Бытовые холодильники

Следует отметить, что в разработку альтернативных хладагентов рядом  государств вложены значительные финансовые средства и по некоторым оценкам  специалистов они за последние шесть  лет составили свыше 2,4 млрд. долл. Только затраты на изучение токсичности R134a по данным Международного института  холода составили около 4,5 млн. долларов, при длительности исследований 7 лет.

Рассматривая направления развития производства бытовой холодильной  техники в странах Европы, России, США, Японии, Южной Кореи, Азии следует  отметить следующие, характерные тенденции: 
- Улучшение удобств при пользовании и условий хранения продуктов, уменьшение трудоемкости обслуживания. При этом значительно возросло количество холодильников с камерами или отделениями «сухой» и «влажной свежести» (biofresh), позволяющими продлить сроки хранения продуктов в свежем, не замороженном состоянии (-2 °С...+2 °С). Намечается также тенденция увеличения емкости зоны «свежести», или универсальной камеры, с возможностями изменения в широких пределах температурных режимов хранения продуктов. Такие модели ориентированы на потребителей,

 предпочитающих свежие продукты  замороженным. Вынесение приборов  управления из камер на наружную  панель управления и внедрение цветовой индикации о режимах работы. Более широкое внедрение прозрачных материалов для сосудов, полок, щитков, дверок и легкосъемных принадлежностей.

Во внешнем дизайне сохранение мягких скругленных форм углов у дверей (swing - design). Интерьер европейских моделей сохраняет традиционные формы, а обновление идет за счет внедрения новых материалов. Для изготовления прозрачных полок преимущественно используется тяжелое небьющееся закаленное стекло, а в корейских аналогах предпочтение отдается легким полимерным материалам.Установка дезодораторов для устранения неприятных запахов, включаемых автономной кнопкой на наружном пульте управления. Оснащение морозильных камер аккумуляторами холода в виде лотков-подносов для сохранения низких температур в морозильной камере при неработающем компрессоре, стабилизации температурного режима при его цикличной работе, а также для быстрого замораживания ягод и охлаждения напитков. Компьютеризация управления, световая индикация о режимах охлаждения и независимое регулирование температур в камерах. Световая индикация о неплотно закрытой двери и неправильной эксплуатации холодильника с дублированием звуковой сигнализацией. Вертикальное расположение камер холодильников. Подавляющее большинство европейских, российских, японских и корейских моделей имеют вертикальное расположение камер. В европейских моделях морозильные камеры объемом до 50 дм³, как правило, располагаются вверху, а свыше 80 дм³ - внизу со своим компрессором. Морозильные камеры объемом 50...80 дм³ имеют либо верхнее, либо нижнее расположение. Доля морозильной камеры в общем объеме холодильника составляет от 7 до 35%. Устройство в двухкамерных холодильниках двухиспарительной системы охлаждения с самооттаивающим испарителем

холодильной камеры и ручной оттайкой испарителя морозильной камеры «Бирюса», «Атлант», «Stinol» и др. Выпуск холодильников с системой охлаждения «No Frost» с самооттаивающим испарителем холодильной

камеры и принудительной циркуляцией  воздуха в морозильной камере с автоматической оттайкой ее испарителя, а также выпуск холодильников  с принудительной циркуляцией воздуха  в одной или обеих камерах (Safe Frost).- Слияние бытовых холодильников с архитектурно-строительной оболочкой жилищного комплекса. - Применение электроконвективного теплообмена для испарителей, конденсаторов и компрессоров. Создание холодильников с бактерицидной обработкой пищевых продуктов и охлаждаемой среды в холодильной камере. Использование естественного холода в холодильниках. Упрощение ремонта холодильников

 

2. Физический принцип действия

Охлаждением называют процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Понизить температуру вещества можно путем уменьшения его внутренней энергии. Поэтому для искусственного охлаждения создают такие условия, при которых тепловая энергия (тепло) отводится от охлаждаемого тела (охлаждаемой среды) и воспринимается другим, более холодным телом. Для длительного охлаждения необходимо, чтобы восприятие тепла охлаждающим телом происходило без повышения его температуры, так как иначе температуры обоих тел (охлаждаемого и охладителя) станут одинаковыми и охлаждение прекратится. Таким свойством обладают тела при некоторых изменениях своего состояния, например, твердые тела могут воспринимать внешнее тепло без повышения своей температуры при плавлении или таянии; жидкие — в процессе испарения или кипения.

