Холодильник

Схема работы холодильника:
1. Конденсатор
2. Капилляр
3. Испаритель
4. Компрессор

Расположение основных частей холодильного агрегата бытового холодильника:
1. Испаритель
2. Конденсатор
3. Фильтр-осушитель
4. Капилляр и теплообменник
5. Компрессор

Холодильный компрессор

Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, является второе начало термодинамики. Охлаждающее рабочее тело (хладагент) в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основной вклад в передачу теплоты вносит изменение термодинамического состояния хладагента не в цикле Карно, а в фазовых переходах — испарении и конденсации хладагента. В принципе, возможно применение в холодильном цикле только цикла Карно, но при этом для достижения высокой хладопроизводительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь теплообмена в охлаждающем и нагревающем теплообменниках.

Основными составляющими частями холодильника являются:

• компрессор, создающий необходимую разность давлений;
• испаритель, забирающий тепло из внутреннего объёма холодильника;
• конденсатор, отдающий тепло в окружающую среду;
• терморегулирующий вентиль, поддерживающий разность давлений за счёт дросселирования хладагента;
• хладагент — вещество, переносящее тепло от испарителя к конденсатору.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его (при этом температура хладагента повышается) и нагнетает в конденсатор, где хладагент конденсируется в жидкость отдавая теплоту конденсации во внешнюю среду.

В бытовых холодильниках используются герметичные поршневые мотор-компрессоры. В таких компрессорах электродвигатель располагается внутри корпуса компрессора, что позволяет предотвратить утечки хладагента через уплотнение вала. Для поглощения вибраций применяется упругая подвеска мотор-компрессора. Подвеска мотор-компрессора может быть наружной, когда на пружинах подвешивается весь корпус мотор-компрессора, или внутренней, когда подвешен только электродвигатель компрессора внутри корпуса.

В современных бытовых холодильниках наружная подвеска не применяется, так как она хуже поглощает вибрации компрессора и сильно шумит. Для смазки трущихся частей компрессора и электродвигателя применяют специальные рефрижераторные масла, обладающие низкой температурой застывания. Масло и хладагент хорошо растворяются друг в друге.

В конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и при этом конденсируется, то есть превращается в жидкость, поступающую в капилляр.

В бытовых холодильниках чаще всего применяются ребристо-трубные конденсаторы, в качестве оребрения применяется стальная проволока или стальной перфорированный лист. Отвод тепла от конденсаторов обычно естественный — за счёт конвекции и теплового излучения, в высокопроизводительных и промышленных холодильниках применяется принудительное охлаждение конденсатора вентиляторным воздухом или водой.

Жидкий хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или терморегулируемый расширительный вентиль) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, отбираемая теплота расходуется на теплоту кипения жидкости, за счёт чего происходит охлаждение холодильного пространства холодильника, где и находится испаритель.

Испарители бытовых холодильников чаще всего листотрубные, сваренные из пары алюминиевых листов с внутренними каналами для прохождения хладагента. Испаритель морозильной камеры часто и является её корпусом, в то время как испаритель холодильной камеры (в холодильниках с двумя испарителями) располагают на задней стенке камеры.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.

Терморегулируемый расширительный вентиль необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объём испарителя кипящим хладагентом. Пропускное сечение вентиля изменяется по мере снижения теплового потока в испарителе, при понижении температуры в холодной камере расход циркулирующего хладагента уменьшается.

В бытовых холодильниках чаще всего вместо терморегулируемого расширительного вентиля используется капилляр. Он не меняет своё сечение, а дросселирует определённое количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра, длины и типа хладагента.

Большое значение имеет чистота хладагента: вода и примеси могут засорить капилляр или повредить компрессор. Примеси могут образовываться в результате коррозии внутренних стенок трубопроводов холодильника, а влага может попасть при заправке холодильника, либо проникнуть через неплотности (особенно в холодильниках с открытым компрессором). Поэтому при заправке тщательно соблюдается герметичность, перед заправкой хладагентом циркуляционный контур вакуумируется. В каждом холодильнике имеется фильтр-осушитель, который устанавливается перед капилляром.

