Принцип работы домашнего холодильника

Должен ли каждый из нас знать, по какому принципу работает холодильник? С одной стороны, подробная техническая информация простому пользователю излишняя. Однако если в работе агрегата начинают возникать проблемы, знания о принципах функционирования бытовой холодильной техники помогут быстро определить место поломки и ее возможную причину.

Знать, как должен работать холодильник, нужно для того, чтобы обеспечить технике нормальные условия эксплуатации. Осведомленность пользователя в этом вопросе позволит избежать возникновения серьезной неисправности.

Виды оборудования

Все бытовые холодильники можно разделить на три основных класса:

• компрессорные;
• абсорбционные;
• термоэлектрические (работающие по системе Пельтье).

Конструкция и принцип работы холодильника каждого вида существенно различаются.

Как работает компрессорный холодильник

Это самые распространенные модели. Агрегат имеет три основных рабочих узла:

• компрессор – создает разность давлений;
• испаритель – забирает тепло из внутреннего пространства;
• конденсатор – отдает это тепло наружу.

Виды компрессоров и как работает холодильник с каждым из их вариантов – этот вопрос будет рассмотрен ниже.

Испаритель изготавливается из стали или алюминия и может быть открытым (в старых или компактных однокамерных моделях) или закрытым самооттаивающимся (находится на задней стенке агрегата, отделен от отсеков и залит теплоизоляционной пеной). Устройство может иметь вид цилиндра с внутренними трубками или нанизанных на трубку пластин.

Конденсатор расположен обычно сзади холодильника (сбоку в некоторых моделях). Он выполнен в форме змеевика и дополнительно оснащен многочисленными перемычками между соседними участками трубки – для еще более интенсивного охлаждения.

Между испарителем и конденсатором расположена медная капиллярная трубка. Она разграничивает зоны низкого и высокого давления и нужна, чтобы быстро придать потоку фреона нужный напор и тем самым снизить противодействие усилия поршня электродвигателю.

Дополнительные элементы конструкции

Фильтр-осушитель нужен для поддержания в холодильнике низкой влажности. Устройство располагается между конденсатором и капиллярной трубкой и имеет вид бочонка с адсорбирующим веществом внутри.

Засорение фильтра-осушителя приводит к:

• повышению температуры в камерах;
• отсутствию отключений двигателя – агрегат работает беспрерывно;
• сильному нагреву задней стенки холодильника.

В целях недопущения этого устройство периодически осматривают и при необходимости меняют на новое.

Терморегулирующий вентиль корректирует объем фреона, выходящего из испарителя в капиллярную трубку. Этот узел позволяет настроить общий уровень давления в магистрали. Он имеет вид клапана с гибкой металлической мембраной. Мембрана призвана реагировать на изменение напора в системе и двигать закрепленный на ней подпружиненный шток. Последний перемещается туда-сюда в конусном канале и меняет его площадь поперечного сечения, изменяя в большую или меньшую сторону количество проходящего по каналу фреона.

Терморегулятор (бывает механическим или электронным) регулирует температурные показатели в основном (а иногда и в морозильном) отсеках. Его основной узел – наполненная хладагентом сильфонная трубка, соединенная с испарителем. Когда температура в камере достигает верхнего допустимого предела, этот датчик подает сигнал компрессору включиться в работе. И наоборот – после охлаждения камеры до нужного состояния компрессор выключается.

Описание работы

Такая техника работает на основе второго закона термодинамики. Главным рабочим веществом выступает хладагент – это теплоноситель, перемещающий тепло от испарителя на конденсатор. В компрессор хладагент попадает в виде пара, там он сжимается с одновременным повышением температуры и под высоким давлением отправляется в конденсатор. В конденсаторе вещество охлаждается, превращаясь в жидкость и отдавая лишнее тепло в окружающую среду. Тепло это отводится преимущественно естественным путем – конвекцией и тепловым излучением. Принудительное охлаждение конденсатора в бытовой холодильной технике не предусмотрено.

