Здесь и далее численные значения приводятся для холодильника, работающего на R12.
Столь значительная температура паров обусловлена тем, что они интенсивно отнимают теплоту, выделяемую электродвигателем, тем самым охлаждая его обмотки.
Сжатые горячие пары хладагента поступают в конденсатор, где под действием окружающего воздуха, температура которого намного ниже, при постоянном давлении конденсации Рк и температуре конденсации на 10...200С выше окружающей, охлаждаются, а затем конденсируются, накапливаясь в конечных витках змеевика конденсатора.
Жидкий хладагент из конденсатора направляется через фильтр в капиллярную трубку, где происходит процесс дросселирования. Вследствие большого гидравлического сопротивления капиллярной трубки давление хладагента снижается от давления конденсации Рк до давления кипения в испарителе Р0= 0,154...0,203 МПа. Кроме того, поскольку конструкция холодильника предусматривает теплообмен между всасывающим трубопроводом и капиллярной трубкой, в последней происходит переохлаждение хладагента до температуры t0 = -10...-20 "С, что повышает эффективность работы агрегата.
В результате процесса дросселирования хладагент в капиллярной трубке частично испаряется и в испаритель помимо жидкого хладагента в некотором количестве поступает двухфазная парожидкостная смесь. В испарителе хладагент кипит при неизменном давлении за счет теплоты, отбираемой у охлаждаемого воздуха холодильной камеры. Образующиеся пары хладагента отсасываются компрессором, предварительно перегреваясь в теплообменнике. Температура паров при входе в кожух мотор-компрессора повышается до 150С. После этого цикл повторяется.
Хладагенты и их свойства
Экономичность работы холодильной машины, ее размеры и устройство во многом зависят от вида рабочего вещества, циркулирующего в ее контуре. Это вещество или, как его принято называть, холодильный агент, или хладагент, совершает в холодильной машине обратный круговой процесс, в результате которого теплота от охлаждаемого тела передается в окружающую среду.
Вещества, применяемые в качестве хладагентов, должны соответствовать необходимым термодинамическим, физико-химическим и другим требованиям.
К термодинамическим требованиям относят низкую нормальную температуру кипения хладагента, что дает возможность избежать вакуума в испарителе, сравнительно низкое давление конденсации, что позволяет облегчить конструкцию машины, высокие значения теплоты парообразования и объемной холодопроиз-водительности. Температура замерзания должна быть значительно ниже рабочей температуры кипения, с тем, чтобы исключить возможность замерзания хладагента в испарителе; критическая температура должна быть достаточно высокой, чтобы можно было осуществить процесс сжижения при температуре окружающей среды и обеспечить более экономичную работу машины.
К физико-химическим требованиям относят небольшие величины плотности и вязкости, что способствует снижению сопротивления движению хладагента по системе и, следовательно, уменьшению потерь давления. Коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи должны быть максимально большими, так как при этом улучшается работа теплообменных аппаратов (испарителя и конденсатора). Растворимость хладагента в масле создает благоприятные условия для смазки компрессора, так как масло в смеси с холодильным агентом проникает в труднодоступные места. С другой стороны, если хладагент не растворяется в масле, то из цилиндра компрессора уносится меньше масла, не изменяется температура кипения при постоянном давлении, в то время как для растворимого в масле хладагента температура кипения зависит от его концентрации в смеси. Однако масло, попадающее с нерастворимым агентом в теплообменные аппараты, оседает на поверхности и ухудшает теплопередачу.
Плохая растворимость хладагента в воде является отрицательным свойством. При попадании влаги в систему она может замерзнуть и нарушить циркуляцию хладагента.
Хладагент должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, которые применяют в машине. Отрицательным свойством хладагента является большая текучесть, т. е. способность проникать через мельчайшие щели и даже поры в металле. Поскольку норма зарядки бытовой системы хладагентом строго дозирована, утечка его при эксплуатации агрегата не должна превышать 2... 5 г в год.
Желательно, чтобы хладагент был негорюч, невзрывоопасен и не разлагался при высоких и низких температурах, хотя эти требования на практике часто нарушаются.