Обычно также применяется простейший противоточный теплообменник, снижающий температуру жидкого хладагента от конденсатора перед подачей в испаритель. В результате в испаритель поступает уже охлаждённый жидкий хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из испарителя, подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить тепловой КПД и производительность холодильника, а также предотвратить попадание жидкого хладагента в компрессор[2].

Агрегат абсорбционного холодильника

1

Ловушка удаляет водород из конденсатора аммиака;

2

Жидкий аммиак поступает в испаритель, где смешивается с водородом. За счет снижения парциального давления аммиак испаряется, поглощая тепло;

3

Аммиачно-водородная смесь возвращается в абсорбер, аммиак растворяется в воде, а водород поднимается вверх;

4

Конденсатор аммиака. Тепло, выделившееся при конденсации, рассеивается на ребрах охлаждения;

5

Горячий газообразный аммиак;

6

Сепаратор в теплоизоляции. В нем газообразный аммиак отделяется от воды;

7

Электронагреватель;

8

Сборник раствора аммиака в воде

Теплограмма абсорбционного холодильника. Видна трубка, выходящая из испарителя (холоднее окружающей среды). Нагреватель накрыт теплоизоляцией, его реальная температура на снимке не видна

Так же, как и в компрессионном, в абсорбционном холодильнике охлаждение рабочей камеры происходит за счёт испарения хладагента (в абсорбционных холодильниках — чаще всего аммиака). В отличие от компрессионного холодильника, циркуляция хладагента происходит за счёт его растворения (абсорбции) в жидкости, обычно в воде. В одной единице объёма воды может быть растворено до 1000 ед. объёма аммиака. В систему холодильника добавляется также инертный к компонентам системы газ, например водород. В этом случае давление во всей системе почти одинаково, а испарение хладагента происходит за счёт изменения парциального давления. При этом аммиак в испарителе не кипит, а испаряется по поверхности. Эти меры позволяют обходиться без движущихся частей для циркуляции газов и растворов, а значит без дополнительного подвода электрической или механической энергии: достаточно только нагрева раствора в генераторе.

Для циркуляции воды в системе в бытовых абсорбционных холодильниках применяется термосифон, представляющий собой трубку, внутри которой кипит аммиачный раствор, разогреваемый внешним нагревательным элементом. Плотность кипящего раствора значительно ниже за счёт пузырей газа, благодаря чему уравновешиваемый раствором в ресивере, раствор в термосифоне поднимается выше абсорбера, после чего поступает в сепаратор, где отделяется от аммиачного пара, уходящего в дефлегматор, и попадает в трубку слабого раствора, откуда стекает в абсорбер по принципу сообщающихся сосудов.

В дефлегматоре аммиачный пар окончательно очищается от воды и поступает в конденсатор, где охлаждается и переходит в жидкую фазу. Жидкий аммиак поступает в испаритель, в который с также поступает водород очищенный от аммиака из абсорбера. Испаряясь, аммиак смешивается с водородом, и эта смесь газов попадает выходит из испарителя и попадает в абсорбер снизу, в то время как сверху в него поступает слабый раствор. За счёт абсорбции водород очищается от аммиака и снова уходит в испаритель, в то время как насыщенный аммиаком раствор стекает в ресивер, откуда поступает в термосифон.

Для улучшения термической эффективности генератор накрывается теплоизолирующим кожухом, а также в системе могут быть теплообменники: жидкостный, передающий тепло от слабого раствора из генератора крепкому раствору из ресивера, и газовый, охлаждающий жидкий аммиак из конденсатора и водород из абсорбера газовой смесью из выходящей испарителя. Также выходящий из термосифона аммиачный пар может пропускаться через крепкий раствор в регенераторе для предварительной очистки от воды и охлаждения перед поступлением в дефлегматор. Для осуществления нормального запуска на выходе из конденсатора устанавливается водородная ловушка, представляющая собой трубку, поднимающуюся выше конденсатора — через неё при заполнении конденсатора аммиаком выходит водород.