В основе современных  промышленных способов охлаждения лежат процессы испарения или кипения, плавления или таяния и сублимации.

Все эти процессы протекают с поглощением тепла из окружающей среды.

При переходе тела из твердого состояния в жидкое (плавление или

таяние) тепло, воспринимаемое им извне, затрачивается на изменение связей между молекулами вещества, на ослабление сил его молекулярного сцепления. Когда тело переходит из жидкого состояния в парообразное (испарение или кипение), тепло расходуется также на преодоление сил молекулярного сцепления жидкого тела и работу его расширения. В случае перехода тела из твердого состояния непосредственно в газообразное (сублимация), тепло расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давления, препятствующего этому процессу.

На свойстве тел поглощать  внешнее тепло при плавлении или таянии основано охлаждение льдом и льдосоляными смесями.

Охлаждение посредством  поглощения внешнего тепла при кипении летучих жидкостей осуществляется холодильными машинами. Свойство тел поглощать внешнее тепло при их сублимации используется для охлаждения так называемым сухим льдом. Наиболее распространенным в настоящее время является охлаждение холодильными машинами.

Искусственное охлаждение может  быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом расширении газов, термоэлектрическом явлении (эффекте Пельтье).

При адиабатическом расширении работа, совершаемая расширяющимся телом, производится за счет уменьшения его внутренней энергии, вследствие чего температура тела сильно понижается. Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением его температуры от 20 до —75° С.

Эффект Пельтье  заключается в том, что при  пропускании постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (ветвей) в местах их соединений (спаев) наблюдается разность температур,

т. е. один спай имеет  более высокую температуру (теплый спай), чем другой (холодный спай). Количество энергии, переносимое от холодного спая к

теплому, пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменениеполярности тока приводит к перемене мест теплого и холодного спаев.

Термоэлектрические  элементы начали использовать в охлаждающих устройствах после того, как были найдены высокоэффективные полупроводниковые материалы для их ветвей. Термоэлемент представляет собой два но- . следовательно соединенных полупроводника, образующих его ветви. Одну ветвь изготовляют из дырочного, а другую из электронного полупроводникового материала. Ветви соединяются спаями. Разность температур, получаемая на спаях термоэлемента, и эффективность термоэлектрических устройств по сравнению с другими охлаждающими устройствами зависят от материала ветвей.

Промышленность выпускает  термоэлектрические устройства для холодильных шкафов, охлаждаемых баров, холодильных ларей и т. д. Положительной особенностью этих устройств является непосредственное использование электрической энергии для переноса тепловой энергии с низкого температурного (холодный спай) уровня на более высокий (теплый спай) без промежуточных устройств и механизмов.

Естественным  путем тепло переходит только от тел с высокой температурой к телам с более низкой температурой. При машинном охлаждении требуется отводить тепло от охлаждаемой среды и передавать его более теплой среде, например, окружающему воздуху или водопроводной воде.

Согласно второму  закону термодинамики тепло может быть перенесено из холодной среды в теплую путем затраты извне механической или тепловой энергии. Для этого осуществляют специальные термодинамические циклы, называемые холодильными циклами. В холодильных циклах тепло

переносится с нижнего  температурного уровня на более высокий с помощью какого-либо тела. Такие тела называют рабочими веществами.

 

 

 

 

 

Рис. 1  Обратный термодинамический цикл в υ, р-диаграмме.

Простейший из холодильных циклов в υ, р-координатах показан на рис.1.2.1. В процессе 1—а—2 этого цикла рабочее тело расширяется, а в процессе 2—в—1 сжимается. Расширение протекает при температуре более низкой, чем температура окружающей среды, поэтому последняя охлаждается, а рабочее тело нагревается; сжимается рабочее тело при более

 высокой температуре  и во время сжатия тепло отводится в окружающую среду — в воздух или воду. На осуществление цикла расходуется внешняя механическая работа, которая в υ, р-диаграмме изображается площадью, ограниченной процессами, образующими цикл. Тепло, эквивалентное этой работе, воспринимается рабочим телом и передается им вместе с теплом, воспринятым от охлаждаемой среды, в окружающую (более теплую) среду. Если в рассмотренном цикле рабочее тело воспринимает от охлаждаемой среды q₀ тепла, а на сжатие того же количества рабочего тела расходуется l работы, то в окружающую среду согласно закону сохранения энергии от него должно отводиться тепло в количестве q= q_o+l. В действительности циклы холодильных машин значительно сложнее, чем рассмотренный.

