ТЕПЛОВЫЕ И ВОЗДУШНЫЕ ПОТОКИ

В работе холодильника используют основные законов термодинамики. Как это происходит, следует рассмотреть подробно. Прежде всего, нужно отметить простые, интуитивно понятные факты:

• Холодильник отбирает тепло из объектов, которые находятся внутри него, а не целенаправленно охлаждает продукты.
• Тепло распространяется от теплых предметов к более холодным. Чем выше разность температур объектов, тем быстрее перемещается тепло, и так происходит, пока температура станет везде одинаковой.

Когда в холодильник кладут теплые продукты, тепловая энергия уходит из них в окружающий воздух морозильной камеры или низкотемпературного отделения. Содержимое в результате охлаждается, и этот эффект мы отмечаем, как желательный. Но поскольку воздух нагрелся, его тоже, в свою очередь, нужно где-то охладить.

Для удаления избытка тепла из нагретого воздуха и замены его возле охлаждаемых продуктов важна правильная организация воздушных потоков. Движение воздуха осуществляет принудительная вентиляция. Воздух проходит через испаритель, оснащенный вентилятором. Там тепло передается хладагенту (обычно газу фреону) быстро, поскольку велика разность температур. Температура фреона достаточно низкая - от -10ºС до -40ºС. В классических холодильниках хладагент протекает по каналам в стенках морозильной камеры и радиаторам, выступающим внутрь основной камеры. Их располагают сверху, чтобы более тяжелый холодный воздух опускался вниз самотоком.

СИСТЕМА РАЗМОРАЖИВАНИЯ

При открывании двери холодильника внутрь попадает много теплого и насыщенного влагой воздуха. Испаритель очень холодный, и вода сразу конденсируется на его поверхности, покрывая ее инеем, а затем - все более толстым слоем намерзшего льда. Лед препятствует теплообмену между воздухом и фреоном. Эффективность работы холодильника падает, он потребляет больше электроэнергии и сильнее изнашивается. Для предотвращения этого нужно время от времени размораживать холодильник.

Современные системы размораживают по таймеру - через 6-12 часов охлаждение воздуха прекращается, несколько минут лед тает, и поверхность испарителя освобождается от него. Таймер бывает механический или автоматический. Сложная электроника или ручной таймер регулярно прекращает работу компрессора и включает оттайку (электронагреватель), которая подогревает испаритель. Стекающую воду собирают в поддон через дренажные отверстия, откуда она испаряется, если воды много - придется ее вылить вручную. Для защиты охлаждающего контура от перегрева при оттаивании устанавливают термостат. Он размыкает электрическую цепь по достижении определенной температуры.

КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

Охлажденные продукты выделяют меньшее количество тепла, воздух остается холодным длительное время. Термостат регулирует процесс, включая и выключая компрессор на основании показаний термометра. Рабочий диапазон температур настраивают рукояткой регулировки, обычно он составляет несколько градусов.

Как правило, в холодильнике лишь один испаритель, он поставляет холодный воздух повсюду - в морозилку и основное отделение. Для поддержания в морозилке более низкой температуры охлажденный воздух преимущественно находится в ней, лишь малое его количество поступает в другие отсеки. Баланс воздуха между морозильником и основным отделением регулируют заслонкой. Она находится в канале, соединяющем отсеки, и работает под управлением отдельного регулятора.

КУДА УХОДИТ ТЕПЛО?

Нагретый фреон из испарителя подают в компрессор, где сжимают поршнем и он сильно нагревается, согласно законам термодинамики. Электрическая энергия из сети переходит в обмотках двигателя в механическую, а затем в поршневой камере - в тепловую. Законы сохранения выполняются безупречно. Вывести излишнее тепло из раскаленного фреона просто, он горячее комнатного воздуха и охлаждается при прохождении через конденсатор - решетку, выступающую наружу на задней стороне холодильника.

В «продвинутых» моделях холодильников воздух продувается через конденсатор отдельным вентилятором. Тепло конденсатора можно использовать для испарения воды из поддона, стекающей в него при разморозке. Таким образом, влага возвращается туда, откуда пришла - в окружающую холодильник атмосферу. Охлажденный в конденсаторе фреон поступает обратно в холодильный контур, где компрессор создает разрежение, и газ расширяется, достигая очень низких температур. Цикл повторяется. Задача инженеров-разработчиков - правильно рассчитать объем и форму камер холодильника, мощность устройств, чтобы КПД системы был максимальным. Современные холодильники в этом отношении доведены до идеала.

Статья специально написана простыми словами, чтобы обычный владелец любого бытового холодильника смог бы разобраться в устройстве этой техники.

Дополнительная информация

1. Однокамерные холодильники

Устройство и принцип действия холодильного агрегата однокамерного холодильника.

В однокамерном холодильнике охлаждение холодильной камеры происходит от основного испарителя, который расположен в верхней части холодильного шкафа. Холодный воздух из испарителя падает вниз и охлаждает продукты холодильной камеры.

Для того, что бы охлаждение было не очень сильным, под основным испарителем устанавливают поддон с небольшими окошками, через которые холодный воздух от испарителя поступает в холодильную камеру. Приоткрывая и закрывая эти окошки можно регулировать температуру в холодильной камере.