Виды компрессоров в современных холодильниках

Самый популярный вид компрессоров, которыми комплектуются современные холодильники, – поршневые. Их поршень приводится в движение через шатунно-кривошипный или другой подобный механизм обычным электродвигателем. Более современное решение – электромагнитные компрессоры поршневого типа. Их конструктивная особенность – наличие вокруг цилиндра электромагнитной катушки. Катушка создает электромагнитное поле, а оно начинает поступательно двигать поршень.

Поршневые компрессоры имеют немало достоинств:

• создают высокое давление и тем самым обеспечивают значительную разницу температур на испарителе и конденсаторе;
• имеет весьма простую конструкцию без особых требований к высокой точности изготовления деталей;
• стоят недорого.

Среди недостатков компрессоров с поршнями:

• недостаточная сбалансированность и как результат – высокий уровень шума и вибрации;
• значительное число движущихся частей;
• быстрый износ и снижение рабочего ресурса.

Важным минусом устройства является риск поломки при повторном пуске, если запускать компрессор в течение первых секунд после остановки. В этот момент в цилиндре сохраняется высокое давление, и при включении агрегата на двигатель создается критическая нагрузка, что может вызвать повреждение мотора. Во избежание этого поршневой компрессор включать повторно можно только через несколько минут покоя (5-10 минут) – за это время уровень давления в системе выровняется. Современные модели холодильников оснащены встроенной автоматической защитой от быстрого повторного пуска, старую технику рекомендуется включать через реле времени, выставив задержку запуска не менее 5 минут.

Вторая большая категория компрессоров – ротационные, или роторные. Давление в них создается за счет постоянно меняющегося зазора между корпусом и вращающимся ротором. Ротор может иметь различную конструкцию. Он бывает:

• эксцентричным;
• качающимся;
• с подвижными лепестками.

Но принцип действия у таких устройств одинаков.

Ротационные компрессоры компактны, достаточно бесшумны, обладают увеличенным рабочим ресурсом из-за малого количества движущихся деталей. Однако они весьма сложны в изготовлении и создают недостаточно высокое по сравнению с поршневыми аналогами давление. Устройства активно используются для оснащения классических холодильников, которые не призваны создавать очень низкую температуру.

Другие классы компрессоров – винтовые, центробежные, кулачковые и прочие – в бытовых холодильниках практически не устанавливаются.

Существует еще одна классификация компрессоров – классические и инверторные. Тем или другим может быть как поршневая, так и ротационная модель. У классических компрессоров (они также называются обычными или неинверторными) двигатель вращается с постоянной скоростью. Чтобы поддерживать в оборудовании заданные температурные параметры, мотор периодически останавливается и заново включается. В конструкцию инверторных компрессоров внедрен инвертор – частотный преобразователь. Двигатель в таких моделях подключается через этот узел, который корректирует показатели частоты и тем самым меняет скорость вращения мотора, поддерживая заданную температуру. Инверторные модели компрессоров дороже, но они эффективнее, экономичнее и надежнее.

Особняком стоят холодильники с динамическим методом нагнетания хладагента. В них компрессором выступает осевой или центробежный вентилятор – именно он гонит хладагент по рабочей магистрали.

Хладагенты

Хладагентами в бытовых холодильниках обычно выступают особые смеси углеводородов – фреоны. Для каждых условий эксплуатации техники должен использоваться свой собственный состав, однако чаще всего производители предлагают некие универсальные варианты.

Основной параметр хладагента – его температура кипения. Чем она ниже, тем более низкой температуры можно добиться в холодильнике. Однако просто заменить одно рабочее вещество другим, кипящее при более низких показателях, нельзя. Чем ниже температура кипения фреона, тем большее давление нужно для его конденсации, и не всегда компрессор способен его создать. Поэтому при дозаправке хладагента следует доливать только идентичный состав, а при полной смене – использовать такой же или применять аналог со схожими характеристиками.

