На мой взгляд, очень грустно, что за ежедневной суетой и обыденностью цивилизации, мы перестали замечать удивительное, а порой просто гениальное устройство некоторых привычных вещей. Конечно, пытаться понять принцип работы компьютера или даже обычного калькулятора — бессмысленно (калькулятор нельзя понять, в него можно только верить), но вот осилить устройство холодильника вполне по силам каждому.

Начну с теории. Своим появлением холодильник целиком обязан науке термодинамике, которая, как видно из названия, занимается превращением и перемещением тепловой энергии, то есть тепла. Именно это и происходит в холодильнике: тепло, находящееся внутри холодильника, «захватывается» и выносится наружу, охлаждая его (холодильника) содержимое. Посредниками по перевозке тепла являются хладагенты, это они захватывают внутреннее тепло, выносят его наружу, отдают, а затем порожняком возвращаются во чрево холодильника, чтобы заново повторить этот процесс.

Хладагентом (сокращение от слов «холодильный агент») принято называть рабочее вещество с низкой температурой кипения (испарения). В качестве хладагента длительное время использовали фреон-12 (R-12), производство которого было организовано ещё в 1931 году, но в 1980 году было открыто пагубное воздействие атомарного хлора на озон в атмосфере — производство и заправка холодильников фреоном-12 пошла на убыль. Сегодня в качестве хладагентов используют R-134a (потомок фреона-12), диметиловый эфир, пропан, бутан, изобутан и их смеси — все эти вещества в количестве, в котором они используются в холодильниках, абсолютно безвредны для человека и окружающей среды.

Как было сказано, любовь холодильников к хладагентам связана с низкой температурой кипения последних: пропан кипит при -42,1°С, бутан — при -0,5°С, изобутан — при -11,7°С. Но как это позволяет сохранять низкую температуру внутри холодильника? Для ответа на этот вопрос обратимся к физике: известно, что при кипении и испарении вещества забирают тепло из окружающей среды, то есть, охлаждают её (именно с этим связано чувство прохлады от растирания, например, спиртом — спирт испаряется, забирая тепло у тела), следовательно, чтобы охладить, например, баночку пива, её нужно «облить» какой-нибудь легко закипающей жидкостью, которая, закипев, отобрала бы тепло у пива.

Следовательно, чтобы дать холодильнику возможность морозить, нужно наполнить некоторые его части хладагентами, которые бы легко вскипели, охладив эти части, а, следовательно, охладив и содержимое холодильника. Пропан подходит здесь как никто другой: если он кипит уже при -42, то создать условия для его закипания при комнатной температуре внутри холодильника будет очень просто.

Завершая, таким образом, теоретическую часть, скажу, что хладагенты выбраны в качестве главного рабочего вещества в холодильниках только благодаря своей низкой температуре кипения, и, как следствие, способности легко вбирать тепло.

Перейдём непосредственно к холодильникам. Любой холодильник состоит из трёх главных частей: компрессор (мотор, который постоянно шумит), конденсатор (чёрный металлический змеевик на задней панели холодильника) и испаритель (металлический «ящичек», который обычно виден в морозильной камере).

Если вы поняли, что я там так долго писал про хладагенты, то принцип работы холодильника до вас дойдёт быстро.

Сжиженный под большим давлением хладагент по всасывающему трубопроводу из конденсатора (змеевик) поступает в испаритель («ящичек»). Из-за низкого давления в испарителе и низкой температуры кипения хладагента, он (хладагент) начинает интенсивно кипеть и испаряться, охлаждая единственное, с чем контактирует — металлические стенки испарителя, испаритель же, в свою очередь, охлаждает воздух внутри холодильника. Пары хладагента откачиваются компрессором, который, кстати, и создаёт низкое давление в испарителе, на место испарившегося хладагента закачивается новый сжиженный.

Откачанный из испарителя газообразный хладагент проходит через компрессор, из которого уже в сжатом состоянии поступает в конденсатор (змеевик). При резком сжимании любой газ нагревается, поэтому трубки на выходе из компрессора при его работе и сам змеевик на задней стенке холодильника всегда горячие (тёплые). По мере прохождения по змеевику сжатый горячий газообразный хладагент постепенно остывает и переходит в жидкую фазу, и уже в жидкой фазе он поступает обратно в испаритель, где данный процесс начинается заново. Этот круговорот длится до тех пор, пока датчик температуры в холодильнике не даст сигнал компрессору остановиться — хладагент в испарителе испарится, а новый уже не поступит, следовательно, охлаждение прекратится.