Преимущества абсорбционных холодильников — бесшумность работы, отсутствие движущихся механических частей, возможность работы от нагрева прямым сжиганием топлива, недостатки — плохие удельные показатели хладопроизводительности на единицу объёма, чувствительность к положению в пространстве, а также недолговечность: трубопроводы такого холодильника относительно быстро засоряются продуктами коррозии. Чтобы этого избежать, в раствор добавляются ингибиторы коррозии — в частности двухромовокислый натрий. Кроме того, холодильный агрегат содержит ядовитый аммиак и горючий водород. Такие холодильники практически не используются в современных квартирах, но распространены в местах, где нет круглосуточного доступа к электричеству: например в домах на колёсах, где они работают от электричества на стоянках в кемпингах, а в пути работают от сжигания природного газа. Кроме того, абсорбционные агрегаты часто используются в промышленных холодильниках в тех случаях, когда более выгодно использовать энергию сгорания газа, а не электричество. Наиболее эффективно их использование в промышленности совместно с когенерационными установками, что позволяет утилизировать избыточное тепло и повысить КПД. В этом случае речь идет о так называемой тригенерации. Помимо этого, абсорбционные машины позволяют использовать сбросное тепло. Кроме того, в промышленности могут применяться двух- и трёхступенчатые холодильные агрегаты, приближающиеся по термодинамической эффективности к парокомпрессионным.

В основе работы термоэлектрического холодильника лежит Эффект Пельтье — когда при прохождении тока через контакт двух разнородных проводников в направлении контактной разности потенциалов происходит перенос тепловой энергии так, что один из этих «разнородных» проводников охлаждается, а второй нагревается за счёт тепловой энергии от первого и электрической энергии прошедшего электрического тока. Холодильник на элементах Пельтье бесшумен, надёжен и долговечен, но большого распространения не получил из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Ещё одним минусом является зависимость холодопроизводительности от температуры окружающей среды. Тем не менее, сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питьевой воды часто делаются с охлаждением от элементов Пельтье.

Охлаждение осуществляется за счёт расширения предварительно сжатого компрессором воздуха в блоках специальных вихревых охладителей.

Распространения не получил из-за большой шумности, необходимости подвода сжатого (до 10-20 Атм) воздуха и очень большого его расхода, низкого коэффициента полезного действия. Достоинства — безопасность (так как не используется электричество и нет ни движущихся механических частей, ни опасных химических соединений в конструкции) долговечность, надёжность.

Стенки холодильного шкафа двойные, промежуток между стенками заполняется теплоизолирующими материалами: минеральной ватой, вспененным полистиролом или полиуретаном. От качества теплоизоляции зависит энергопотребление холодильника.

Продукты в холодильнике размещают на полках. Полки могут быть решетчатыми, что облегчает циркуляцию воздуха, либо стеклянными, позволяющими изолировать отделения друг от друга.

С внутренней стороны двери для экономии места расположены дополнительные полки. На этих полках обычно хранят продукты в бутылках, консервы, а также яйца. Иногда на двери холодильника может располагаться ёмкость для напитков с выведенным на наружную поверхность патрубком с затвором, что позволяет использовать холодильник в качестве кулера. Во многих холодильниках навес двери съёмный, позволяющий выбрать направление открывания двери.

Для предотвращения попадания тёплого воздуха через щели между корпусом холодильника и дверью служит уплотнитель. Уплотнители современных холодильников оборудованы магнитной вставкой, что позволяет отказаться от механических затворов на двери холодильника.

Вентилятор холодильника с искусственной циркуляцией воздуха; технология «No frost»

Холодильники бывают с естественной и искусственной циркуляцией воздуха. В последнем случае часто применяется так называемая технология «No Frost» — когда испаритель отделён от основной камеры и сообщение воздушных потоков между испарителем и камерой осуществляется с помощью вентилятора. Благодаря этому удаётся избавиться от намерзания «шапки» инея на испарителе благодаря предварительному осушению воздуха, а также оттаиванию инея с испарителя без повышения температуры в камере. В некоторых холодильниках имеются специальные системы контроля за температурой и влажностью с электронными гигрометра и и термопарами, а также ТЭНы оттайки, находящиеся на испарителе. Вентиляторы обычно переменного тока с экранированными полюсами, также встречаются с вентильными двигателями, работающие на постоянном токе 12V, подобные вентиляторам для компьютеров, но в влагозащищённом исполнении.