Комплекс технических  устройств, с помощью которых осуществляется холодильный цикл, называется холодильной машиной.

Рабочим телом холодильных  циклов могут служить различные вещества. По своему физическому состоянию эти вещества во время сжатия могут быть в виде газа или пара. В связи с этим холодильные машины делят на газовые и паровые.

В газовых холодильных  машинах рабочее тело на протяжении всего 

цикла не изменяет своего агрегатного состояния. В паровых холодильных машинах оно переходит в отдельных процессах цикла из парообразного состояния в жидкое или наоборот из жидкого в парообразное.

Из газообразных веществ  в качестве рабочего тела в холодильных  машинах применяют только воздух. Поэтому практически газовыми холодильными машинами являются воздушные холодильные машины.

Принцип охлаждения паровыми холодильными машинами. Паровые холодильные машины, как и воздушные, работают по принципу переноса тепла из холодной среды в теплую путем затраты энергии. Однако в паровых холодильных машинах восприятие тепла в охлаждаемом помещении происходит не вследствие нагревания рабочего вещества, а в результате его

кипения. Отводится  тепло от рабочего вещества при его конденсации.

Для охлаждения посредством паровой холодильной  машины той или иной среды в ней устанавливают змеевики или другую систему металлических труб. Такая система называется испарителем, в нее подается в жидком виде рабочее вещество, которое здесь кипит и охлаждает окружающую среду.

Охлаждение должно осуществляться при достаточно низких температурах. Для этого кипение рабочего вещества должно протекать тоже при низких температурах. Температуры кипения и конденсации рабочего вещества зависят от давления его паров. С понижением давления паров понижаются температуры кипения и конденсации рабочего вещества, и наоборот. В связи с этим при работе холодильной машины давление над кипящим рабочим веществом всегда поддерживают в соответствии с необходимой температурой кипения, которая определяется

температурой охлаждаемой среды. Достигается это отсасыванием паров рабочего вещества из испарителя.

Средой, в которую  передается тепло при работе холодильной машины, служит обычно вода или воздух. Пары рабочего вещества,

образующиеся  в испарителе, имеют более низкую температуру, чем охлаждающая вода или воздух, так как процесс в нем чаще всего ведется при отрицательных температурах.  В установках умеренно низких температур в испарителе температура кипения рабочего вещества поддерживается в среднем от —10°С до —20°С. Поэтому тепло не может переходить непосредственно от рабочего вещества к более теплой воде или воздуху. Но если повысить давление паров, то повысится и температура их конденсации. С этой целью давление отсасываемых из испарителя паров рабочего вещества повышают до величины, при которой температура конденсации их примерно на 10°С выше средней температуры воды или воздуха, воспринимающих тепло. Повышение давления паров, как и отсасывание их из испарителя, в различных системах машин осуществляется по-разному, но всегда с затратой механической или   тепловой энергии.

Пары рабочего вещества после повышения их давления, во всех системах холодильных машин направляются в конденсатор, в котором, как и в испарителе, основной рабочей частью является система металлических труб. Здесь рабочее вещество отдает воспринятое им тепло охлаждающей воде или воздуху и конденсируется. Из конденсатора жидкое рабочее вещество снова подается и испаритель для поглощения нового количества тепла из охлаждаемой среды.

Давление выходящего из конденсатора жидкого рабочего вещества должно быть таким же, как и его паров, поступающих в этот аппарат, так как давление конденсации при работе машины поддерживается постоянным. В испарителе давление должно быть намного ниже. Поэтому при переходе жидкого рабочего вещества из конденсатора в испаритель давление его понижается с помощью дросселирующего устройства.

В испарителе рабочее вещество снова переходит в парообразное состояние при низкой температуре и низком давлении.

По такому принципу работают все современные паровые  холодильные машины. Но практические методы и средства осуществления этого принципа различны, а следовательно, разнообразны и типы машин. Их прежде всего делят в зависимости от способов отсасывания рабочего вещества из испарителя и нагнетания его в конденсатор. По этому признаку различают машины: компрессионные и абсорбционные.

Рабочий процесс  в холодильном агрегате рассмотрим на примере агрегата компрессионного типа (рис. 1.2.2.). Парообразный хладагент при низком давлении и низкой температуре отсасывается из испарителя 4 в цилиндр компрессора 1. При обратном ходе поршня в цилиндре пар сжимается, в результате чего температура его сильно повышается. При высоком давлении и температуре пар хладагента из компрессора