Если вы ещё не уснули, у вас может возникнуть вопрос: почему уже сжиженный хладагент не закипает прямо в змеевике, ведь температура в нём комнатная, а изобутан кипит уже при -11°С. Обратимся опять к физике: известно, что чем выше давление, тем выше температура кипения. Поясню на конкретном примере: все почему-то уверены, что вода кипит именно при 100 °C, а вы знаете, что, например, в паровом котле на ТЭЦ вода кипит при температуре 200 °C, а на высоте 7130 м (пик Ленина на Памире) она закипает при 70 °C (сварить мясо в таких условиях невозможно). Всё это происходит из-за разного давления: в котле оно огромное — температура кипения высокая, в горах низкое — температура кипения также низка. Абсолютно то же самое происходит и в холодильнике: изобутан не может закипеть в змеевике из-за высокого давления (температура кипения повысилась), в испарителе же он кипит легко, так как давление в нём низкое.

В том числе, поэтому не стоит думать, что холодильник нельзя охладить до температуры ниже температуры кипения хладагента. Для этого достаточно опустить давление в испарителе, и тот же изобутан закипит уже не при -11°С, а при -20°С или при -40°С.

Подытожу сказанное. Компрессор — это своего рода насос, который перекачивает хладагент, создаёт высокое давление в змеевике и низкое давление в испарителе, что соответственно способствует сжижению и испарению хладагента. Испаритель — это источник холода, в нем под низким давлением вскипает и испаряется хладагент, охлаждая окружающую среду. В конденсаторе (змеевике) происходит охлаждение и сжижение сжатого компрессором, и поэтому горячего, хладагента.

Надеюсь, мне удалось популярно объяснить устройство холодильника.

Как делается морозильная камера своими руками – это актуальный вопрос, особенно в теплый период года. Часто размеры стационарной морозилки не позволяют вместить все необходимые продукты, которые быстро портятся, а покупка готового оборудования обходится дорого. И чем больше требуемый объем, тем выше цена техники. Самостоятельное изготовление морозильной камеры позволяет сэкономить денежные средства, не требует особых навыков и инструментов. Но вот уровень энергопотребления будет зависеть от выбранного варианта создания морозильника.

Прежде, чем рассматривать различные варианты создания замораживающей установки и приступать к их реализации, необходимо ознакомиться с принципом работы оборудования, его устройством. Это позволит осмысленно подойти к решению поставленной проблемы, а в дальнейшем самостоятельно модернизировать (улучшать) созданный агрегат.

Охладительная установка состоит из следующих основных деталей :

• компрессора (обеспечивающего движение по трубкам хладагента);
• испарителя (здесь охлаждающая жидкость испаряется, превращаясь в пар);
• холодильной камеры;
• терморегулятора (поддерживает заданный уровень температуры внутри оборудования, периодически включая-выключая компрессор);
• конденсатора (в теплообменнике пар преобразуется обратно в жидкое состояние);
• трубки.

Современные агрегаты содержат еще приборы автоматического контроля и регулирования, фильтры, осушители.

Принцип действия

Все перечисленные элементы конструкции, кроме холодильной камеры, соединены между собой трубками в замкнутую систему. По ней циркулирует вещество, способное к закипанию при минусовых температурах (например, фреон, аммиак). Большая роль во всем процессе принадлежит давлению хладагента внутри трубок : чем оно ниже, тем меньше температура закипания. При кипении хладагента в испарителе, внутри холодильной камеры происходит охлаждение. Благоприятные для этого параметры циркулирующей жидкости создаются компрессором.

Пар из испарителя поступает в конденсатор, где охлаждается воздухом, превращаясь обратно в жидкость. Для мощных установок используются вентиляторы, принудительно понижающие температуру радиатора.

Весь процесс проходит под контролем терморегулирующего вентиля.

Получается, что холодильная система использует свойство хладагентов изменять температуру собственного кипения, когда изменяется давление. Превращение циркулирующей жидкости в пар и обратно соответственно при подводе или отборе тепла – вот принцип функционирования морозильной установки.

Современные системы автоматизации осуществляют весь процесс без участия человека. Достичь такого уровня регулирования (управления) можно и в самодельной установке. Для этого ее нужно собрать с применением простых систем контроля.

