человеческого организма первый фреон, конструкторы сочли за благо собрать все узлы и агрегаты кондиционера в одном корпусе. Так появились первые оконные кондиционеры, далекие потомки которых успешно работают и в наши дни.

В 1958 году японская компания Daikin предложила первый тепловой насос, тем самым научив кондиционеры подавать в помещение не только холод, но и тепло.

В 1961 году произошло событие, в значительной мере предопределившее дальнейшее развитие бытовых и полупромышленных систем кондиционирования воздуха — это начало массового выпуска сплит-систем японской компанией Toshiba. Она впервые запустила в серийное производство кондиционер, разделённый на два блока, и популярность этого типа климатического оборудования стала постоянно расти. Благодаря тому, что наиболее шумная часть кондиционера – компрессор теперь была вынесена на улицу, в помещениях, оборудованных сплит-системами, стало намного тише, чем в комнатах, где работают оконники. Уровень шума был значительно уменьшен. Вторым плюсом стала возможность размещения внутреннего блока сплит-системы в любом удобном месте.

В 1968 году на рынке появился кондиционер, в котором с одним внешним блоком работало сразу несколько внутренних. Так появились мультисплит-системы. Сегодня они могут включать в себя от двух до девяти внутренних блоков различных типов.

Существенным нововведением стало появление кондиционера инверторного типа. В 1981 году компания Toshiba предложила первую сплит-систему, способную плавно регулировать свою мощность, а уже в 1998 году инверторы заняли 95 % японского рынка.

В 1982 году компанией Daikin, в результате доработки мультисплит-системы, появился её вариант с возможностью регулировки мощности для каждого отдельного внутреннего блока и был зарегистрирован под торговым названием VRV (VariableRefregerantVolume, переменный объём хладагента), другими производителями именуемый как VRF (VariableRefrigerantFlow, переменный поток хладагента).

Из выше сказанного можно сделать вывод, что первые попытки создания кондиционера относятся к 1815 году, а собран он был в 1902 году и предназначался не для создания приятной прохлады, а для борьбы с влажностью.

Виды кондиционеров и их применение

Центральные кондиционеры – промышленные агрегаты, которые применяются для обработки воздуха в крупных коммерческих и административных зданиях, плавательных бассейнах, промышленных предприятиях и других. Центральный кондиционер является неавтономным, то есть для работы ему необходим внешний источник холода: вода от промышленного холодильника, фреон от внешнего компрессорно-конденсаторного блока или горячая вода от системы центрального отопления, бойлера. Основными целевыми функциями данных систем являются: комфортная вентиляция тепла, нагревом и охлаждением; вентиляция и осушение в помещениях плавательных бассейнов; промышленная вентиляция. Обработанный центральными кондиционерами воздух по сети воздуховодов распределяется по всему помещению.

Прецизионные кондиционеры. В основном такой кондиционер применяется в помещениях, требующих поддержания заданных параметров с высокой надёжностью и точностью, таких как медицинские учреждения, производственные помещения, лаборатории, посты управления, узлы связи, залы электронных вычислительных машин, диспетчерские пункты и другие помещения. Представляет собой моноблок, который содержит вентиляционный агрегат, фильтр, холодильную машину с воздухоохладителем, водяной воздухонагреватель и электрический калорифер. Применяется кондиционер как в системах с рециркуляцией воздуха, так и в системах со 100 % приточным воздухом.

Винные кондиционеры - используются в погребах и помещениях для хранения дорогих вин, где всегда должен поддерживаться строго определенный микроклимат. Температура воздуха — 12 градусов, влажность воздуха 60-70%. Только в этом случае вина могут храниться в течение долгого времени.

Автономные системы кондиционирования воздуха снабжаются извне только электрической энергией, например, шкафные кондиционеры и тому подобное. Такие кондиционеры имеют встроенные компрессионные холодильные машины, работающие на фреоне — R22, R134A, R407C. Автономные системы охлаждают и осушают воздух, для чего вентилятор продувает воздух через поверхностные воздухоохладители, которыми являются испарители холодильных машин, а в переходное или зимнее время они могут производить подогрев воздуха с помощью электрических подогревателей.

Большинство бытовых кондиционеров не могут работать при отрицательных наружных температурах, особенно в режиме подогрева, поэтому в средних широтах использовать их вместо обычных систем отопления можно только в переходный период. Кондиционеры, адаптированные к работе и при отрицательных температурах, называются всесезонными (или — кондиционерами с всесезонным блоком).