Поскольку известно, что холодный воздух опускается вниз, то в однокамерных холодильниках морозильная камера расположена только в верхней части холодильного шкафа.

Холодильный агрегат однокамерного холодильника работает следующим образом: мотор-компрессор откачивает пары холодильного агента из испарителя и нагнетает их в конденсатор. Здесь пары охлаждаются, конденсируются и переходят в жидкую фазу. Далее жидкий холодильный агент через фильтр-осушитель и капиллярную трубку направляется в испаритель.

Выплёскиваясь в каналы испарителя, жидкий холодильный агент вскипает и начинает отбирать тепло от поверхности испарителя, тем самым охлаждая внутренний объём холодильника. Пройдя через испаритель, холодильный агент выкипает и превращается в пар, который опять откачивается мотор-компрессором.

Цикл непрерывно повторяется до тех пор, пока температура на поверхности испарителя не достигнет необходимой величины, после чего терморегулятор выключит мотор-компрессор. Под действием окружающей среды температура в морозильной камере повышается, и терморегулятор снова включает мотор-компрессор.

Таким образом, внутри холодильника поддерживается необходимая температура. Для предотвращения образования конденсата на поверхности трубопровода всасывания на этот трубопровод по всей его длине припаивается капиллярная трубка.

При работе холодильника капиллярная трубка нагревается, соответственно нагревая трубопровод всасывания. На современных моделях холодильников капиллярная трубка находится внутри трубопровода всасывания.

2. Двухкамерные холодильники

Схема агрегата двухкамерного холодильника

Двухкамерный холодильник отличается от однокамерного наличием отдельных испарителей для холодильной и морозильной камер. В однокамерном холодильнике охлаждение холодильной камеры происходит от основного испарителя, который расположен в верхней части холодильного шкафа, холодный воздух от которого падает вниз и охлаждает продукты холодильной камеры.

В двухкамерном холодильнике камеры разделены теплоизолирующей перегородкой. Объем каждой камеры охлаждается своим испарителем.

Принцип действия агрегата двухкамерного холодильника следующий: холодильный агент, накачиваемый мотор-компрессором, проходит по конденсатору и капиллярной трубке, попадет в испаритель морозильной камеры, вскипает, и, испаряясь, начинает охлаждать поверхность испарителя.

При этом испарение жидкого холодильного агента и, соответственно, охлаждение начинается в месте входа капиллярной трубки в испаритель и постепенно продвигается по его каналам к выходу (см. рисунок ниже). Пока испаритель морозильной камеры не обмёрзнет до минусовой температуры, в испаритель холодильной камеры холодильный агент не поступает.

После обмерзания испарителя морозильной камеры жидкий холодильный агент начинает проникать в испаритель холодильной камеры, охлаждает его до температуры -14°С, после чего термостат, установленный на испарителе холодильной камеры, отключит мотор-компрессор.

После отключения мотора воздух в холодильной камере под воздействием окружающей среды постепенно нагревается, от этого нагревается испаритель холодильной камеры, и после нагрева испарителя до определённой температуры терморегулятор снова включает мотор-компрессор.

«Плачущий» испаритель.

Так обычно называют испаритель холодильной камеры в двухкамерных холодильниках. И вот почему: как правило, в относительно большой по объёму холодильной камере устанавливается испаритель небольшого размера (в несколько раз меньше, чем в морозильной камере), который обмерзает до температуры -14°С за довольно короткое время.

После чего чувствительный элемент терморегулятора, закреплённый на поверхности этого испарителя, даёт команду на отключение мотор-компрессора. За время работы мотора испаритель успевает охладить объём холодильной камеры до температуры +4°С.

После отключения мотор-компрессора воздух в холодильной камере начинает разогревать поверхность испарителя, и замерзший на нём слой инея тает и каплями стекает по испарителю в специальный лоток на стенке камеры. На фото ниже модели «плачущих» испарителей.

В двух-компрессорных холодильниках в одном корпусе устроены два самостоятельных холодильных прибора – холодильная камера и морозильная камера. Принцип действия полностью аналогичен выше описанному.

Что лучше, два компрессора или один?

Однозначного ответа на этот вопрос не существует, свои плюсы и минусы есть у обеих систем. Основным достоинством двухкомпрессорных моделей считается их повышенная экономичность — по сравнению с аналогичным по размеру однокомпрессорным аппаратом, двухкомпрессорный будет потреблять немного меньше электроэнергии. Разница в энергопотреблении не так велика, но если ее спроецировать на весь срок службы холодильника, то получится весьма существенная сумма. Это особенно актуально для европейских стран, стоимость электроэнергии в которых довольно высока. Кстати, наверное именно поэтому двухкомпрессорные модели производятся в основном в Европе.

С технической точки зрения повышенную экономичность двухкомпрессорных холодильников можно объяснить следующим образом. Как известно, двухкомпрессорные модели имеют независимую регулировку температуры в каждой камере, если система управления обнаруживает повышение температуры в одной из камер, то включается соответствующий этой камере маломощный экономичный компрессор, который выключается как только температура в камере достаточно понизится.