Холодильный агент должен быть безопасен для жизни и здоровья человека, его стоимость не должна быть высокой.
Практически невозможно подобрать такие вещества, которые удовлетворяли бы всем вышеперечисленным требованиям, поэтому в каждом конкретном случае отдают предпочтение таким, которые отвечают принципиальным требованиям.
Одним из наиболее широко применяющихся хладагентов является аммиак (известный с 1970-х гг.). В бытовых абсорбционных холодильниках он используется в смеси с водой, играющей роль абсорбента.
В 1930-х гг. прошлого века появилась большая группа новых хладагентов — фреонов, которые представляют собой фтористые и хлористые производные предельных насыщенных углеводородов (метана СН4, этана С2Н6 и др.).
Практически до конца XIX в. наиболее распространенными были хладагенты из группы хлорфторуглеводородов (ХФУ) (фреоны), известные под латинской аббревиатурой CFC.
Начиная с 1980 г. в результате исследований озонового слоя Земли было отмечено вредное воздействие на него хладагентов группы CFC. В связи с этим был разработан ряд новых хладагентов, принадлежащих главнымобразом к двум категориям химических соединений: фторхлорсодержащим углеводородам с низкой озоноразрушающей активностью HCFC (гидратированные ХФУ) и не содержащим атомов хлора фторуглеводородам HFC (озонобезопасные гидрофторуглеводороды).
Одной из основных тенденций развития холодильной техники в ближайшее время является перевод всего холодильного оборудования на озонобезопасные хладагенты.
В бытовых холодильниках и кондиционерах в качестве хладагентов в настоящий («переходный») период широко используются хладагенты фреоновой группы, аммиак, агенты групп HCFC и HFC, в том числе смеси различных углеводородов.
Аммиак NH3 (R717) — бесцветный газ с резким запахом, вызывающий раздражение слизистых оболочек даже при малой концентрации в воздухе. При содержании аммиака в воздухе в количестве 16...25 % открытое пламя вызывает взрыв. Обладает хорошими термодинамическими свойствами. Нормальная температура кипения аммиака -33,3 °С. Аммиак имеет большую объемную холодопроизводительность, относительно небольшое рабочее давление конденсации. Он почти нерастворим в масле, но интенсивно поглощается водой. С черными металлами (чугун, сталь) аммиак в реакцию не вступает, но в присутствии влаги разъедает цинк, медь и ее сплавы. Аммиак горюч, но в воздухе он горит плохо, а в среде кислорода — хорошо. Газообразный аммиак легче воздуха. Жидкий аммиак — проводник электрического тока. Аммиак — доступный и дешевый холодильный агент.
R12 (дифтордихлорметан CF2C12) — хладагент группы CFC, бесцветный газ, практически без запаха, в 4,18 раза тяжелее воздуха. Нормальная температура кипения -29,8 °С. R12 невзрывоопасен, негорюч, но при температурах свыше 400 °С разлагается с образованием хлористого и фтористого водорода, а также ядовитого газа фосгена. R12 хорошо растворяет различные органические вещества и лаковые покрытия, что следует учитывать, в частности, при использовании обмоток электродвигателей с подобными покрытиями и т.п. R12 обладает хорошей взаиморастворимостью с маслом, образуя однородную смесь. При этом вязкость масла резко уменьшается. Концентрации масла и R12 в жидкой фазе этой смеси зависят от ее температуры и давления, что имеет большое практическое значение, оказывая влияние на смазку холодильного агрегата. При отсутствии влаги R12 нейтрален почти ко всем металлам. В жидком виде он способен смывать с внутренней поверхности машин и аппаратов окалину, ржавчину и т. п.
В качестве альтернативы используемым в настоящее время в промышленных и коммерческих установках хладагентам R12, R22 и R502 уже давно рекомендуются так называемые «природные» хладагенты, такие, как пропан (R290), изобутан (R600a) и аммиак (R717), которые не представляют угрозы для окружающей среды. Однако при использовании таких хладагентов должны строго выполняться все предписанные меры предосторожности, позволяющие избежать опасных воздействий на обслуживающий персонал или сооружения, в которых установлены холодильные установки.