Для охлаждения небольших объёмов (например, внутренних полостей какого-либо оборудования, процессоров ПК) иногда используют кондиционеры, основанные на элементах Пельтье. Такие кондиционеры бесшумны, легки, не имеют движущихся деталей, надёжны и компактны. Но имеют очень ограниченную холодопроизводительность, дороги и менее экономичны.

Кондиционер воздуха, работающий на наружном воздухе, называется приточным; на внутреннем воздухе – рециркуляционным; на смеси наружного и внутреннего воздуха — кондиционером с рекуперацией.

Мобильные – кондиционеры, не требующие монтажа. Делятся на моноблочные и мобильные сплит-системы. В моноблочных кондиционерах для использования достаточно вывести гибкий шланг или, для мобильных сплит-систем, особый блок из помещения для отвода тёплого воздуха. Конденсат обычно скапливается в поддоне в нижней части мобильного кондиционера. У подобных систем упрощен монтаж и обслуживание, так как отсутствуют разъёмные соединения фреоновой магистрали. Недостаток систем: высокая цена, большие габариты, ограничения по установке.

Оконные – состоящие из одного блока; монтируются в окне, стене и прочее. Недостатки: высокий уровень шума, уменьшение освещённости помещения из-за сокращения площади оконного проёма. Преимущества: дешевизна, лёгкость монтажа и последующего обслуживания, отсутствие разъёмных соединений в хладоновой магистрали и, как следствие, отсутствие утечки фреона, максимально возможный коэффициент полезного действия, длительный срок службы.

Сплит-системы (англ. split – расщепление) – состоят из двух блоков, внутреннего и наружного размещения, соединённых между собой медными трубами, по которым циркулирует хладон. Наружный блок содержит (подобно холодильнику) компрессор, конденсатор, дроссель и вентилятор; внутренний блок – испаритель и вентилятор. Различаются по типу исполнения внутреннего блока: настенный, канальный, кассетный, напольно-подпотолочный (универсальный тип), колонный и другие.

Мульти-сплит системы – состоят из наружного блока и нескольких, чаще двух, внутренних блоков, связанных между собой медными трубами, по которым циркулирует хладон. Как и обычные, сплиты различаются по типу исполнения внутренних блоков; они имеют раздельное управление.

Системы с изменяемым расходом хладагента (VRF, VRV и так далее) состоят из одного наружного блока (при необходимости увеличения общей мощности могут использоваться комбинации наружных блоков) и из некоторого количества внутренних блоков. Особенность систем состоит в том, что наружный блок меняет свою холодопроизводительность (мощность) в зависимости от потребностей внутренних блоков по данной мощности.

Таким образом, в настоящее время изобретено множество видов кондиционеров с разными функциями и строением. Каждый из них имеет свое собственное предназначение.

Принцип работы кондиционера

Итак, в основе работы кондиционера лежит перемещение тепла сжиженным газом, который называют хладагентом, в процессе перехода его из жидкости в пар и обратно. То есть процесс работы кондиционера практически ничем не отличается от процесса работы обычного холодильника. Температура кипения хладагента намного ниже температуры кипения воды. Например, температура кипения наиболее часто используемого хладагента - фреона R-22 составляет 5-10 °С, в то время как вода кипит при температуре 100 °С. 

Рассмотрим цикл работы кондиционера в режиме охлаждения. Благодаря работе компрессора, размещенного в наружном блоке, во внутреннем блоке создается пониженное давление. Температура хладагента в этот момент равна 5-10 °С, поэтому он начинает кипеть и переходит в пар. Необходимая для этого энергия поступает от теплого воздуха помещения, отдающего часть своего тепла хладагенту. Охлажденный таким образом воздух возвращается вентилятором внутреннего блока обратно в помещение. 

В то же время парообразный хладагент, проходя через компрессор наружного блока, сжимается под воздействием высокого давления и температура его увеличивается до 50-60 °С. Далее горячий пар охлаждается в наружном блоке и снова превращается в жидкость, отдавая тепло окружающему воздуху при помощи вентилятора наружного блока. И даже если температура окружающей среды достигает 40-45 °С, она все же ниже температуры хладагента. После конденсатора жидкий хладагент пропускается через капиллярную трубку. Давление при этом резко падает и температура хладагента вновь опускается до 5-10 °С, в результате чего жидкость снова начинает кипеть в испарителе, поглощая тепло из охлаждаемого помещения. 

Таким образом, при работе кондиционера происходит перенос тепла из среды, в которой находится испаритель (внутреннее помещение) в ту среду, где находится конденсатор (улица).