Однокомпрессорный холодильник не имеет раздельной регулировки. И если надо понизить температуру в холодильной камере, приходится включать единственный, относительно мощный и энергоемкий компрессор, который одновременно с охлаждением холодильной камеры будет вынужден совершать, возможно, ненужную в данный момент работу по дополнительному промораживанию морозилки, расходуя на это дополнительную электроэнергию.

К другим достоинствам двухкомпрессорной схемы, помимо уже упоминавшейся раздельной регулировки температуры в камерах, стоит отнести наличие полноценного режима суперзаморозки в морозильной камере, а также возможность отключить одну из камер, оставив работать другую (бывает полезно во время длительного отсутствия владельца). Кроме того, в силу определенных особенностей функционирования компрессионного холодильного агрегата, два маломощных компрессора создают меньше шума, чем один мощный. Соответственно, при прочих равных условиях, двухкомпрессорный холодильник будет работать немного тише.

Что касается однокомпрессорных аппаратов, то отсутствие всех вышеперечисленных благ компенсируется более низкой ценой самого холодильника, что в некоторых случаях является решающим фактором. Есть смысл упомянуть еще об одном типе холодильников, тем более, что он приобретает все большую популярность. Речь идет об однокомпрессорном аппарате, в холодильном агрегате которого дополнительно установлен специальный электромагнитный клапан, управляющий потоками хладагента, циркулирующего в агрегате. Благодаря наличию этого клапана, появилась возможность охлаждать камеры независимо друг от друга, не расходуя энергию компрессора на камеру, в данный момент времени не нуждающуюся в понижении температуры. Использование такой схемы позволяет достичь экономичности, сравнимой с экономичностью двухкомпрессорного холодильника.

В подавляющем большинстве случаев холодильники оснащенные системой No Frost и обслуживающие обе камеры, имеют один компрессор. Этот тип холодильников достаточно популярен, например, производственные программы таких фирм как Samsung, LG, Daewoo, Sharp, General Electric состоят, в основном, именно из таких аппаратов. Конструктивно подобные холодильники могут сильно отличаться друг от друга.

3. Холодильники NO FROST

Холодильники системы NO FROST отличаются от холодильников с обычной системой охлаждения тем, что в морозильной камере они не имеют привычного испарителя из металла, на который укладываются замораживаемые продукты.

Испаритель, который правильнее называть воздухоохладителем, в таких моделях скрыт за пластиковыми панелями, а холодильная камера вообще не имеет своего испарителя. Продукты в холодильниках NO FROST охлаждаются циркулирующим по камерам холодным воздухом, охлаждённым при прохождении через воздухоохладитель.

Конструктивно испаритель (воздухоохладитель) в холодильниках NO FROST в большинстве моделей холодильников внешне напоминает автомобильный радиатор

и может располагаться как в верхней, так и в нижней части морозильной камеры или за панелью на задней стенке этой камеры. За испарителем устанавливается вентилятор, который забирает воздух из морозильной и холодильной камер и прогоняет его через испаритель.

При прохождении через испаритель воздух охлаждается и по системе каналов направляется на охлаждаемые продукты. Большая часть охлаждённого воздуха поступает в морозильную камеру, а меньшая — по дополнительному каналу в холодильную. Исключение составляют холодильники FROST FREE , в холодильной камере которых установлен «плачущий» испаритель, и холодный воздух циркулирует только в пределах морозильной камеры.

Вопреки названию системы NO FROST (что у нас переводится как «без инея»), иней всё-таки образуется — просто его не видно, т.к. он образуется на закрытом от глаз испарителе. Периодически, раз в 8-16 часов, этот иней оттаивается нагревательными элементами, расположенными под испарителем или вмонтированы непосредственно в его конструкцию.

Командует оттайкой либо механический, либо электронный таймер. Подробнее о системе оттайки Вы можете узнать ниже на примере холодильника STINOL-104 .

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОТТАЙКОЙ ХОЛОДИЛЬНИКОВ NO FROST

На данной схеме не изображены пуско-защитное реле, датчик задержки вентилятора и некоторые другие элементы, чтобы не усложнять схему.

Условные обозначения:

• Пр — плавкий предохранитель;
• Т-Т — терморегулятор;
• 1, 2 и 3 — контакты таймера;
• МТ- моторчик таймера;
• R1 — нагреватель испарителя;
• R2 — нагреватель поддона каплепадения;
• ДП — датчик перегрева;
• МВ -мотор вентилятора;
• L 1 — индикаторная лампа.

Принцип работы:

При включении холодильника питание 220В подаётся на плавкий предохранитель ПР через включенные контакты термостата Т-Т, далее через контакты 1 и 2 таймера на мотор вентилятора и на мотор-компрессор.

Датчик перегрева в тёплом состоянии разомкнут, и ток через моторчик таймера не проходит, т.е. таймер в начале работы холодильника не работает. При понижении температуры в морозильной камере датчик перегрева, установленный на испарителе, замыкается, и таймер начинает отсчитывать время работы холодильника в режиме замораживания.