Холодильные смазочные масла и их свойства
Смазочные масла, используемые в компрессионных холодильных машинах, выполняют целый ряд важных функций: уменьшают износ трущихся поверхностей деталей механизма движения компрессора; благодаря отводу части теплоты частично содействуют охлаждению компрессора; способствуют удалению мелких частиц металла — продуктов износа сопрягаемых пар.
В холодильных устройствах используются масла различных марок, различающиеся по своим свойствам. Выбор той или иной марки масла зависит от применяемого в данной машине хладагента, а также от рабочих температур в испарителе и компрессоре, системы смазки компрессора и т.д.
Смазочные масла должны отвечать следующим требованиям:
– обладать определенной вязкостью и способностью смачивания;
– не содержать посторонних примесей (воды, кислот и др.);
– иметь стабильные свойства, т. е. не изменяться в течение длительного времени;
– не взаимодействовать с материалами холодильного агрегата и с хладагентом;
– иметь низкую температуру замерзания и высокую температуру воспламенения.
Все используемые в холодильных машинах масла должны быть прозрачными. Масло становится непрозрачным вследствие большого содержания примесей (воды, смолистых веществ, продуктов износа). В процессе эксплуатации холодильного агрегата масло постепенно стареет под действием теплоты, давления, различных загрязнений, а также из-за окисления в присутствии воздуха и влаги. Запах и наличие осадка, как и цвет масла, позволяют оценить его качество и пригодность к дальнейшему использованию.
3. Классификация бытовых холодильников и морозильников
Бытовые холодильники и морозильники предназначены для кратковременного, а также длительного хранения скоропортящихся пищевых продуктов, полуфабрикатов и готовых блюд в охлажденном или замороженном виде.
Современный холодильник представляет собой, как правило, шкаф, внутри которого находится холодильная камера (ХК), а в некоторых моделях холодильников и морозильная, с полками для пищевых продуктов. Камера ограждена от шкафа слоем теплоизоляции. Холодильный агрегат расположен в машинном отсеке, обычно в нижней части шкафа. Спереди камера закрыта дверью, которая удерживается в закрытом положении механическим или магнитным затвором. Существует множество различных моделей бытовых холодильников, различающихся по своему назначению и конструктивному оформлению.
Бытовые холодильники и морозильники изготовляются согласно стандартам страны-производителя. В нашей стране выпуск электрических компрессионных, абсорбционных и термоэлектрических холодильников обусловлен требованиями ГОСТ 16317—87 «Приборы холодильные электрические бытовые».
По своему назначению холодильные приборы подразделяются на холодильники, морозильники и холодильники-морозильники.
По способу получения холода — на компрессионные, абсорбционные и термоэлектрические.
По числу камер — на однокамерные, двухкамерные, трехкамерные и многокамерные.
По способу установки — на напольные типа шкаф, напольные типа стол, встраиваемые настенные, блочно встраиваемые.
По способности работать при максимальных температурах окружающей среды холодильные приборы подразделяются на следующие классы:
Класс А (холодильники):
SN, N — не выше 32°С; ST — не выше 38°С; Т — не выше 43оС.
Класс Б (морозильники и холодильники-морозильники):
N — не выше 32оС; Т — не выше 43°С.
В зависимости от температуры в низкотемпературном отделении (НТО) холодильники маркируют следующим образом: одной звездочкой (охлаждение до -6 °С); двумя звездочками (охлаждение до -12 °С); тремя звездочками (охлаждение до -18 °С).
Обозначение на дверце морозильной камеры (МК) представляет собой сочетание одной большой и трех малых звездочек.
Двухкамерные холодильники, как правило, маркируют четырьмя звездочками, что указывает на возможность замораживания в них продуктов с требуемой скоростью, благодаря чему сохраняется их клеточная структура.
В зависимости от выполняемых функций холодильные приборы подразделяются на группы сложности (табл.).
Морозильники относят к 1-й группе сложности, морозильники со специальным устройством для размораживания — к 0-й группе.