Варианты создания замораживающей установки

Существуют различные варианты того, как сделать можно морозильную камеру самостоятельно. Они отличаются друг от друга финансовыми затратами и габаритами создаваемых установок. Для воплощения проектов потребуются применение разных материалов и инструментов. В зависимости от выбранного способа создания замораживающего агрегата, работа занимает неодинаковые сроки.

Своими руками морозильную камеру создать можно:

• из старого холодильника;
• из пустующего контейнера, лари, помещения;
• из подвала, погреба.

Первые два способа потребуют использования готовых охладительных систем. Последний вариант отличается большими трудозатратами. Также можно сделать агрегат из готовых (продающихся) сэндвич-панелей . Но такой вариант по цене мало отличается от имеющихся в продаже морозильных установок.

Из старого холодильного агрегата

Самым простым, доступным способом будет создание замораживающего аппарата из холодильника. Общая схема преобразования осуществляется таким образом:

• разбирают морозильный отсек;
• демонтируют и разворачивают испаритель;
• закрепляют его на задней стенке болтами;
• устанавливают датчик обратно;
• проверяют работоспособность.

Все модели по-разному разбираются. Если техника перед переделыванием была работоспособной, то при преобразовании необходимо очень аккуратно обращаться с трубками, избегая перегибов. Но лучше выпустить хладагент , а после переделки систему заново спаять и заполнить им. Это усложняет процесс и требует наличие спецоборудования.

Место расположения датчика внутри аппарата понадобится специально подбирать, чтобы достигнуть нужного температурного режима работы.

Нерабочий холодильник требует предварительного поиска причины поломки. Может получиться так, что его ремонт и дальнейшее переделывание не имеет смысла. Отремонтированную модель преобразуют по вышеизложенной схеме. Необходимо учитывать, что самодельные конструкции на основе старого холодильника будут потреблять больше электроэнергии, чем магазинные аналоги — они обладают меньшим КПД.

Из пустующего помещения

Имеющееся пустующее помещение можно преобразовать в морозильное отделение. Все действия выполняют в такой последовательности:

• создают из деревянных брусьев обрешетку по периметру комнаты, выставляя направляющие по уровню;
• улаживают пленку-отражатель;
• образовавшиеся ячейки заполняют утеплителем (его толщина составляет около 10 см, зависит от материала);
• стыки заклеивают скотчем в алюминиевой фольге;
• обшивают комнату металлическими листами (оцинкованными);
• все имеющиеся швы заделывают герметиком;
• монтируют стеллажи;
• устанавливают готовый моноблок, либо сплит-систему, выставляют датчики, регулируют автоматику;
• ставят утепленную дверь так, чтобы при закрытии не оставалось зазоров;
• проверяют работоспособность.

Аналогичным образом можно создать замораживающую установку из коробок различных размеров (состоящих из разных материалов), боксов, контейнеров. Схема работ следующая:

• монтируется каркас (если его нет), теплоизолятор;
• ларь обшивается изнутри, герметиком заделываются швы и отверстия;
• делаются по необходимости полочки;
• устанавливается охлаждающий агрегат, датчики, дверцы;
• система регулируется до достижения требуемого режима работы.

В зависимости от размеров коробки можно использовать охладительную аппаратуру от старого холодильника, а для удобства передвижения – прикрутить снизу колесики.

В погребе (подвале) достаточно выполнить заделку щелей, уплотнение двери и установить сплит-систему. Только потребуется выводить на поверхность, обустраивать там внешний блок.

На следующем видео показан процесс создания морозильного аппарата из комнаты.

Альтернативные способы поддержания низких температур

Небольшую переносную морозильную установку, охлаждающую до -10 градусов, можно собрать, используя элементы Пельтье . На этих пластинах (запитанных постоянным U = 12 V и I = 6 A) одна сторона вырабатывает тепло, другая – холод. Создают агрегат так:

• берут небольшую (примерно 30 на 60 см) пенопластовую коробку (можно пластмассовую, деревянную, картонную, но потребуется термоизолировать ее стенки);
• вырезают в ней отверстие (квадратное) под вентилятор и элементы;
• подключают вывода на аккумулятор или соединенные батареи, либо к стационарному блоку питания.

Из погреба можно сделать ледник. Для этого внутри его стен и по дну монтируют замкнутую систему труб, заполненных специальной жидкости (например, керосином). Такая конструкция аккумулирует холод в зимний период, поддерживая низкие температуры на протяжении всего лета. Но вариант отличается значительными затратами.