Отсчитав цикл замораживания, таймер размыкает контакты 1 и 2 и замыкает контакты 1 и 3. При этом разрывается цепь питания вентилятора и мотор-компрессора, и включаются нагреватели R1 и R2. Пока датчик перегрева замкнут, ток на моторчик таймера не поступает, и таймер не работает.

Температура на поверхности испарителя повышается, иней с него оттаивает, и из-за повышения температуры на испарителе размыкаются контакты датчика перегрева. Начинает работать моторчик таймера, и через некоторое время таймер размыкает контакты 1 и 3 и замыкает контакты 1 и 2. Запускается мотор-компрессор, вентилятор, и начинается цикл замораживания.

4. Принудительная заморозка (режим SUPER)

Режим принудительной заморозки продуктов применяется на морозильниках и двухкамерных холодильниках для замораживания большого количества тёплых продуктов.
Суть этого режима заключается в следующем: замораживаемые продукты, помещённые в морозильную камеру, начинают охлаждаться с внешней части и лишь через некоторое время промерзают внутри.

Температура в холодильниках и морозильниках регулируется термостатом, или температурным датчиком, который отслеживает температуру либо самого испарителя, либо воздуха в морозильной камере, но не температуру замораживаемых продуктов.

И может случиться, что температура испарителя или воздуха в морозильной камере достигнет нужной для регулятора величины, и он отключит мотор-компрессор прежде, чем продукты промёрзнут насквозь.

Именно в таких случаях используется режим принудительной заморозки, при котором отключается регулятор температуры, и мотор-компрессор будет работать, без отключения, пока пользователь самостоятельно не отключит этот режим, убедившись в том, что продукты замёрзли.

Поскольку в режиме принудительной заморозки мотор-компрессор работает, без отключения, необходимо помнить, что такая работа мотора-компрессора более двух суток может привести к его поломке.

Включается режим принудительной заморозки (если он предусмотрен на данной модели холодильника или морозильника) специальной клавишей (кнопкой) или поворотом терморегулятора морозильной камеры по часовой стрелке до упора.

5. Обогрев дверного проёма

Обогрев дверного проёма применяется для предотвращения появления сконденсированной влаги на поверхности дверных проёмов. Конденсат на этих поверхностях появляется из-за разницы температуры внутри морозильного шкафа (камеры) и температуры окружающей среды.

К примеру, если в помещении, где установлен холодильник, температура + 30°С, а внутри морозильной камеры -18°С, то образование конденсата на торцах морозильного шкафа в местах прилегания уплотнительной резины практически неизбежно.

Хотя бывает, что на некоторых холодильниках функция электрического обогрева дверного проёма может быть отключена специальной клавишей. Это делается в случаях, когда в помещении, где находится холодильник, достаточно прохладно.

Функция отключения обогрева дверного проёма называется энергосберегающей , так как в таких холодильниках обогрев проёма осуществляется при помощи электрических нагревательных элементов. Однако в большинстве современных холодильников обогрев дверного проёма осуществляется за счёт горячего хладагента, нагнетаемого мотор-компрессором в конденсатор холодильного агрегата.

В таких моделях горячий хладагент, нагнетаемый мотор-компрессором, проходит по трубопроводу, проложенному в стенке холодильного шкафа, затем идёт по трубопроводу, уложенному внутри шкафа по периметру дверного проёма, обогревает этот проём и, уже немного остывший, по трубопроводу в стенке шкафа поступает в конденсатор агрегата.

В холодильниках и морозильниках с такой системой обогрева во время выхода холодильной системы в режим могут довольно сильно нагреваться стенки холодильного шкафа и дверной проём, что не является неисправностью.

6. Нулевая зона

Нулевой зоной называют специальный отсек холодильной камеры, предназначенный для хранения свежего мяса, свежей птицы и рыбы.

Как правило, этот отсек представляет собой выдвижные ящики, которые обычно располагаются между морозильной и холодильной камерами. Производителями декларируется поддержание в таком отделении определенной влажности и температуры около 0°С.

В некоторых моделях этот отсек представляет собой отдельную холодильную камеру, которая обычно располагается между морозильной и холодильной камерами. В таком отделении влажность обычно не превышает 50% при температуре 0°С.

Благодаря таким условиям хранения многие продукты сохраняют свою свежесть в среднем в два-три раза дольше, чем в обычном холодильнике.

7. Зачем в некоторых холодильниках рядом с плачущим испарителем установлен вентилятор?

Этот вентилятор повышает эффективность теплообмена между воздухом холодильной камеры и поверхностью испарителя.

Принудительная циркуляция воздуха, которую обеспечивает вентилятор, позволяет точнее поддерживать заданную пользователем температуру во всем объеме холодильной камеры (особенно актуально для холодильных камер большого объема). Кроме того, значительно сокращается время, необходимое для охлаждения только что загруженных в камеру продуктов до температуры хранения.

8. Электронное управление или механическое, что лучше?

