Холоди́льник — устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Применяется обычно для хранения пищи, лекарств или предметов, требующих хранения в прохладном месте или при отрицательных температурах. В развитых странах бытовой холодильник имеется почти в каждой семье. Работа холодильника основана на использовании холодильной установки, переносящей тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду. Существуют также коммерческие холодильники с большей холодопроизводительностью, которые используются на предприятиях общественного питания и в магазинах, и промышленные холодильники, объём рабочей камеры которых может достигать десятков и сотен кубометров, они используются, например, на мясокомбинатах, промышленных производствах.
История создания
Помещения для хранения продуктов, наполняемые льдом, появились несколько тысяч лет назад. Для императора Нерона слуги заготавливали на замёрзших водоёмах в горах снег и лёд. В Тёмные века Южная Европа долгое время даже не подозревала, что снег и лёд способны принести пользу в хозяйстве. Знаменитый путешественник и купец Марко Поло после длительного пребывания в Китае написал книгу, в которой описал все достоинства льда и снега.
Начиная с XVIII века ёмкости из фаянса и фарфора заполнялись бутылками с вином, после чего сверху укладывали колотый лёд. Своеобразный холодильник подавали прямо к столу.
В России в древности, на протяжении веков широко использовались ледники, которые представляли собой сруб, врытый в землю. Набитый большим количеством снега и льда, укрытый толстым настилом, поверх которого была насыпана земля и уложен дёрн, такой ледник позволял хранить длительное время скоропортящиеся продукты.
В 1803 году американский предприниматель Томас Мур, поставлявший в Вашингтон сливочное масло, представил миру прототип кухонного холодильника, изготовленного своими руками. Не имея возможности доставлять масло к месту назначения специальным транспортом, он разработал, а затем воплотил в жизнь модель, которая позволяла хранить продукты длительное время. Для изготовления , как предприниматель назвал своё изобретение, ему понадобились тонкие листы стали, из которых и была изготовлена ёмкость для масла. Обёрнутая шкурками кролика, ёмкость была помещена в специальную бадью, изготовленную из кедровых клёпок, и затем засыпана сверху льдом.
Массово использовались в середине XIX века домашние ледники. Внешне их невозможно было отличить от обычных кухонных шкафов. Кроличьи шкурки для теплоизоляции уже не использовались, вместо них засыпались опилки и пробка. Отсек, который заполнялся льдом, в одних моделях был под камерой для продуктов, а в других — над ней. Через кран талая вода сливалась в специальный поддон.
14 июля 1850 года американский врач Джон Гори впервые продемонстрировал процесс получения искусственного льда в созданном им аппарате. В своём изобретении он использовал технологию компрессионного цикла, которая применяется в современных холодильниках, а сам аппарат мог служить одновременно морозильником и кондиционером.
В 1857 году австралиец Джеймс Харрисон стал применять холодильные камеры, работающие с использованием компрессора, в пивоваренной и мясообрабатывающей промышленности.
В 1857 году был создан первый железнодорожный вагон-рефрижератор.
Французский учёный Фердинанд Карре в 1858 году придумал, как за счёт абсорбции аммиака можно получать искусственный холод — придумал первую абсорбционную холодильную машину. Несмотря на то, что его способ был очень удачным, об изобретении забыли на несколько десятилетий.
Первый бытовой электрический холодильник был создан в 1913 году. Как и промышленные холодильники, он работал с использованием принципа теплового насоса. В первых бытовых холодильниках в качестве охлаждающей жидкости использовались достаточно токсичные вещества.
В 1926 году датский инженер Кристиан Стинструп представил миру бесшумный, безвредный и долговечный холодильник, предназначенный именно для дома. Герметичный колпак скрывал как электродвигатель холодильника, так и его компрессор. General Electric приобрела патент на его изобретение.
С 1930 года в качестве хладагента в бытовых холодильниках чаще всего применяется фреон.
В 1940-е годы в холодильниках появляются морозильные отделения, также возникают обособленные морозильные шкафы.
В 1950—1960-е годы на рынок выходят холодильники с функцией размораживания.
В СССР первые образцы бытового компрессионного холодильника производятся в 1937 году. Серийный выпуск холодильников ХТЗ-120 начался в 1939 году на Харьковском тракторном заводе. Ёмкость камеры составляла 120 литров, до начала Великой Отечественной войны выпущено несколько тысяч единиц.
В 1951 году автомобильный завод ЗИС выпустил первую партию знаменитых холодильников «Москва». Холодильники «Москва» отличались высоким качеством изготовления и долговечностью — многие холодильники продолжают работать спустя полвека, однако достигнуто это было ценой высокой трудоёмкости изготовления и расхода большого количества металла.
К 1962 году холодильники имели: в США — 98,3 % семей, в Италии — 20 %, а в СССР — 5,3 % семей.
В 1990 году в СССР в эксплуатации было больше чем 71 млн бытовых холодильников и морозильников. Обеспеченность ими достигла в 1990 году — 101 на 100 семей, а сельского — 81 на 100 семей.