В домашних холодильниках чаще всего используются следующие хладагенты:

• Фреон R22 с температурой кипения почти -41°С. Сейчас это вещество применяется значительно реже (а в некоторых странах вообще запрещено), так как было выявлено, что оно наносит вред окружающей среде (разрушает озоновый слой).
• Пришедшие ему на смену R407С и R410A с температурой кипения ниже -51°С, более экологичные, но требующие более высокого давления для конденсации и потому удорожающие технику. Кроме того, при их утечках (40% состава R410A и 5-10% R407C) заправка холодильников уже невозможна – магистраль нужно перезаправлять целиком.
• Тетрафторэтан R134 используется только в самых простейших холодильных устройствах без морозильных отсеков, так как имеет температуру кипения всего немногим ниже -26°С. Вещество не вредит озоновому слою, но усиливает парниковый эффект, потому его нельзя назвать абсолютно безвредным.
• Изобутан R600a отличается низким давлением конденсации и одновременно высокой удельной теплотой парообразования. Однако он закипает всего при -12°С, потому заправленные им холодильники нельзя использовать зимой на улице

Еще одна важная деталь – каждый хладагент требует применения определенного вида масла для обработки узлов компрессора. Использование других типов смазки чревато поломкой компрессора.

Особенности работы холодильников

Холодильники могут иметь разное количество камер – от одной до четырех и даже больше. Самые распространенные модели – одно- и двухкамерные. Они очень похожи по строению, но принцип работы несколько различается. В старых двухкамерных моделях (обычно морозилка у них расположена сверху) испаритель является общим для нижней и верхней камеры. Потому если, размораживая морозильную камеру, вы механически повредите испаритель, сломается весь агрегат. Это же справедливо для моделей с одной камерой (морозилка отсутствует либо находится внутри основного отсека).

В новых двухкамерных холодильниках с нижним расположением морозильника имеется два изолированных друг от друга испарителя. Расположение морозильного отсека внизу агрегата делает возможным обустроить в нем зону с нулевой температурой – зону свежести. Она находится в самой нижней части основного отделения. Также такая конструкция позволяет добавить в агрегат третью – «нулевую» – камеру.

Новые модели холодильников с двумя камерами могут иметь один или два отдельных компрессора. Во втором случае за циркуляцию хладагента в основном и морозильном отсеке отвечает свой собственный компрессор.

Модели No Frost и с капельным оттаиванием

Технология Ноу Фрост позволяет свести периодичность размораживания холодильника к одному разу в год – только того, чтобы вымыть агрегат. Влага эффективно выводится из системы, не допуская образования в камере большого количества наледи и инея. Испаритель находится в морозильном отделении, а вырабатываемый им холод направляется вентилятором в основной отсек. В основной камере напротив каждой полки имеются отверстия – через них в отделение попадает холодный воздушный поток. После того, как порция воздуха равномерно распределилась по отсеку, запускается цикл покоя – оттаивания. Испаритель оснащен нагревательным элементом, который включается, вызывает таяние успевшей образоваться наледи.

Недостатки у технологии No Frost также имеются. Ее наличие несколько усложняет конструкцию техники, заметно возрастает потребление электроэнергии.

Еще одна популярная технология оттаивания холодильника – капельная (также используются названия «плачущая» и Direct Cool). Техника сконструирована и настроена таким образом, что во время работы испаритель покрывается наледью. При отключении компрессора она тает, и влага по внутренним стенкам агрегата стекает в сливное отверстие.

Технология «Быстрая заморозка» (суперзаморозка)

Такая опция реализована во многих современных двухкамерных холодильниках. При ее активации (она включается вручную) компрессор начинает работать без остановки, добиваясь, чтобы загруженные в морозильную камеру продукты полностью промерзли и снаружи, и внутри. Автоматического отключения режима не предусмотрено, выключать его нужно также вручную, не позднее, чем через 72 часа после активации. Самые последние модели агрегатов умеют отключать суперзаморозку самостоятельно – по сигналам специальных термоэлектрических датчиков.