Электронная система управления, по сравнению с механической, имеет целый ряд преимуществ. Среди них более точное поддержание заданной температуры в камерах, возможность некоторой оптимизации процесса производства искусственного холода с целью повышения экономичности холодильника, предоставление пользователю целого перечня дополнительных функций и сервисов (индикация текущей температуры в камерах на электронном табло, звуковое и визуальное информирование о повышении температуры в камерах или неплотно закрытой двери, автоматическое отключение режима суперзаморозки по прошествии определенного времени и многое другое). Безусловно, если ориентироваться на технические характеристики и удобство пользования, то холодильники с электронной системой управления выглядят значительно привлекательнее своих «механических» собратьев.

Главным плюсом «механики» является простота и надежность. Конструкция механических приборов автоматики совершенствовалась на протяжении всей истории развития бытовых холодильников, и к настоящему моменту технология их производства отработана до мелочей. Механические устройства управления несколько дешевле электронных систем, а разработка холодильников на их основе требует меньших капиталовложений и происходит быстрее. В итоге, холодильник с механическим управлением оказывается дешевле аналогичного по размерам «электронного» аппарата.

Кроме того, в отличии от электроники, механические приборы практически нечувствительны к различным нестабильностям сетевого напряжения.

Следует учитывать и тот факт, что ремонт холодильника, оборудованного электроникой, как правило, обходится дороже. А необходимые для ремонта электронные комплектующие иногда приходится предварительно заказывать из-за границы, в то время, как для «механики» обычно все есть в наличии

Современные холодильники бывают очень непохожи друг на друга. Существует множество типов их классификаций. Основным можно считать разделение холодильников по принципу действия:

• Компрессионный;
• Абсорбционный;
• Термоэлектрический;
• Пароэжекторный (с вихревым охладителем).

Наиболее часто в бытовых холодильниках в настоящее время используется компрессионный принцип. Поэтому кратко рассмотрим устройство и принцип действия холодильника этого типа.

Устройство холодильника

Холодильник представляет собой изотермический шкаф с установленным в нем электрическим оборудованием. Герметичный шкаф изготавливается из ударопрочного пластика или листовой стали, покрытой белой эмалью. Внутри шкаф также может быть металлическим или пластмассовым.

Дверь состоит из двух панелей с расположенным между ними теплоизолятором. Для обеспечения герметичности по периметру внутренней стороны оснащают магнитным уплотнителем. В закрытом положении двери удерживаются с помощью магнитных, реже механических затворов. Вдоль стенок, низа и дна холодильника и под внутренней панелью двери проложена теплоизоляция. В качестве теплоизоляционных материалов используют штапельное стекловолокно, минеральный войлок, пенополистирол и пенополиуретан.

Компрессор - основной элемент холодильника, который закачивает и перегоняет хладагент в конденсатор и затем высасывает его пары из испарителя. В бытовых холодильниках может быть 1-2 компрессора.

Хладагентом - рабочим веществом, отнимающим тепло от объекта - чаще всего выступает фреон.

Конденсатор - металлическая трубка диаметром около 5 мм изогнутая, как правило, в виде «змейки», соединенную через 10-15 мм тонкими металлическими прутиками. В нем происходит переход фреона в жидкое состояние, во время которого в окружающую среду уходит избыточное тепло.

Фильтры-осушители , представляющие собой цилиндры с зауженными краями, устанавливаются в конденсаторе или недалеко от него. Они удаляют воду из системы и очищают фреон от механических загрязнений, образующихся во время эксплуатации.

Испаритель . Его действие противоположно действию конденсатора: при переходе в нем фреона в газообразное состояние поглощается тепло (выделяется холод). Внешний вид полностью аналогичен конденсатору. Может располагаться внутри камер холодильника или же встраиваться в стенки.

Капилляр - медная трубка длиной 1,5-3 м, установленная между испарителем и конденсатором, понижает давление проходящего через него фреона.

Пусковое реле служит для запуска и бесперебойной работы компрессора, а также защищает от перепадов напряжения.

Терморегуляторы (датчики температуры) отслеживают температуру внутри холодильной камеры. Они работают в определенном температурном коридоре, и когда температура выходит за его границы, то включают или отключают компрессор.

Крыльчатки обеспечивают циркуляцию воздуха внутри камеры холодильника.

Лампы , включающиеся автоматически при открытии дверцы холодильника, обеспечивают комфортное освещение внутри него.

Принцип работы холодильника

Холод образуется при изменении агрегатного состояния холодильного агента, циркулирующего по замкнутому контуру. Хладагент проходит четыре фазы:

Типы холодильников, их систем охлаждения

Первые устройства для охлаждения пищи и напитков появились несколько тысяч лет назад в Древнем Египте и Китае. В большинстве случаев древние холодильники представляли собой две емкости: меньшая с едой помещалась в большую, частично заполненную льдом или холодной водой. Очевидно, что такое устройство было доступно исключительно для богатых людей и являлось не только предметом роскоши, но и произведением искусства.

Научно-техническая революция XIX века внесла свой вклад и в технологии замораживания еды. Так, начиная с 1850 года в опытных и промышленных образцах, а с 1913 года и в бытовых холодильниках для охлаждения используются так называемые тепловые насосы - специальные устройства, переносящие тепло из рабочей (холодильной или морозильной) камеры во внешнюю среду.