Устройство и принцип действия Принцип работы компрессионного холодильника
Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, является второе начало термодинамики. Охлаждающее рабочее тело (хладагент) в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основной вклад в передачу теплоты вносит изменение термодинамического состояния хладагента не в цикле Карно, а в фазовых переходах — испарении и конденсации хладагента. В принципе, возможно применение в холодильном цикле только цикла Карно, но при этом для достижения высокой холодопроизводительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь теплообмена в охлаждающем и нагревающем теплообменниках.
Основными составляющими частями холодильника являются: компрессор, создающий необходимую разность давлений; испаритель, забирающий тепло из внутреннего объёма холодильника; конденсатор, отдающий тепло в окружающую среду; холодильный дроссель (ТРВ, капиллярная трубка), поддерживающий разность давлений за счёт дросселирования хладагента; хладагент — вещество, переносящее тепло от испарителя к конденсатору.
В бытовых холодильниках используются герметичные поршневые мотор-компрессоры. В таких компрессорах электродвигатель располагается внутри корпуса компрессора, что позволяет предотвратить утечки хладагента через уплотнение вала. Для поглощения вибраций применяется пружинная подвеска мотор-компрессора. Подвеска мотор-компрессора может быть наружной, когда на пружинах подвешивается весь корпус мотор-компрессора (устаревший метод, за исключением некоторых моделей Sharp, или компрессор советского производства ДХК) с горизонтальным расположением вала, или внутренней, когда подвешен только электродвигатель компрессора внутри корпуса, с вертикальным расположением вала.
Жидкий хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или терморегулируемый расширительный вентиль) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, отбираемая теплота расходуется на теплоту кипения жидкости, за счёт чего происходит охлаждение холодильного пространства холодильника, где и находится испаритель. Затем пары хладагента откачиваются компрессором и нагнетаются в полость высокого давления и цикл повторяется снова.
Испарители бытовых холодильников чаще всего листотрубные, сваренные из пары алюминиевых листов со внутренними каналами для прохождения хладагента или реже могут быть изготовлены в виде трубчатой конструкции из нержавеющей стали. Наиболее долговечные испарители получаются из меди по причине её высокой химической стойкости во влажных химически агрессивных условиях, но в настоящий момент испарители бытовых холодильников почти не производятся из меди по причине её дороговизны и по другим причинам. Торгово-промышленные холодильники во многих случаях и кондиционеры во всех без исключения случаях имеют испарители, изготовленных из меди или её сплавов. Испаритель морозильной камеры часто и является её корпусом, в то время как испаритель холодильной камеры (в холодильниках с двумя испарителями) располагают на задней стенке камеры.
Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.
Терморегулирующий вентиль применяется в промышленных холодильных установках и в некоторых моделях кондиционеров для более точного регулирования подачи фреона в испаритель по сравнению с более простым видом холодильного дросселя — капиллярной трубкой. Он также создаёт разницу давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объём испарителя кипящим хладагентом. Пропускное сечение вентиля изменяется по мере снижения теплового потока в испарителе, при понижении температуры в холодной камере расход циркулирующего хладагента уменьшается.
В бытовых холодильниках чаще всего вместо терморегулирующего вентиля используется капилляр. Он не меняет своё сечение, а дросселирует определённое количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра, длины и типа хладагента. Существуют промежуточные по своему функционалу типы холодильного дросселя (между ТРВ и капилляром), представляющие собой две параллельно включённые капиллярные трубки разной производительности, при этом более производительная и с меньшим сопротивлением капиллярная трубка включена через электромагнитный соленоидный вентиль, что позволяет производить двухпозиционное регулирование подачи хладагента в испаритель с управлением электроникой, что делает такую схему наиболее удобной и оптимальной для холодильных машин средней размерности с ЭБУ (электронным блоком управления) по сравнению со стандартным ТРВ. Но по причине малой известности такой схемы она пока не получила большого распространения в конструкциях холодильных машин.
Большое значение имеет чистота хладагента: вода и примеси могут засорить капилляр или повредить компрессор. Примеси могут образовываться в результате коррозии внутренних стенок трубопроводов холодильника, а также износа компрессора и разложения масла, а влага может попасть при заправке холодильника, либо проникнуть через неплотности (особенно в холодильниках с открытым компрессором). Поэтому при заправке тщательно соблюдается герметичность, перед заправкой хладагентом циркуляционный контур вакуумируется. В каждом холодильнике имеется фильтр-осушитель, который устанавливается перед холодильным дросселем.
Обычно также применяется простейший противоточный теплообменник, снижающий температуру жидкого хладагента от конденсатора перед подачей в испаритель. В результате в испаритель поступает уже охлаждённый жидкий хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из испарителя, подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить тепловой КПД и производительность холодильника, а также предотвратить попадание жидкого хладагента в компрессор и несколько расширяет норму заправки хладагента, снижая требования к точности заправки (справедливо для холодильных машин с фиксированной производительностью дросселя, например, бытовых холодильников).
Принцип действия абсорбционного холодильника