Морозильная камера, созданная своими руками, позволит длительное время хранить мясные и рыбные изделия, молочные продукты. Можно будет заготавливать фрукты летом, а зимой готовить из них компоты или употреблять в свежем виде сразу после размораживания.

Объем созданного хранилища зависит как от потребностей, так и финансовых возможностей, имеющихся свободных площадей. Достигаемая отметка отрицательных температур зависит от мощности охладительной установки. Минимальные затраты электроэнергии будут при создании морозильника в подвале либо погребе, потому что там температура находится в пределах от +1 до +10 градусов. А самый доступный, дешевый способ – это переделать старый холодильник на морозилку.

Месяцами бороздят просторы океанов суда, добывающие рыбу. Но где и как удается морякам хранить рыбу все это время? В судах-рефрижераторах - плавающих холодильниках. По железным дорогам курсируют поезда-рефрижераторы, по автомобильным магистралям и городским улицам - авторефрижераторы. Свежие продукты, доставленные ими на склады, в магазины и столовые, тоже хранятся в холодильниках.

И в наших квартирах продукты сохраняются в холодильниках.

Однако холод нужен не только для хранения продуктов. На заводах его применяют для закалки стали (см. Термическая обработка металлов), в строительстве - для замораживания грунтов, чтобы избежать затопления шахт и тоннелей. Биологи и медики хранят при низкой температуре различные препараты, химики проводят ряд химических реакций.

Как «создать» холод? Оказывается, с помощью кипящей жидкости. И это не парадокс, а законы физики.

Чтобы заставить кипеть жидкость, надо нагреть ее, т. е. подвести к ней теплоту. Но передать одному телу теплоту, - значит, отнять ее у другого, охладить его. Это первый важный принцип, который помогает создавать холод. И все-таки от него было бы мало проку, если бы не другой принцип.

Всякая жидкость кипит при определенной температуре, например вода при . Но только в том случае, если давление равно атмосферному. Если же понизить давление, вода закипит и при меньшей температуре. На этом важном свойстве жидкостей основан второй принцип работы холодильника.

Для получения в нем холода берут летучие жидкости, которые кипят при низких температурах, например жидкий аммиак. Он кипит даже при температурах ниже . Именно сжиженные газы и применяют в холодильниках, точнее, в парокомпрессионных холодильных машинах.

Расскажем об устройстве такой машины. Сжиженный газ - его называют еще холодильным агентом - циркулирует в герметичной замкнутой системе, состоящей из четырех основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора и дроссельного вентиля. Испаритель размещен прямо в холодильной камере, а остальные узлы - снаружи. Благодаря работе компрессора в испарителе создается низкое давление и жидкость в нем начинает кипеть, отнимая тепло из камеры. Часть жидкости превращается в пар, который непрерывно отсасывается компрессором. Пройдя через компрессор, пар сжимается и нагревается при этом до температуры выше окружающей среды, например воздуха в помещении. Это нужно для того, чтобы, поступая в конденсатор, пар охлаждался и превращался снова в жидкость, конденсировался. Затем жидкость пропускается через узкое отверстие в дроссельном вентиле. Давление при этом резко падает, и жидкость снова начинает кипеть в испарителе, поглощая тепло из холодильной камеры.

Температура кипящей жидкости в испарителе домашнего холодильника бывает от -15° до и ниже. Благодаря этому в камере обычного холодильника можно поддерживать температуру от 0° до , в камере холодильника длительного хранения до - . А в больших промышленных холодильниках до и ниже.

Существуют и другие типы холодильных машин, например эжекторные и абсорбционные. От парокомпрессионных они отличаются способами поддержания низкого давление в испарителе. В эжекторйых холодильниках для откачки паров из испарителя применен эжектор - нечто вроде реактивного сопла. В абсорбционной машине пары из испарителя отводятся путем поглощения их жидкостью в специальном аппарате - абсорбере. (Абсорбцией называют процесс поглощения веществ из газовой смеси жидкостями.).

Но главный принцип работы у этих холодильных машин один - холод создается с помощью кипящей жидкости. Этот же принцип используется и для создания более низких температур, т. е. температур ниже 120 К.