У некоторых холодильников имеется зона свежести — особая камера, предназначенная для хранения скоропортящихся продуктов без замораживания. Там поддерживается температура около 0 °C, обычно от +1 до +3 °С, и повышенная влажность, иногда с возможностью регулировки — чтобы предотвратить высыхание хранящихся продуктов .

Бытовые холодильники обычно работают циклично, периодически включаясь и выключаясь. Моментами включения и выключения управляет терморегулятор.

Терморегулятор состоит из термодатчика, это может быть механический термодатчик сильфонного типа, либо электронный, и регулятора температуры, который может быть механическим или электронным, работающим по принципу триггера Шмитта.

В механическом терморегуляторе давление газа внутри термодатчика сильфонного типа поступает на пневмомеханический троичный (двухпороговый) компаратор с переключаемым порогом срабатывания.

Пневмомеханический троичный (двухпороговый) компаратор делит весь диапазон входных давлений газа внутри термодатчика сильфонного типа на три поддиапазона: давление включения, давление удержания включенного состояния и давление отключения. Давление удержания является состоянием хранения записанной в механический RS-триггер информации.

Пневмомеханический троичный (двухпороговый) компаратор переключает и механический RS-триггер и порог срабатывания пневмомеханического троичного (двухпорогового) компаратора. Механический RS-триггер управляет электрическим переключателем, контакты которого включают и выключают электродвигатель компрессора.

Таким образом механический терморегулятор является электромеханическим стабилизатором температуры с механическим триггером Шмитта с переключаемым порогом срабатывания и с контактной группой работающей как ключ и работает подобно ключевому стабилизатору напряжения с триггером Шмитта.

Для обеспечения правильного запуска двигателя используются пусковые и защитные реле, которые часто объединяют в один прибор.

Дополнительно холодильники могут оснащаться системами оттаивания, предотвращающими образование инея на испарителе.

Для освещения холодильной камеры устанавливаются лампы небольшой мощности, которые включаются при срабатывании датчика открытия двери. Некоторые холодильники оснащены сигнализацией открытия двери, которая срабатывает по таймеру, чтобы предотвратить потери холодного воздуха, если дверь холодильника забыли закрыть. В торговых же холодильниках датчик двери является относительным новшеством и служит для блокировки запуска компрессора при открытой двери.

В начале XXI века на рынке появились так называемые интернет-холодильники — холодильники, в корпусе которых расположен также подключенный к интернету компьютер, экран которого выведен на дверцу.

Холодильники «американской» компоновки с диспенсерами для воды и напитков

Существует несколько схем компоновки холодильников:

• «европейская». При такой схеме морозильная камера находится снизу, под холодильной камерой;
• «азиатская». При такой схеме морозильная камера, как правило небольших размеров, находится над холодильной камерой;
• «американская» или side-by-side. При этом холодильное и морозильное отделение расположены по всей высоте устройства бок о бок. Объём устройства при этом может достигать 700 литров и более.
• холодильный ларь, или горизонтальная — компоновка, наиболее характерная для морозильников. Такая компоновка позволяет уменьшить утечки холода при открытой крышке — такой морозильник может эксплуатироваться даже без крышки, например в супермаркете. Холодильные лари наиболее распространены в торговле.
• вертикальный торговый холодильник без морозильной камеры. Имеет стеклянную дверь, обычно используется для торговли напитками.

На холодильниках обозначают температурный режим морозильной камеры в виде нескольких снежинок:

• * — температура до −6 °C. Замороженные продукты можно хранить не более недели.
• ** — температура до −12 °C. Замороженные продукты хранятся до месяца.
• *** — температура до −18 °C. Хранение продуктов до трёх месяцев.
• *(***) — температура −18 °C и ниже, плюс быстрая заморозка свежих продуктов. Хранение продуктов до года.

По уровню потребления электроэнергии холодильники делятся на классы: (самое низкое потребление электроэнергии) A++, A+, A, B, C, D, E, F, G (самое высокое потребление электроэнергии).