Зарубежные (в частности, немецкие) холодильники подразделяются на три класса комфортности: функциональный класс; комфорт-класс; премиум-класс. Функциональный класс отвечает наиболее важным функциональным требованиям к условиям хранения продуктов и экономичности холодильника в эксплуатации при оптимальном сочетании цены и качества. Холодильники комфорт-класса кроме основных функций имеют дополнительные, повышающие комфортность и удобства в эксплуатации. Холодильники премиум-класса имеют наибольший выбор функций и элементов комфортности.
Для того чтобы при покупке можно было сравнить характеристики расхода электроэнергии, в европейских странах вся холодильная и морозильная техника снабжается так называемой «евро-наклейкой», свидетельствующей о потребляемой ею энергии. Приборы всех производителей разделены на «классы энергопотребления» по семибалльной шкале от А до G: экономичные модели (цвет наклеек на корпусе от темно-зеленого до желто-зеленого) — А, В и С; промежуточный класс (желтая наклейка) — D; модели с высоким расходом электроэнергии (цвет наклеек от оранжевого до красного) — Е, F и G.
Энергопотребление домашних холодильников составляет около 24 % общего энергопотребления домашних электрических аппаратов, ровно столько составляют энергозатраты на освещение. В связи с этим можно предположить в будущем увеличение производства более совершенных с точки зрения энергозатрат аппаратов при одновременном уменьшении рыночной доли малоэффективной продукции.
4. Типы и конструкции бытовых холодильников.
Однокамерные холодильники. До сравнительно недавнего времени этот тип холодильников (рис. 1) был наиболее распространенным типом бытовых холодильных устройств. Они представлены моделями с низкотемпературным отделением (НТО) и без него. Кроме того, однокамерные холодильники могут иметь конструкцию с изолированной низкотемпературной (НТК) или морозильной (МК) камерой небольшого объема за общей дверью (рис. 2.).
Рис. 1. Однокамерный холодильник «Саратов» КШ-140: а — вид спереди; б — вид сзади. 1 — внутренний шкаф; 2 — полки; 3 — поддон; 4 — дверца испарителя; 5 — наружный шкаф; 6 — выключатель; 7— лампа; 8 — ручка терморегулятора; 9 — щиток; 10 — дверца; 11 — форма для яиц; 12 — ограждение; 13 — панель двери; 14 — дверь; 15 — уплотнитель двери; 16— полка панели двери; 17 — сосуд для овощей и фруктов; 18 — конденсатор; 19 — сосуд для талой воды; 20 — компрессор; 21 — пускозащитное реле; 22 — кронштейн подвески. | 4 5 6 7 8 Рис. 2. Однокамерный морозильник «Минск-18» МШ-220: 1 - корзина; 2 - винт; 3 - декоративный элемент; 4 - задний упор; 5 –скребок; 6- пиктограмма; 7- табличка; 8- блок управления и наблюдения, 9 - форма для льда; 10 – бак; 11 - полка; 12- карман; 13 – щиток; 14 - решетка; 15 - ограничитель двери; 16 - опора в сборе. |
Однокамерные холодильники и морозильники имеют форму вертикального прямоугольного шкафа или сервировочного стола, габаритные размеры которого зависят от объема камеры охлаждения, размеров машинного отсека и применяемой теплоизоляции.
Однокамерные холодильники небольшого объема предпочтительны для малочисленных семей, использующих сравнительно небольшие запасы замороженных продуктов, а также для таких учреждений, как гостиницы, больницы и т.п.
Машинный отсек для мотор-компрессора обычно устраивают в нижней части шкафа.
Форма шкафа и его внешнее оформление зависят от эстетических требований, которые во многом определяются требованиями моды.
В настоящее время в угоду моде на «ретро» некоторые фирмы-производители наряду с привычными прямоугольными конструкциями предложили на рынок ряд моделей, стилизованных под холодильники 1940— 1950-е гг., обтекаемой формы с выпукло-вогнутыми поверхностями, а также с механическими затворами дверей.