Возможность длительного сохранения свежести продуктов была по достоинству оценена, поэтому к середине XX века холодильник был практически в каждой американской семье, у 30% хозяек из Западной Европы - и лишь у отдельных граждан Советского Союза, так как отец всех народов И. В. Сталин отнес холодильник к буржуазным излишествам. Маловероятно, чтобы Сталин целенаправленно старался уморить население несвежими продуктами, просто в предвоенные годы почти весь металл, необходимый в том числе и для изготовления холодильников, шел на строительство военной техники. Тем не менее начало массового производства холодильников в СССР совпало с развенчанием культа личности, поэтому, если секса в Советском Союзе не было еще долгих сорок лет до самого 1991 года, холодильники к концу 80-х годов были практически в каждой семье.

За последующие двадцать лет разгула демократии холодильники проникли на все кухни, в том числе деревенских и дачных домов. Современные хозяйки могут позволить себе покапризничать и выбрать из всего множества моделей подходящую им по цвету и размеру. Однако, несмотря на бесконечное их разнообразие, технология охлаждения и заморозки еды и напитков практически во всех холодильниках неизменна уже полвека.

Типы холодильников

Всего можно выделить четыре вида холодильных агрегатов, которые претендовали на звание домашних: компрессионный, абсорбционный, термоэлектрический и холодильник с вихревыми охладителями.

В последнем, крайне редком типе, не вышедшем за пределы прототипов и тестовых установок, охлаждение осуществляется за счет расширения сжатого компрессором воздуха в специальных камерах - вихревых охладителях . Эти устройства были надежны и безопасны, однако обладали крайне низким КПД, чудовищно шумели и поэтому практически не имели шансов на успех, особенно в быту.

Агрегаты второго типа - абсорбционные холодильники , конструкция которых была предложена Альбертом Эйнштейном - обеспечивают охлаждение рабочей камеры за счет испарения аммиака. Свое название они получили потому, что циркуляция хладагента происходит в процессе его растворения в жидкости, чаще всего в воде. Для дальнейшей работы холодильника этот раствор разделяется на воду и аммиак, после чего последний сжижается, затем испаряется и снова растворяется в воде, далее цикл повторяется с самого начала.

В отличие от вихревых холодильников абсорбционные практически бесшумны, кроме того, в большинстве конструкций также отсутствуют движущиеся части. Устройства, основанные на этом принципе, обладают достаточно экзотической для бытовых устройств особенностью - они могут работать не на электричестве, а на сжигаемом топливе, например дровах. Это позволяет брать такие холодильники, например, в поход или на пляж. Несмотря на преимущества, не обошлось и без недостатков - относительно низкая удельная производительность, а также потенциальная опасность отравления ядовитыми веществами.

Автомобильный холодильник

В основе работы термоэлектрического холодильника лежит эффект Пельтье - охлаждение места контакта двух разных проводников при прохождении электрического тока. Холодильники на таких элементах надежны, бесшумны, но достаточно дороги и крайне малоэффективны по сравнению с другими тепловыми насосами. Несмотря на это, их можно встретить в автомобильных охладителях, водных и компьютерных кулерах.

Структура элемента Пельтье

В быту наиболее распространены компрессионные холодильники . Они основаны на свойстве вещества поглощать тепло при испарении. Хладагент (безопасный газ фреон) кипит в испарителе, охлаждая тем самым воздух внутренней камеры. Для завершения цикла его нужно снова превратить в жидкость. Это происходит при повышенном давлении, создаваемом компрессором в конденсаторе, при этом выделяется тепло. Конденсаторы могут размещаться сзади как в открытом виде (знакомая всем решетка), так и в закрытом (конденсатор защищен специальной пластиной, а для эффективного теплообмена сверху предусмотрены вентиляционные отверстия). Кроме того, некоторые производители размещают конденсатор в боковых стенках, что позволяет устанавливать холодильник впритык к стене.

Компрессор - самый шумный элемент холодильника

Этот тип теплового насоса относительно прост, дешев и безопасен при бытовом применении. Недостатком конструкции является шум, создаваемый компрессором, поэтому для снижения шумовой нагрузки его размещают на специальных виброподвесах.

Одно- и двухкомпрессорные холодильники

На рынке присутствуют холодильники, оснащенные как одним, так и двумя компрессорами. В последнем случае в каждой камере (холодильной и морозильной) реализована автономная система охлаждения, что позволяет независимо регулировать температуру и отключать неиспользуемые камеры. Это может быть полезным, например, при длительном отпуске или в том случае, когда временно нет необходимости замораживать и долго хранить продукты.

В холодильниках с одним компрессором для раздельного управления работой камер используется электромагнитный клапан, регулирующий подачу хладагента к испарителям. Для потребителей это означает, что разницы по сравнению с двухкомпрессорными моделями при эксплуатации они не заметят. Единственное отличие - нельзя отключить морозильную камеру.

В целом двухкомпрессорные модели несколько дороже, менее надежны (за счет большего количества элементов и, соответственно, большей вероятности поломки), однако потенциально имеют преимущество в том, что при отказе одного компрессора второй продолжает функционировать. Остается неясным, кто будет довольствоваться одной работающей камерой из двух возможных.

