Как работает холодильник, его устройство и принцип работы

Как работает холодильник

Главный принцип работы любого холодильника основан на выполнении двух рабочих операций:

Вывод тепловой энергии из устройства в окружающее пространство.
Концентрация холода внутри корпуса прибора.

Для отбора тепла применяется хладагент под названием фреон. Это газообразное вещество на основе этана, фтора и хлора. Фреон обладает уникальной возможностью переходить из газообразного состояния в жидкое и обратно. Переход из одного состояние в другое происходит при изменении давления.

Работа системы охлаждения заключается в следующем. Компрессор засасывает фреон вовнутрь. Внутри устройства работает электромотор. Двигатель приводит в движение поршень. При движении поршня происходит сжатие газа.

Принципиальная схема работы холодильника

Процесс сжатия газа делится на два этапа. На первом этапе происходит возвратное движение поршня. При смещении поршня открывается впускной клапан. Через открытое отверстие фреон поступает в газовую камеру.

На втором этапе поршень смещается в обратном направлении. При обратном движении поршень сжимает газ. Сжатый фреон давит на пластину выходного клапана. В камере резко повышается давление. При увеличении давления происходит нагрев газа до температуры 100° C. Выпускной клапан открывается и выпускает газ наружу.

Нагретый фреон из камеры поступает во внешний теплообменник (конденсатор). По пути следования по конденсатору фреон отдает тепло наружу. В конечной точке конденсатора температура газа уменьшается до 55° C.

В процессе теплопередачи происходит конденсация газа. Фреон из газообразного состояния превращается в жидкость.

Из конденсатора жидкий фреон поступает в фильтр-осушитель. Здесь происходит поглощение влаги специальным сорбентом. Из фильтра газообразный фреон поступает в капиллярную трубку.

Капиллярная трубка играет роль своеобразной пробки (препятствия). На входе в трубку давление газа понижается. Хладагент превращается в жидкость. Из капиллярной трубки фреон поступает на испаритель. При падении давления происходит испарение фреона. Вместе с давлением падает и температура газа. В момент поступления в испаритель температура фреона составляет – 23° С.

Фреон проходит по теплообменнику внутри холодильной камеры. Охлажденный газ снимает тепло с внутренней поверхности трубок испарителя. При отдаче тепла происходит охлаждение внутреннего пространства холодильной камеры.

После испарителя фреон засасывается в компрессор. Замкнутый цикл повторяется.

Основные составляющие части холодильника

Основными и самыми главными составляющими любого холодильника являются:
1. Хладагент. Это не Джеймс Бонд и не специальный агент ФБР или ЦРУ, как можно было бы подумать, не зная специфики холодильного оборудования. Хладагент — это вещество, которое циркулирует внутри холодильники и переносит в себе тепло. Чаще всего в качестве хладагента используется газ — фреон. Именно его утечка часто становится причиной выхода из строя холодильника.

2. Компрессор. Компрессор — это специальный насос, который отвечает за прокачку хладагента по трубкам, чтобы тот мог собирать тепло и выводить его из холодильника.
Выход из строя компрессора холодильника также одна из часто встречающихся причин ремонта холодильников. Компрессор — это сердце в «организме» холодильника, а хладагент подобен крови. Обе составляющие имеют большое значение.
3. Конденсатор. Каждый видел ту странную решетку на задней стенке холодильника, но мало кто знает, что именно это штуковина называется конденсатором и отвечает за отдачу тепла из хладагента в окружающий холодильник воздух.
4. Испаритель. Эту деталь очень сложно увидеть. Как правило, испарителем служит внутренняя стенка холодильника. Именно при помощи испарителя происходит забор тепла в хладагент из холодильника.

