По сути, морозильники — это не более чем тепловые насосы, которые должны работать в очень ограниченном пространстве. Они работают, удаляя теплый воздух из морозильной камеры, а затем пропуская этот воздух через охлаждаемый змеевик для поглощения тепла. Оставшийся холодный воздух подается обратно в морозильную камеру.
Морозильные камеры являются одним из самых распространенных приборов в Соединенных Штатах. Технология их эксплуатации существует уже более 100 лет, но мало кто действительно понимает основные принципы работы их домашнего морозильника.
В то время как люди веками хранили лед и использовали подземные погреба для хранения продуктов, первый морозильник, каким мы его себе представляли сегодня, был запатентован в 1840-х годах. от электричества было введено и стало обычным явлением в конце 1800-х годов.
Даже если вы не собираетесь когда-либо пытаться построить или отремонтировать морозильник самостоятельно, знание того, как работает ваш морозильник, может сэкономить много времени и денег, когда этот прибор сломается.
Обзор
По сути, морозильники — это не более чем тепловые насосы, которые должны работать в очень ограниченном пространстве. Они работают, удаляя теплый воздух из морозильной камеры, а затем пропуская этот воздух через охлаждаемый змеевик для поглощения тепла. Оставшийся холодный воздух подается обратно в морозильную камеру.
Морозильники работают, применяя несколько основных законов физики. По сути, это комбинация термодинамических принципов и принципа Бернулия.
Один из наиболее важных законов термодинамики (учение о том, как перемещается тепло) состоит в том, что тепло всегда будет перемещаться из области с большей теплотой в область с меньшей теплотой. Это означает, что, хотя многие люди считают, что морозильник делает воздух внутри него более холодным, на самом деле морозильник фактически забирает тепло из воздуха внутри морозильника и выбрасывает его за пределы морозильной камеры.
Однако для этого морозильная камера должна создать место с меньшим количеством тепла, чем внутри морозильной камеры, чтобы отводить тепло из морозильной камеры. На протяжении многих лет придумывать способы сделать это было непреодолимой проблемой. Ведь какая может быть область с меньшим количеством тепла, если некуда передать это тепло?
Ранние морозильники
Вот почему на протяжении тысячелетий единственными доступными морозильными камерами было хранение льда. Массивные глыбы льда вырезались из озер в зимние месяцы, а затем хранились в подземных убежищах и ледяных амбарах. Погребая лед под слоями толстой соломы, можно было сохранить лед в течение нескольких месяцев в некоторых климатических условиях. При необходимости кусок льда удаляли и помещали в изолированный ящик.
Эти морозильники работали, передавая тепло из коробки в глыбу льда. При этом лед растаял, но внутренняя часть коробки «остыла».
Самая большая проблема этой системы в том, что она зависит от наличия льда. Это делало его непригодным для больших пространств или особенно жаркого климата. Стоимость льда также была особенно высока, что делало этот метод охлаждения доступным только для богатых. Способность сохранять холод в космосе была технологией, которая активно исследовалась в середине промышленной революции.
Основные электрические морозильники
Проблема более холодного источника для отвода тепла была решена с применением принципа Бернулия. Этот научный принцип гласит, что по мере увеличения давления газа его температура снижается. Это означает, что если газ можно принудительно сжать, то можно создать область с более низкой температурой, не создавая места для выхода тепла.
Используя этот принцип, самые ранние морозильники использовали множество обычных веществ, которые можно было легко спрессовать. В некоторых ранних моделях это делалось с помощью ручного или парового насоса. Хладагент в этих ранних моделях обычно содержался в спиральной трубе или складном контейнере другого типа, что делало возможным сжатие.
Хладагент сжимался, создавая место с более низкой температурой. Затем воздух из морозильной камеры будет течь по этому змеевику, передавая тепло от воздуха в змеевик. Затем расширенный газ или жидкость будут расширяться за пределы устройства, выделяя тепло в окружающую среду. Хладагент снова должен быть сжат вручную, чтобы снова снизить его температуру.
Хотя этот метод работал, правда заключалась в том, что он редко работал достаточно стабильно, чтобы сохранять пищу холодной в течение длительных периодов времени. Ранние морозильники вызывали утечки в змеевиках сжатия, что, по сути, ломало всю систему. Не имея возможности постоянно поддерживать постоянное давление, эти морозильники также часто становились либо слишком горячими, либо слишком холодными, что вызывало проблемы с продуктами, хранящимися внутри.
Для большинства 1800-х это означало, что эти типы морозильников не были очень популярны. Если не считать их использования в некоторых научных целях, они не пользовались особой популярностью на потребительском рынке. Однако на рубеже веков это изменится.
Электрические морозильники
К 1920-м годам растущий спрос на холодильные камеры заставил ученых и изобретателей усовершенствовать конструкцию морозильной камеры. Во многом этот спрос был вызван потребностью в кондиционированных больницах и местах для хранения лекарств (к сожалению, вызванной окончанием Первой мировой войны и вспышкой испанского гриппа).
К счастью, это привело к открытию фреона и электрического конденсатора. Фреон был химическим веществом, которое создавало очень низкие температуры при относительно низком уровне давления. Он также был способен многократно конденсироваться с относительно небольшой утечкой.
Фреон можно было производить по достаточно низкой цене, поэтому имело смысл начать использовать его в коммерческих кондиционерах, морозильных камерах и холодильниках. В течение нескольких лет эти приборы стали стандартом во многих американских семьях, и все они работали по одному и тому же общему принципу.
Предупреждающий воздух принудительно проходил через змеевик со сжатым фреоном. Этот сжатый газ на самом деле образовывал очень холодную жидкость, которая могла поглощать много тепла от проходящего над ней воздуха. Это тепло превратит фреон в газ, который расширится до области за пределами морозильной камеры. Вентилятор рассеивал тепло в окружающий воздух. Затем фреон будет перекачиваться, снова конденсироваться и проталкиваться через змеевик внутри морозильной камеры.
Вот почему правильно работающий морозильник будет теплым для человека, который кладет руку сбоку или сзади. Это тепло от внутренней части морозильной камеры, рассеиваемое в окружающую среду.
Современные морозильники
Фреон был самым популярным хладагентом почти 100 лет. Однако со временем было обнаружено, что этот газ вреден для окружающей среды. В настоящее время существует несколько вариантов хладагентов, хотя RU-114, как правило, является наиболее популярным выбором для потребительских морозильных камер.
Морозильники, которые используются в промышленных и научных целях, могут использовать альтернативные хладагенты, которые могут быть намного холоднее, чем эти общедоступные химические вещества. Хотя эти альтернативы могут быть намного холоднее, они также, как правило, стоят намного дороже и обычно требуют специально изготовленных конденсаторов и насосов, чтобы довести их до нужной температуры.
Важно знать, что, как и кондиционеры, морозильные камеры работают только во включенном или выключенном состоянии. Когда они включены, они конденсируют хладагент и отводят тепло от воздуха внутри морозильной камеры. Современные морозильники с термостатом (устройство, которое позволяет пользователю контролировать температуру) фактически включают конденсатор только до тех пор, пока внутри устройства не будет достигнута желаемая температура.
Это означает, что установка слишком низкой температуры морозильной камеры приведет к непрерывной работе конденсатора. В старых морозильных камерах, которые не отключаются автоматически, это может привести к «зависанию» морозильной камеры. По сути, это означает, что конденсатор не позволяет хладагенту расширяться за пределы блока, что делает невозможным рассеивание тепла.