Системы охлаждения

Любые холодильники, даже самые современные, требуют регулярного обслуживания. В первую очередь это связано с тем, что на испарителях намерзает иней. Всего существует несколько систем, с тем или иным успехом борющихся с этой проблемой.

Наиболее распространенной является так называемая плачущая стенка или «плачка». Холодильник с такой системой работает следующим образом: испаритель на задней стенке охлаждает холодильную камеру, но при этом на нем образуется иней. На одном из этапов работы холодильника компрессор останавливается, охлаждение прекращается и иней тает, превращаясь в воду, которая стекает по дренажной системе в специальную емкость, расположенную вблизи компрессора. При работе последнего емкость нагревается и вода испаряется. Очевидно, что при этом в холодильной камере поддерживается достаточно высокая влажность.

Знакомая всем "плачущая" стенка

Работа такой системы предполагает разморозку испарителя морозильной камеры от нескольких раз в год до одного раза в несколько лет, в зависимости от условий эксплуатации - нагрузки, влажности, частоты открытия дверцы и прочих факторов. Такие устройства теоретически более надежны, чем модели с принудительным охлаждением, поскольку система более простая.

Второй тип - смешанное охлаждение , когда в холодильной камере оттаивание происходит автоматически ("плачущая" стенка), а в морозильной - с помощью электронагревателя. В зависимости от произволителя такая комбинированая система может называться по-разному - No Frost, Frost Free и т. д.

Третья, технически более сложная, система основана на охлаждении продуктов за счет потоков холодного воздуха. Скрытый за стенкой испаритель с помощью специальных вентиляторов охлаждает обе камеры. Его температура несколько ниже, чем внутри камер, и поэтому иней намерзает только на нем, при этом оттаивание, как и в случае комбинированной системы, происходит за счет специального нагревателя. В итоге стенки камер холодильника, оснащенного такой системой, не обмерзают, что значительно облегчает уход. Маркетинговые названия - Full No Frost, Full Frost Free и т. д.

Системы No Frost впечатляют полным отсутствием инея в морозилке

Нужно отметить, что, независимо от системы охлаждения, необходимо периодически проводить гигиеническую уборку холодильника, которую достаточно легко совмещать с разморозкой.

Полки

Несмотря на свою кажущуюся простоту, большую роль в работе холодильника играют полки. Дело в том, что старые, решетчатые, полки, при всех своих многочисленных недостатках, обладали одним серьезным преимуществом - обеспечивали качественную циркуляцию воздуха, а значит, и более равномерное охлаждение.

От полок во многом зависит удобство использования холодильника

Современные полки из закаленного стекла весьма удобны, красивы и гигиеничны, но существенно затрудняют конвекцию воздуха. Поэтому многие производители оснащают свои устройства принудительной вентиляцией для обеспечения качественного перемешивания воздуха. Как правило, каждое решение получает свое маркетинговое имя и преподносится как значительное усовершенствование, например Multi Air Flow, Dynamic Air Flow и т. д.

Дополнительные функции охлаждающей системы

Некоторые модели холодильников оснащены функцией суперзаморозки - она позволяет дополнительно охлаждать морозильную камеру, для того чтобы при добавлении новых продуктов не возрастала температура и не оттаивали уже хранящиеся. Кроме того, пониженная температура обеспечивает быструю заморозку, а значит, позволяет лучше сохранить полезные свойства пищи. Нужно отметить, что аналогичная функция существует и для холодильной камеры.

Существенным расширением функциональности холодильника, безусловно, являются так называемые зоны свежести . Такая зона представляет собой отдельную камеру или ячейку (ящик), в которой поддерживается температура, близкая к нулевой. Это позволяет без заморозки длительное время сохранять свежесть продуктов, в первую очередь скоропортящихся. Оптимальным является наличие отдельной камеры, похожей на холодильную, но меньших размеров. Такое разделение позволяет эффективно поддерживать температуру и влажность.

Зоны свежести уменьшают частоту походов в магазин

Обычно пользователям предлагаются две зоны свежести:

• сухая, предназначенная для хранения мяса, птицы, рыбы, морепродуктов;
• влажная, которая идеально подходит для сохранения овощей, фруктов, зелени.

Так, по информации компании - одной из родоначальниц нулевых зон - срок хранения ягод увеличивается в 3-4 раза, картофель и яблоки останутся свежими практически три месяца, а мясо и птица продержатся целую неделю вместо нескольких дней. Это означает, что планировать свой рацион и запасы можно с гораздо большей свободой. В более простых решениях, когда зона свежести представляет собой ящик или специальное отделение внутри холодильной камеры, такой контроль температуры и влажности по понятным причинам невозможен, что снижает полезность нулевой зоны.

Льдогенератор, несомненно, порадует ваших гостей

Еще одним приятным дополнением может стать льдогенератор - специальное устройство, автоматически готовящее лед. Как правило, такие холодильники напрямую подключаются к источнику холодной воды, которая фильтруется для повышения качества льда. Нужно отметить, что в ряде случаев некоторые производители льдогенераторами могут называть специальную систему лотков, предусматривающую минимальную автоматизацию получения льда.