Классификация холодильных установок

Классификация по предназначению

Это наиболее простое деление. Встречается такое оборудование:

без морозильной камеры. Обычно такие модели берут для офисов или дач. Дома их редко используют, так как без морозилки не получится надолго сохранить мясо, грибы, овощи, ягоды и другие продукты, способные быстро испортиться;
с морозильной камерой. Наиболее популярные модели, в которых можно хранить что угодно, но в ограниченном объеме. При этом люди, живущие в деревне, отдельно покупают себе холодильник и морозильник – чтобы больше вмещалось (хозяйство обеспечивает продуктами);
морозильные шкафы. Отдельно стоящая морозилка, используемая для заморозки продуктов;
морозильный ларец. То же самое, только с большим полезным объемом;
шкафы для вина. В них хранят алкогольные и безалкогольные напитки.

Классификация по принципу охлаждения

Есть несколько типов агрегатов, которые холодят по-разному:

компрессионные. Принцип действия основывается на свойствах сжатого газа;
с вихревым охладителем;
термоэлектрические. Холодильник оснащен полупроводниковой пластиной, и она то греется, то охлаждается;
абсорбционные. Хладагентом служит раствор аммиака, проходящий через абсорбционную камеру. За счет этого и создается нужная температура.

Классификация по способу размещения

Варианты:

напольные. Наиболее популярные агрегаты, разных размеров и объемов;
встраиваемые. Без внешней декоративной панели. Ее заменяет устройство для крепления фасада;
настенные. Как правило, агрегаты небольших размеров;
настольные. Тоже небольшие, так как ставятся на стол.

Как устроен холодильник

Любой современный холодильник состоит из следующих основных агрегатов:

Двигатель.
Конденсатор.
Испаритель.
Капиллярная трубка.
Осушительный фильтр.
Докипатель.

Схема работы холодильника

Электродвигатель

Двигатель является основным узлом бытового прибора. Предназначен для циркуляции охлаждающей жидкости (фреона) по трубкам.

Двигатель состоит из двух агрегатов:

электромотор;
компрессор.

Электромотор преобразует электрический ток в механическую энергию. Агрегат состоит из двух частей – ротора и статора.

Корпус статора устроен из нескольких медных катушек. Ротор имеет вид стального вала. Ротор соединен с поршневой системой двигателя.

При подключении двигателя к сети питания в катушках возникает электромагнитная индукция. Она является причиной возникновения крутящего момента. Центробежная сила приводит ротор во вращательное движение.

При вращении ротора двигателя происходит линейное перемещение поршня. Передняя стенка поршня сжимает и разряжает рабочую жидкость до рабочего состояния.

Положение двигателя холодильника

В современных охлаждающих установках электродвигатель находится внутри компрессора. Такое расположение преграждает газу путь для самопроизвольной утечки.

Для уменьшения вибраций двигатель находится на пружинистой металлической подвеске. Пружина может находится снаружи или внутри устройства. В современных агрегатах пружина находится внутри корпуса двигателя. Это позволяет эффективно гасить вибрации при работе аппарата.

Конденсатор

Представляет собой змеевидный трубопровод диаметром до 5 миллиметров. Предназначен для отвода тепла от рабочей жидкости в окружающую среду. Конденсатор располагается на задней наружной поверхности прибора.

Испаритель

Представляет систему тонких трубок. Предназначен для испарения рабочей жидкости и охлаждения окружающего пространства. Располагается внутри или снаружи морозильника.

Устройство компрессора

Капиллярная трубка

Предназначена для снижения давления газа. Имеет диаметр от 1,5 до 3 миллиметров. Расположена на участке между испарителем и конденсатором.

Фильтр-осушитель

Предназначен для очистки рабочего газа от влаги. Имеет вид медной трубки диаметром от 10 до 20 мм. Концы трубки вытянуты и герметично впаяны с капиллярную трубку и конденсатор.

Внутри трубки находится цеолит — минеральный наполнитель с высокопористой структурой. На обоих концах трубки установлены заграждающие сетки.

Фильтр-осушитель

Докипатель

Представляет собой металлическую емкость. Устанавливается на участке между испарителем и входом компрессора. Предназначен для доведения фреона до кипения с последующим испарением.

