Принцип работы компрессорных, абсорбционных и термоэлектрических холодильников

Принципиально устройство холодильника представляет собой закрытую термоизолированную камеру, в которой поддерживается постоянная низкая температура. Если бы это была идеальная адиабатическая система, не допускающая обмена энергией с окружающей средой, то достаточно было бы в камеру положить кусок льда. И чем больше он будет по отношению к объему камеры, тем ниже опустится температура продуктов, когда система достигнет термодинамического равновесия. Но реально таких изолированных систем нет, и холодильные агрегаты используют внешние источники энергии, чтобы создать в камере стабильную низкую температуру. А как они это делают, зависит от принципа работы.

Виды холодильников

Есть четыре вида холодильников, которые отличаются принципом действия. По мере распространенности их можно расположить в следующем порядке:

• компрессорные;
• абсорбционные;
• термоэлектрические;
• вихревые.

Компрессорные холодильные установки

Принцип работы холодильника этого типа основан на использовании обратного цикла Карно. В замкнутом герметичном контуре между испарителем и конденсатором циркулирует хладагент, изменяя при этом свое агрегатное состояние.

В испаритель, который находится внутри холодильной камеры, хладагент (в данном случае — фреон) попадает в жидком состоянии. Там, в условиях низкого давления, он расширяется, «вскипает» и отбирает тепло у стенок испарителя, а те охлаждают воздух в камере.

Из испарителя газообразный фреон засасывается компрессором, сжимается, попадает в конденсатор, остывает, отдает в окружающую среду избыточное тепло через радиаторную решетку и конденсируется.

Затем цикл повторяется.

Абсорбционный холодильник

Работа этого типа холодильника построена на том же принципе, что и компрессорного — снижение температуры за счет испарения хладагента. Но имеет другую схему перехода агрегатных состояний.

Справка. Здесь в качестве хладагента используют жидкость с низкой температурой кипения, способную растворяться в воде. А в качестве «привода», который обеспечивает циркуляцию хладагента, выступает нагреватель («котел»).

Чаще всего в качестве хладагента используется аммиак, а цикл работы холодильника выглядит так:

1. Водный раствор аммиака разогревается в генераторе (десорбере).
2. Аммиак вскипает быстрее воды, поэтому образуются его концентрированные пары, которые поступают в конденсатор. Там пары охлаждаются, аммиак переходит в жидкое состояние и поступает через дроссель в испаритель.
3. В испарителе в результате низкого давления аммиак «закипает», превращается в газ и отбирает тепло из холодильной камеры.
4. Затем парожидкостная аммиачная смесь поступает в абсорбер, где она растворяется в воде.
5. Из абсорбера раствор попадает в генератор. Цикл повторяется.

Недостаток — низкая хладопроизводительность и долговечность холодильника. Достоинство — возможность работать не только от электричества, но и на энергии сжигания топлива (например, сжиженного газа).

Термоэлектрический холодильник

Работа такого типа холодильника основана на свойствах биметаллической пары контактов. При прохождении тока через любую пару проводников (или полупроводников) из разнородных металлов в зоне контакта образуется разность потенциалов (эффект Пельтье). Благодаря этому здесь возникает свое «внутреннее» контактное электромагнитное поле. Если ток совпадает с его направлением, то у проводника с высоким потенциалом отбирается часть тепловой энергии, и он остывает. А второй проводник нагревается.

Недостатки термоэлектрического холодильника — низкая холодопроизводительность и дороговизна. Основная сфера применения — переносные сумки-холодильники.

В заключение раздела о четвертом типе — вихревых холодильниках. Здесь также используются компрессоры, но они работают с воздухом. Их задача — доставить сжатый воздух в охладительную камеру низкого давления, где он расширяется и отбирает тепло у окружающей среды. Недостатки этого типа — низкий КПД, высокий уровень шума и большие габариты.