Глава 2. Практическая часть

Для того, чтобы изготовить самостоятельно кондиционер в домашних условиях и проверить его характеристики, я воспользовалась законом Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре: P1/P2=T1/T2.

Р

Т

0

2

1

0

Р

V

1

2

V

0

Т

1

2

Рис.1 Рис. 2 Рис. 3

В основе практической части работы лежит изохорный процесс охлаждения газа: понижается давление – уменьшается температура.

В практической части я покажу, как изготовить бюджетный кондиционер в домашних условиях.

Технологическая карта изготовления кондиционера

Поэтапное выполнение работ по изготовлению кондиционера я привела в таблице.

Таблица 1

Вывод: из технологической карты видно, что изготовление кондиционера проводилось в 7 этапов.

Экономические расчеты себестоимости изделия

Расчет себестоимости своего кондиционера я представила в виде таблицы.

Таблица 2

«Расчет себестоимости изделия»

Вывод: сумма прямых затраты на материалы составила 387,00 руб.; косвенных затрат на электроэнергию и амортизацию оборудования минимальны, т.к. изготовление кондиционера происходило в домашних условиях. Итого расходы на изготовление изделия составили 387,00 руб.

Проверка кондиционера на охлаждение воздуха внутри помещения

Таблица 3

«Основные параметры жилого помещения»

1. Как меняется число молекул (N) внутри помещения считая воздух идеальным двухатомным газом?

1.1. Без включенного в сеть кондиционера:

Дано: Решение:

p= 97000 Па

t=25,5оС=298,5 К

V=40,3 м3

Na=6,02×1023моль-1

R=8,31

N-?

Ответ: N= 94,9 × 1025

1.2. С включенным в сеть кондиционером:

Д ано: Решение:

p= 96000 Па

t=19,4оС=292,4 К

V= 40,3м3

Na=6,02×1023моль-1

N-?

Ответ: N= 95,9× 1025

Вывод: таким образом, из расчетов мы видим, что через час работы кондиционера число молекул в комнате увеличивается.

2. Какое количество теплоты отдал газ и совершил ли он при этом работу, считая воздух идеальным двухатомным газом?

Дано: Решение:

T1=25,5оС=298,5 К ;

T2=19,4оС=292,4 К

= -6,1K

p(возд.)=1,23 кг/м3

V= 40,3 м3 Дж

Q-?

Ответ: Q = -217 кДж, A'=0.

Вывод: таким образом, расчеты показали, что газ отдал 217 кДж теплоты, работа при этом не совершалась.

3. Расчет потребления электрической энергии кондиционером за 1 час работы:

P = A/t, A=IUt;

P= 60 Вт=0,06кВт.

Т1=2,60 руб. – день;

Т2=1,30 руб. – ночь.

N (день)=0,06*1*2,60=0,156 руб.16 коп.

N (ночь)=0,06*1*1,30=0,078 руб.8 коп.

N (общее кол-во)=16+8 = 24 коп.

Вывод: благодаря расчетам видно, что за 1 час (день/ночь) работы кондиционера тратится 24 коп.

Заключение

Работая над проектом, я выяснила, что кондиционер – это устройство для поддержания оптимальных климатических условий в помещениях жилых и строительных сооружений, транспортных средств и другой техники.Большим спросом пользуются кондиционеры, работающие на снижение температуры в помещениях. Также я узнала, что первый кондиционер был собран в 1902 году, он предназначался не для создания приятной прохлады, а для борьбы с влажностью.

При выполнении практической части я сделала вывод, чтобы самостоятельно изготовить кондиционер для охлаждения в домашних условиях, можно использовать подручный материал и знать закон Шарля.

Цель и задачи, которые ставились в начале работы над данным проектом, я выполнила. Главным продуктом моей работы является бюджетный кондиционер, так как по экономическим расчетам себестоимости изготовления изделия сумма прямых затраты на материалы составила 387,00 руб.; косвенных затрат на электроэнергию и амортизацию оборудования минимальны, следовательно расходы на изготовление изделия составили 387,00 руб.

Я оцениваю свою работу, хорошо, ведь я нашла много интересной, познавательной информации и сделала для себя полезные выводы.

Список литературы

1. http://oventilyatsii.ru/kondicioner-chto-eto-takoe.html;

2. http://bouw.ru/article/vidi-konditsionerov-i-ih-harakteristiki;

3. http://www.xiron.ru/content/view/1037/28/;

4. http://strmnt.com/dom/tech/condition/ustrojstvo-;

5. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый уровень/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский: Просвещение, 2014.