Служит защитой двигателя от попадания жидкости. Попадание рабочей жидкости может привести к выходу его из строя.

Абсорбционные холодильники, как устроены, принцип работы

Так же, как и в холодильниках компрессорного типа, охлаждение внутренних камер в устройствах данного типа связано не с выработкой холода, а с испарением рабочей жидкости, в качестве которой чаще всего используют аммиак, однако, помимо него в ней также присутствуют водород или какой-либо еще инертный газ.

Подобные аппараты укомплектованы абсорбером, десорбером и дефлегматором. При растворении аммиака в воде вся смесь приходит в движение. Раствор, находящийся в абсорбере, за счет своих физических свойств, продвигается в десорбер, где снова разлагается на две предварительные составляющие. В конденсаторе рабочая смесь снова приходит в жидкое состояние, а затем опять отправляется в испаритель. Движение аммиака обеспечивается посредством струйных насосов.

Чаще всего холодильник абсорбционного типа используется там, где нельзя применять обычный компрессорный агрегат. В быту такие аппараты устанавливаются редко из-за имеющегося в их составе ядовитого вещества, крайне токсичного для человека.

Принцип работы термоэлектрического холодильника

Чтобы снизить температуру в холодильной камере, тепло из нее выкачивается специальной системой. Обеспечивает это известный эффект Пелтье. В холодильниках данного типа установлены термоэлектрические элементы кубической формы, созданные из различных металлов и объединенные электричеством. Когда электроток переходит из одного металла в другой, вместе с ним переходит и тепло. Пластина из алюминия поглощает тепло из продуктов в холодильнике, а кубические элементы передают его в стабилизатор, в свою очередь, рассеивающий его наружу через вентилятор. Большая часть переносных холодильников Nord работает именно по этому принципу.

Каждый из этих типов имеет свои положительные и отрицательные стороны, на учете которых и должен основываться выбор холодильного устройства для домашних или промышленных нужд.

Коэффициент производительности

В реальных холодильниках работают разные циклы. Циклы холодильников на диаграмме p-V проходят против часовой стрелочки.

Идеальный цикл холодильника на диаграмме p-V, Q_нагр < 0, A < 0, Q_хол > 0, T_нагр > T_хол

Термическая эффективность охлаждения или нагрева производится в расчёте на количество механической работы. Как показатель качества её называют коэффициентом энергоэффективности или холодильным коэффициентом. Следующее относится к холодильной системе, использующей охлаждающую способность IQхолI: хол. коэффициент = Q_хол/ Q_нагр— Q_хол

Холодильный коэффициент определяют как отношение отнятого тепла Qхол к затраченной работе A: хол. коэффициент = IQхол I / IAI. Выходная тепловая мощность — это сумма поглощённой мощности охлаждения и работы. Эфективность работы холодильника – это количество теплоты, отобранной от охлаждаемых веществ на 1 джоуль работы. Хол. коэффициент больше или меньше 1.

Процесс Карно представляет собой пограничный случай обратимого процесса, который требует идеальных условий, и которые технически недостижимы. Количество тепла можно выразить с помощью энтропии S. Изменение ΔS энтропии идентично для обратимого процесса Карно для двух изотермических изменений состояния при температурках T_холи T_нагр

Если реальный процесс сравнивается с процессом Карно, то для систем охлаждения запишем следующее: хол. коэффициент = T_хол/ T_нагр— T_хол= 1 / КПД_Карно, где температуры Т в Кельвинах.

Чиллер используется не только для охлаждения, но и для отопления. Бытовой холодильник также подогревает воздух. Принцип отопления предложен Томсоном и используется в теплонасосах.

Принцип работы двухкамерного холодильника с одним компрессором

В двухкамерном холодильнике с одним компрессором установлены два испарителя. Хотя по сути, они являются разными частями одного и того же элемента (см. рис). Первый находится – в морозильной камере, второй – в обычной. Фреон после прохождения через фильтр-осушитель сначала попадает в первый, потом второй.