Устройство компрессорного холодильника

Конструктивно компрессорный холодильник состоит из следующих элементов и узлов:

• Герметичные холодильная и морозильная камеры, закрывающиеся дверкой с резиновым уплотнителем.
• Испаритель. У однокамерного холодильника он выполнен в виде «морозилки», стенки которой сделаны из спаянных пластин профилированного листового металла. В холодильном отсеке двухкамерного холодильника – это плоский щитовой радиатор с «проложенным» в нем канале для хладагента. В морозильной камере двухкамерного холодильника испаритель обычно делают в виде змеевика с «оперением» в виде ребристого радиатора.
• Конденсатор. Установлен снаружи на задней стенке. Представляет собой змеевик с закрепленным к нему решетчатым радиатором.
• Фильтр-осушитель. Необходим для очистки хладагента от влаги и механических частиц. Влага попадает в систему извне разными путями: диффузия, недостаточная герметичность соединений трубопроводов и компрессора, во время заправки фреоном. А механические примеси появляются в результате коррозии трубопроводов.
• Дроссель или капилляр. Выполняет функцию терморегулирующего расширительного вентиля. Нужен для создания низкого давления в испарителе.
• Мотор-компрессор. Отвечает за циркуляцию хладагента в системе, вместе с дросселем обеспечивает разность давлений в испарителе и конденсаторе. У бытовых холодильников наиболее распространены поршневые компрессоры, реже роторные. Оба варианта по принципу действия относятся к объемному типу. По устройству компрессор холодильника представляет собой герметичный моноблок, внутри которого находится рабочая камера, впускные и выпускные клапаны, двигатель.
• Датчик температуры. Участвует в управлении холодильником. У обычных холодильников с асинхронным двигателем или электромагнитным (линейным) приводом он подает «команду» на реле, которое запускает или отключает мотор. У инверторных холодильников (с электродвигателем постоянного тока) от его показаний зависит частота вращения ротора.
• Пусковое реле. Обязательный узел для компрессоров бытовых холодильников с асинхронным двигателем и питанием от сети 220 В. Чтобы «раскрутить» неподвижный ротор, у статора, кроме рабочей обмотки, есть вспомогательная — пусковая. На нее кратковременно подается напряжение, которое сдвинуто по фазе относительно рабочей обмотки. Именно эта разность фаз обмоток статора индуцирует в замкнутом контуре ротора электродвижущую силу и создает первоначальный крутящий момент. Для вращающегося ротора в таком поле уже необходимости нет, поэтому с помощью электромагнитного реле или позистора стартовая обмотка отключается.
• Блок управления. У «простых» моделей может быть электромеханическим — например, терморегулятор и кнопка оттаивания у холодильника Бирюса-2. У современных образцов управление электронное, и за него отвечает микропроцессор.

Некоторые особенности компрессорных холодильников

У некоторых моделей холодильников есть дополнительный, регенеративный теплообменник. В нем происходит теплообмен между жидким хладагентом после конденсатора (перед подачей в дроссель) и газообразным хладагентом после испарителя (перед подачей в компрессор). В результате теплообмена «холодный» пар из испарителя нагревается, а жидкость дополнительно охлаждается. Это увеличивает эффективность работы холодильника — «доохлаждение» жидкого хладагента увеличивает производительность системы. А «перегрев» пара перед компрессором необходим для его безопасной работы — предотвращает проникновение в компрессор жидкого хладагента.

Другая особенность — количество камер.

Справка. У старых моделей двухкамерных холодильников на оба отсека работал один компрессор. И чтобы обеспечить эффективное охлаждение морозилки, ее объем делали намного меньше, чем у холодильной камеры.

Большинство современных моделей имеют две камеры и два компрессора. Это дает возможность независимого управления работой каждой камеры, что уже ведет к повышению энергоэффективности холодильника. У обычных систем типа Combi объем морозильной камеры может достигать половины полезного объема, и она обычно располагается снизу. А у холодильников типа Side-by-side обе камеры одинаковы, и они расположены рядом друг с другом.

Трехкамерные холодильники имеют дополнительный отсек с нулевой температурой. Он предназначен для хранения продуктов, которым «противопоказан» режим заморозки из-за содержащейся в них воде.фильт

В отдельную категорию выделяют системы «No Frost». В них реализован принцип динамической системы охлаждения камеры. В отличие от статической системы охлаждения, циркуляция воздуха в камере происходит с помощью встроенного вентилятора. Это обеспечивает равномерное охлаждение всего объема и предотвращает появление наледи на испарителе.

Видео: принцип работы холодильника

Видео: устройство компрессионного холодильника