Как работает абсорбционная холодильная машина

Абсорбционный холодильник работает иначе. Хладагентом у него выступает преимущественно аммиак, и он так же, как и в компрессорных моделях охлаждает рабочую камеру, но его циркуляция обеспечивается совсем другим процессом – сначала он смешивается с водородом или другим газом, а затем происходит его абсорбция (растворение) в воде. Принцип действия холодильника такого типа следующий:

• В термосифонной трубке – основном рабочем элементе системы – находится кипящий аммиачный раствор. Для поддержания кипения термосифон разогревается снаружи нагревательным элементом.
• В какой-то момент времени кипящий раствор расширяется, его уровень в термосифоне поднимается, и часть состава выливается в соседний отсек – сепаратор.
• В сепараторе происходит отделение части аммиачного пара от общего объема жидкости, которая стекает в емкость-абсорбер с водой.
• Аммиачный пар отправляется в конденсатор, где происходит снижение его температуры и превращение в жидкость. Получивший жидкое агрегатное состояние аммиак поступает в наполненный водородом испаритель, где сначала происходит смешивание веществ, а затем часть аммиака испаряется и при этом поглощает из окружающего пространства тепло.
• Остатки смеси подаются в абсорбер, где происходит разделение ее компонентов: аммиак растворяется, а водород вытесняется в верхнюю часть резервуара и уходит в испаритель, где будет «ждать» следующую порцию хладагента.
• Растворенный в воде аммиак поступает в нагреваемый термосифон. Цикл повторяется.

Чтобы оборудование работало термически эффективно, все его узлы заключаются в теплоизолирующий кожух.

Среди плюсов такого холодильника – бесшумность его работы, простота конструкции, отсутствие механических движущихся частей, возможность нагревать термосифон любым способом, в том числе и прямым сжиганием топлива.

Но и недостатков у агрегата этого типа достаточно. Он менее эффективен, чем компрессорные аналоги, чувствителен к процессам окисления и коррозии, должен находиться строго вертикально. Потому такая техника не используется в современных квартирах, но она востребована там, где нет постоянного источника энергоснабжения. Чаще всего ее можно встретить в «домах на колесах»: в пути агрегаты работают на газе, а на стоянках в кемпингах – от электричества.

Система Пельтье: принцип действия термоэлектрических холодильников

Под эффектом Пельтье понимают термоэлектрическое явление, когда при прохождении электрического тока в спае (точке контакта) двух проводников из разного материала переносится и тепловая энергия. Первый (по ходу движения тока) проводник при этом охлаждается, а второй моментально нагревается. Нагрев происходит и за счет тепла от первого проводника, и за счет электрической энергии протекающего электрического тока.

На таком принципе основана работа целого ряда охлаждающего оборудования:

• сумок-холодильников;
• шкафов для хранения вина;
• кулеров для питьевой воды;
• автомобильных холодильников.

Техника бесшумная, отличается надежностью работы, но достаточно дорогая, а ее температурный режим существенно зависит от температуры окружающего воздуха.

Подведем итог

Ничего сложного в работе холодильного оборудования нет. Если знать виды холодильников и в целом понимать принципы их работы, можно предотвратить поломку техники и сэкономить на оплате электроэнергии.

Список литературы

• Как работает холодильное оборудование? (Электронный ресурс) // DNS Клуб, 2019 г. ссылка
• Как работает холодильник: принципы, циклы, режимы. (Электронный ресурс) // Компания “БытТехСервис”, 2020 г.ссылка
• Холодильник – как он устроен и принципы его работы. (Электронный ресурс) // Ozon Клуб, 2022 г. ссылка
• Принцип работы и устройство бытового холодильника. (Электронный ресурс) // Стройка.Ремонт.Быт.Уют, 2021 г.ссылка