При попадании в морозильную камеру хладагент отбирает у нее тепло и нагревается. После этого он попадает в основной отсек, где отбирает тепло у него. За счет того, что его температура несколько повысилась после прохождения морозилки, в обычном отсеке температура не опустится ниже 0 градусов.

Принцип работы двухкамерного холодильника с одним компрессором.

Принцип работы холодильника компрессорного типа

Понижение температуры воздуха внутри камер осуществляется за счет изменения агрегатного состояния используемого в системе хладагента, который непрерывно движется по замкнутому контуру.

В процессе циркуляции происходят:

охлаждение и сжижение поступающего в конденсатор фреона;
расширение холодильного агента;
испарение образовавшихся газов;
нагревание и сжатие хладагента.

Каждый из перечисленных процессов происходит на определенном этапе. Посредством компрессора осуществляется выкачивание паров, образовавшихся внутри испарителя. С помощью нагнетательной трубки они перемещаются в конденсатор, после чего охлаждаются и преобразуются в жидкость.

Очищенный фильтрационным элементом фреон направляется в капилляр, где до нужного уровня понижается его давление, прежде чем хладагент попадет в испаритель.

Дальнейший принцип работы холодильника заключается в преобразовании кипящего фреона в пар. При этом конструкция испарителя продумана таким образом, чтобы обеспечить полное испарение находящейся внутри жидкости. На стадии парообразования происходит поглощение тепловой энергии, в результате чего снижается температура внутри холодильной камеры. В свою очередь, холодильный агент снова перемещается в компрессор.

Данный повторяемый цикл может быть прерван терморегулятором, при срабатывании которого двигатель компрессора останавливается. По истечении определенного периода повышающаяся внутри камеры температура достигнет допустимого предела, после чего посредством терморегулятора мотор будет снова запущен.

В современных моделях двухкамерных холодильников устанавливается два испарителя, каждый из которых отвечает за охлаждение отдельной части конструкции. При этом хладагент начнет поступать в камеру холодильного отделения не раньше, чем температура внутри морозильника достигнет необходимого значения.

Инверторный компрессор: особенности работы и устройства

Двигатель обычного компрессора работает, периодически, то включаясь на полную мощность, то снова выключаясь, инверторный работает постоянно, но с разной интенсивностью.

В результате двигатель испытывает постоянные повышенные нагрузки, которые происходят при его запуске.

Использование в устройстве холодильника инверторной установки позволило устранить данный недостаток. Основным отличием такой системы является постоянная работа мотора, скорость вращения которого в определенный момент снижается. Таким образом, циркуляция хладагента не прекращается полностью, но значительно замедляется.

При этом уровень температуры внутри камеры поддерживается в пределах заданного значения. Подобный режим позволяет увеличить рабочий ресурс отдельных элементов оборудования, и, вместе с тем, экономить на потреблении электроэнергии. На остальные характеристики устройства данный параметр никак не влияет.

Отличие инверторных и неинверторных компрессоров наглядно показано в ролике:

Линейный компрессор в холодильнике

Устройства линейного типа устанавливаются на 8 из 10 моделей холодильников современного образца. Конструкция такого компрессора включает в себя цилиндр, ЭМ-катушку с обмоткой, пружину и поршень. Как и все остальные разновидности компрессоров, линейный осуществляет циркуляцию охлаждающего вещества по системе.

Работает он не беспрерывно: его включение происходит только тогда, когда температура в камерах поднимается выше заданной. Именно поэтому так часто можно услышать, как холодильник начал свою работу при открытии дверцы или загрузке продуктов.

Принцип работы

При подаче на обмотку катушки электрического тока вокруг поршня создаётся электромагнитное поле, приводящее механизм в движение. Пружина в конструкции предназначается для того, чтобы возвращать поршень в изначальное положение.

Когда хладагент «прогнан» по системе, подача электричества на катушку прекращается, прибор завершает работу до следующего цикла.