Техника получения и использования низких температур называется криогенной. Получить сверхнизкие температуры помогают такие сжиженные газы, как кислород, который испаряется при ), азот - при или водород - при . Самый лучший холодильный агент - жидкий гелий, который кипит под атмосферным давлением при .

Теперь рассмотрим способы сжижения газа, т. е. превращения его в жидкость.

Один из способов глубокого охлаждения - дросселирование, быстрое охлаждение сжатого газа с помощью дроссельного вентиля. Газ сжимают компрессором, потом охлаждают до температуры окружающей среды, например в теплообменнике, а затем расширяют, пропуская через дроссельный вентиль. При резком расширении молекулы газа преодолевают силы взаимного сцепления, их тепловое движение замедляется, газ охлаждается и переходит в жидкое состояние.

Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например, водород или гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот, нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении заставить его совершать работу скажем, в поршневом двигателе или турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает.

Расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью осуществляется один из важных промышленных способов сжижения газов. Особенно широко применяется турбинный детандер, предложенный в 1939 г. советским физиком академиком П. Л. Капицей.

Схема его работы такова. Газ, сжатый в компрессоре примерно до , охлаждается в теплообменнике. Часть его из теплообменника попадает на лопатки вращающегося турбодетандера и совершает работу, вращая турбину. Еще более охладившись, газ поступает в конденсатор, где сам охлаждает и превращает в жидкость другую часть газа из теплообменника. Через дроссельный вентиль сжиженный газ направляется в нижнюю часть конденсатора, давление в котором уже . Здесь и накапливается жидкость, готовая к употреблению.

Хранят и перевозят сжиженный газ в так называемых сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми для лучшей теплоизоляции создается вакуум.

Методы глубокого охлаждения позволяют открыть много интересных свойств веществ. При температурах, близких к абсолютному нулю (0 К или ), электрическое сопротивление некоторых металлов становится бесконечно малым, и ток течет в них практически без потерь. Это явление называют сверхпроводимостью. Используя сверхпроводимость, например, в мощных электрических генераторах, можно в несколько раз уменьшить их размеры и потери электроэнергии. Как обнаружили совсем недавно советские ученые, в условиях глубокого холода, даже космического, довольно успешно идут некоторые реакции, в том числе и синтез сложных органических молекул.

Холодильники будущего будут создавать холод с помощью магнитов September 18th, 2017

Холодильник является самым распространенным из бытовых приборов. Несмотря на улучшение эффективности на протяжении многих лет, они остаются одним из крупнейших потребителей электроэнергии в доме, из-за работы на химических хладагентах и компрессорах для передачи тепла от внутренней к внешней стороне холодильника. Исследователи компании GE разработали новый тип технологии охлаждения с помощью магнитов, что является более экологически чистой технологией, и по прогнозам, будет на 30 процентов эффективнее, что нынешние технологии.

Подобная разработка может стать революционной в применении в бытовых холодильниках к концу десятилетия.

Магнитное охлаждение - на самом деле, не новая идея. Еще в 1880 году немецкий физик Эмиль Варбург заметил, что определенные материалы меняют температуру при воздействии изменяющегося магнитного поля. Это явление получило название магнитокалорического эффекта и были попытки создать холодильники на основе этой технологии.

Такие магнитные системы охлаждения были разработаны еще в 1930-х годах. Исследователи Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико (США) успешно реализовали несколько степеней охлаждения в 1980-х годах. Однако технологию не удалось применить в бытовых холодильниках, так как использовались сверхпроводящие магниты, которые сами должны быть охлаждены до очень низких температур, что делало такую технологию экономически или энергосберегающее невыгодной.

Команды компании GE в США и Германии обратили свои коллективные усилия для решения задачи десять лет назад и построили каскад из специальных магнитных материалов. Каждая ступень каскада немного снижала температуру.

Прорыв произошел, когда ученые исследовательской группы материалов разработали новый тип никель-марганцевого сплава для магнитов, которые могут функционировать при комнатной температуре. Упорядочив эти магниты в серии из 50 ступеней охлаждения, команде удалось снизить температуру жидкости на водной основе, протекающей через них на 26,6° С.

«В мире никто не делал такого типа многоступенчатого охлаждения», — сказал руководитель исследовательской группы Венкат Венкатакришнан. «Мы считаем, что мы первые исследователи, которые ее уменьшили настолько, что подобный холодильник можно транспортировать. Мы также были первыми, чтобы добиться охлаждения жидкости ниже нуля градусов».