Сегодня в охлаждении нуждается огромное количество продуктов, а еще без холода невозможно реализовать многие технологические процессы. То есть с необходимостью применения холодильных установок мы сталкиваемся в быту, в торговле, на производстве. Далеко не всегда удается использовать естественное охлаждение, ведь оно сможет понизить температуру лишь до параметров окружающего воздуха.

На выручку приходят холодильные установки. Их действие основано на реализации несложных физических процессов испарения и конденсации. К преимуществам машинного охлаждения относится поддержание в автоматическом порядке постоянных низких температур, оптимальных для определенного вида продукта. Также немаловажными являются незначительные удельные эксплуатационные, ремонтные затраты и расходы на своевременное техническое обслуживание.

Для получения холода используется свойство холодильного агента корректировать собственную температуру кипения при изменении давления. Чтобы превратить жидкость в пар, к ней подводится определенное количество теплоты. Аналогично конденсация парообразной среды наблюдается при отборе тепла. На этих простых правилах и основывается принцип работы холодильной установки.

Это оборудование включает в себя четыре узла:

• компрессор
• конденсатор
• терморегулирующий вентиль
• испаритель

Между собой все эти узлы соединяются в замкнутый технологический цикл при помощи трубопроводной обвязки. По этому контуру подается холодильный агент. Это вещество, наделенное способностью кипеть при низких отрицательных температурах. Этот параметр зависит от давления парообразного хладагента в трубках испарителя. Более низкое давление соответствует низкой температуре кипения. Процесс парообразования будет сопровождаться отнятием тепла от той окружающей среды, в которую помещено теплообменное оборудование, что сопровождается ее охлаждением.

При кипении образуются пары хладагента. Они поступают на линию всасывания компрессора, сжимаются им и поступают в теплообменник-конденсатор. Степень сжатия зависит от температуры конденсации. В данном технологическом процессе наблюдается повышение температуры и давления рабочего продукта. Компрессором создают такие выходные параметры, при которых становится возможным переход пара в жидкую среду. Существуют специальные таблицы и диаграммы для определения давления, соответствующего определенной температуре. Это относится к процессу кипения и конденсации паров рабочей среды.

Конденсатор – это теплообменник, в котором горячие пары хладагента охлаждаются до температуры конденсации и переходят из пара в жидкость. Это происходит путем отбора от теплообменника тепла окружающим воздухом. Процесс реализуется при помощи естественной или же искусственной вентиляции. Второй вариант зачастую применяется в промышленных холодильных машинах.

После конденсатора жидкая рабочая среда поступает в терморегулирующий вентиль (дроссель). При его срабатывании давление и температура понижается рабочих параметров испарителя. Технологический процесс вновь идет по кругу. Чтобы получить холод необходимо подобрать температуру кипения хладагента, ниже параметров охлаждаемой среды.

На рисунке представлена схема простейшей установки, рассмотрев которую можно наглядно представить принцип работы холодильной машины. Из обозначений:

• «И» — испаритель
• «К» -компрессор
• «КС» — конденсатор
• «Д» — дроссельный вентиль

Стрелочками указано направление технологического процесса.

Помимо перечисленных основных узлов, холодильная машина оснащается приборами автоматики, фильтрами, осушителями и иными устройствами. Благодаря им установка максимально автоматизируется, обеспечивая эффективную работу с минимальным контролем со стороны человека.

В качестве холодильного агента сегодня в основном используются различные фреоны. Часть из них постепенно выводится из употребления ввиду негативного воздействия на окружающую среду. Доказано, что некоторые фреоны разрушают озоновый слой. Им на смену пришли новые, безопасные продукты, такие как R134а, R417а и пропан. Аммиак применяется лишь в масштабных промышленных установках.

Теоретический и реальный цикл холодильной установки

На этом рисунке представлен теоретический цикл простейшей холодильной установки. Видно, что в испарителе происходит не только непосредственно испарение, но и перегрев пара. А в конденсаторе пар превращается в жидкость и несколько переохлаждается. Это необходимо в целях повышения энергоэффективности технологического процесса.

Левая часть кривой – это жидкость в состоянии насыщения, а правая – насыщенный пар. То, что между ними – паро-жидкостная смесь. На линии D-A` происходит изменение теплосодержания холодильного агента, сопровождающееся выделением тепла. А вот отрезок В-С` наоборот, указывает на выделение холода в процессе кипения рабочей среды в трубках испарителя.

Реальный рабочий цикл отличается от теоретического ввиду наличия потерь давления на трубопроводной обвязке компрессора, а также на его клапанах.

Чтобы компенсировать данные потери работа сжатия должна быть увеличена, что снизит эффективности цикла. Данный параметр определяется отношением холодильной мощности, выделяемой в испарителе к мощности, потребляемой компрессором и электрической сети. Эффективность работы установки – это сравнительный параметр. Он не указывает непосредственно на производительность холодильника. Если данный параметр 3,3, это будет указывать, что на единицу электроэнергии, потребляемой установкой, приходится 3,3 единицы произведенного ею холода. Чем больше этот показатель, тем выше эффективность установки.

Устройство и принцип работы холодильной установки