Важно! Включение компрессора производится не через строго определённые промежутки времени, а по мере необходимости, когда датчик, установленный в камере, улавливает показатель температуры, превышающий выставленный. Датчик температуры также работает всё время, пока включен компрессор

В первых моделях таких устройств использовался кривошипно-шатунный механизм вкупе с электродвигателем. Такая конструкция имела куда большее количество точек трения и отличалась меньшей надёжностью. Кроме того, при работе она производила гораздо большее количество шума. После «модернизации» и избавления от этих деталей компрессоры стали на 15–20 дБ менее шумными.

Основные типы холодильников

Тип холодильника определяется, отталкиваясь от нескольких параметров. Так, в зависимости от сферы назначения различают морозильники, холодильники и холодильники-морозильники. В зависимости от способа получения холода – абсорбционные и компрессионные. По способу установки – напольные по типу шкаф либо стол. В зависимости от числа камер холодильники подразделяются на одно-, двух- или трехкамерные.

Наибольшей популярностью на мировом и отечественном рынках пользуются двухкамерные холодильники. В основном они состоят из холодильной и морозильной камер.

Холодильник Side-by-side

Самая большая камера у холодильников «Side-by-side». Их конструкция предполагает расположение по бокам морозильной и холодильной камер, причем каждая из них закрывается отдельной дверью. В холодильниках типа «Combi» объем морозильной камеры может составлять до половины общего полезного объема. В большинстве случаев морозильная камера в таких устройствах располагается ниже холодильного отделения.

В зависимости от способа размораживания различают холодильники с ручным, автоматическим либо полуавтоматическим размораживанием. В ручном размораживании нуждаются холодильники старого образца. Некоторые модели холодильников оснащены специальным реле оттаивания, способным отключать питание компрессора. Обратно включается компрессор после того, как внутри холодильника установится температура, близкая к комнатной. Этого времени достаточно для оттаивания ледяной шубы.

Большая часть современных холодильников обладает функцией автоматического размораживания морозильной камеры. Избыточная влага со стенок испарителя стекает по специальному желобу в лоток, расположенный на крышке компрессора. Из лотка вода постепенно испаряется под воздействием тепловой энергии, исходящей от корпуса компрессора. Процесс размораживания цикличен и не нуждается в постороннем вмешательстве либо контроле.

Зона нулевой температуры

Трехкамерные холодильники оборудованы кроме морозильной и холодильной камер, еще и зоной нулевой температуры. Некоторые производители оснащают такую зону возможностью выполнять функции какой-либо из камер, посредством понижения либо повышения в ней температуры.

Также холодильники могут обладать статической либо динамической системой охлаждения. В статических системах воздух либо неподвижен, либо перемещается посредством естественной конвенции. Применяется в основном во многих бюджетных холодильниках. В динамической системе воздух циркулирует под действием вентилятора. Такая система получила название «No Frost» и позволяет добиться равномерного распределения температуры по всей площади камеры и быстрое восстановление заданной температуры после ее повышения. Главное преимущество такой системы – при работе холодильника на стенках камеры не образовывается иней.

Как работает саморазморозка

Автоматическая разморозка реализуется за счет особой технологии, избавляющей от лишнего льда. Такие холодильники экономят время, так как требуют меньше ухода.

Как работает система разморозки: изначально образуется ледяная корочка, далее испаряется конденсат, стекающий по задней стенке агрегата в лоток. Внутри камеры поддерживается влажный холод, необходимый для качественного хранения продуктов.

Есть технология No Frost: это когда холодный воздух циркулирует принудительно. Наледь на стенках при этом не образуется. Рассмотрим детальнее. Внутри корпуса или над морозилкой установлен испаритель, за которым стоят вентиляторы, гонящие воздух в камеры по особым каналам. Излишки влаги оседают на испарителе. Нагнетатель давления периодически отключается, в это время запускается нагреватель, в результате чего устраняется слой инея на компрессоре. Образуется влага, которая выводится в специальную емкость и там испаряется.

Бывает и капельная система охлаждения, довольно простая. Сзади холодильника стоит испаритель – змеевидная трубка, соединенная с радиатором. Когда радиатор работает, он греется, и наледь тает, стекая в резервуар.

Принцип работы холодильника

Сейчас в продаже можно найти несколько разновидностей холодильников, отличающихся друг от друга принципом функционирования. Давайте рассмотрим принципы работы холодильника для новичков, простым языком.

Принцип работы абсорбционных холодильников

Такая техника не имеет компрессора, а в качестве хладагента используется аммиак, который при попадании в абсорбер растворяется в воде. Принцип действия абсорбционных холодильника следующий: готовый раствор переходит сначала в десорбер, выполняющий роль испарителя, а затем в дефлегматор, где охлаждается и разделяется на отдельные составляющие. После прохождения конденсатора аммиак становится жидкостью, которая через абсорбер вновь попадает в испаритель.

Саморазмораживающийся тип

В подобных холодильниках разморозка проходит в автоматическом режиме. Все устройства разделяют на два основных типа:

Капельное.
Ветреное.

Капельные характеризуются тем, что испаритель находится в задней части устройства. На момент работы образуется иней, который при оттаивании стекает вниз по специальным желобам. Компрессор из-за нагрева до высокой температуры испаряет жидкое вещество.

Ветреная установка снабжается специальным элементом, который задувает внутрь корпуса холодный воздух. На момент оттаивания вещество стекает по специальным желобам в приемник.

Промышленные холодильники

Промышленные модели отличаются от бытовых высокой мощностью морозильного узла и большими размерами камеры.

Оборудование рассматриваемой категории предназначено для глубокой заморозки большого количества продуктов. При этом объем камер может составлять от 5 до 5000 т. Устанавливается промышленное оборудование на заготовительных и перерабатывающих предприятиях.

Принцип работы инверторного холодильника

Электродвигатель стандартного компрессора то запускается, то выключается, испытывая при этом значительные нагрузки. Инверторная установка обеспечивает непрерывную работу мотора, изменяется лишь скорость его вращения. Такой режим позволяет сэкономить электроэнергию и снизить износостойкость отдельных деталей прибора.

Линейный компрессор более экономичный

Принцип работы холодильника ноу фрост с одним компрессором

Главный недостаток обычных холодильников для дома — превращение попадающей в камеру влаги в иней, который покрывает внутренние стенки прибора, перегружает компрессор и препятствует нормальному процессу охлаждения.

При наличии системы No Frost влага не замерзает, поэтому необходимость в регулярной разморозке холодильника отсутствует. Система предполагает наличие вентилятора, который располагается за испарителем и обеспечивает равномерное охлаждение продукции воздушными потоками. При этом на стенках испарителя скапливается конденсат, постепенно начинающий превращаться в иней. Благодаря специальному таймеру периодически включается ТЭН и лед тает. Образовавшаяся жидкость по трубкам перемещается в размещенный вне камеры поддон, откуда испаряется естественным путем.

Принцип работы холодильной установки с двумя компрессорами

В таких холодильных установках есть два компрессора, каждый из которых работает независимо. Один компрессор обеспечивает работу контура, охлаждающего морозильную камеру. Второй – работает на охлаждение основного отсека.

В холодильниках с двумя компрессорами в каждой камере установлен отдельный испаритель. Они не соединены между собой. За счет раздельных контуров охлаждения, такие холодильники отличаются высоким сроком службы.

Плюс двухкамерного холодильника проявляется в случае утечки фреона или поломки. если хладагент выходит из одного контура, второй продолжает работать. То же самое происходит в случае поломки.

Принцип работы двухкамерного холодильника с одним компрессором

Принцип работы двухкамерного холодильника с одним компрессором.

Как работает холодильник: устройство и принцип работы основных типов холодильников