В однокамерных холодильниках без НТО, где продукты охлаждает самооттаивающийся испаритель, не требуется ручного оттаивания. Наиболее распространены так называемые «плачущие» испарители в виде охлаждающей пластины, закрепленной на задней стенке камеры. Реже испаритель устанавливают за стенкой внутри теплоизоляции («запененный» испаритель). В этом случае вентилятор в холодильной камере обеспечивает более быстрое охлаждение теплых продуктов сразу же после их загрузки и восстановление заданного температурного режима после открывания двери, а также более равномерное распределение температур в разных зонах камеры. Для регулирования влажности в отделении для хранения фруктов и овощей предусмотрены заслонки, меняя положение которых можно изменять воздухообмен между овощным отделением и холодильной камерой и таким образом поддерживать нужную влажность.
Холодильники с низкотемпературным отделением предусматривают хранение и замороженных продуктов. Для этой цели служит НТО или НТК небольшого объема с герметичной дверцей за общей дверью.
Для достижения низких температур, необходимых для быстрого замораживания (до -24 °С), используются холодильники с изолированной морозильной камерой. Эту камеру маркируют четырьмя звездочками, одна из которых увеличенного размера. Модели с четырьмя звездочками и естественной циркуляцией воздуха оснащены двумя испарителями.
Двухкамерные холодильники. В настоящее время эта группа холодильников является самой многочисленной и популярной. Двухкамерные или комбинированные холодильники имеют в одном шкафу два отделения с различными температурными режимами: низкотемпературное (морозильное) отделение для хранения замороженных продуктов и высокотемпературное отделение для хранения продуктов в охлажденном виде (рис. 3). Расположение морозильной камеры может быть верхним, нижним или боковым (side by side).
Каждая камера имеет свою дверь. Охлаждение обеих камер обеспечивается одним или двумя холодильными агрегатами. При наличии одного холодильного агрегата холодильник может иметь один или два испарителя в зависимости от системы охлаждения высокотемпературной камеры. При наличии двух испарителей обе камеры полностью изолированы друг от друга теплоизоляционной перегородкой. Низкотемпературная камера охлаждается испарителем, стенки которого являются стенками самой камеры. Высокотемпературная камера охлаждается отдельным испарителем, не предназначенным для укладки на него продуктов (он обычно закреплен на потолке или задней стенке камеры).
Рис. 3. Двухкамерный холодильник-морозильник Stinol-101
а — общий вид:
1 - панель управления; 2 - плафон с лампой; 3 - съемная емкость с крышкой; 4 - съемная барьер-полка с передвижной формой для яиц; 5- откидные полки; 6 - подвижный упор-разделитель для бутылок; 7 - съемная барьер-полка; 8 - индикатор температуры; 9 - водоотводящая система для удаления талой воды; 10 - регулировочные опоры; 11 - отделение для хранения замороженных продуктов; 12 - отделение для быстрого замораживания и хранения замороженных продуктов; 13 - ванночки для льда и аккумулятор холода; 14 - емкость для фруктов и овощей; 15- направляющая для стока воды; 16 - полки;
б — схема холодильных агрегатов:
1 - компрессор; 2 - всасывающий трубопровод; 3 - испаритель морозильной камеры; 4 - испаритель холодильной камеры; 5 - капиллярная трубка; 6 - фильтр-осушитель; 7 - трубка обогрева дверного проема; 8 - конденсатор; 9 - нагнетательный трубопровод.
У двухкомпрессорных комбинированных холодильников-морозильников морозильная камера расположена, как правило, внизу. Преимущество таких холодильников — в независимом охлаждении камер: отказ одного из компрессоров никак не отражается на работе другой камеры, хотя морозильная камера не может заменить холодильной и наоборот. Недостатки: более высокая вероятность отказов (больше элементов конструкции, которые могут отказать) и повышенное потребление электроэнергии.
Встраиваемые холодильники. Многие фирмы-производители выпускают холодильники во встроенном исполнении (так называемые built-in), которые являются весьма популярными на рынке стран Европы. По сложившемуся стандарту под холодильники отводят ниши шириной 560и 600 мм, причем первый размер предназначается для «высоких» одно- и двухдверных холодильников, холодильников класса combi, морозильников и т.д., а ниши шириной 600 мм — под «низкие» холодильники и морозильники (высотой 850...880 мм). Встраиваемые холодильники полностью скрываются мебельной панелью. Забор воздуха, необходимого для вентиляции конденсатора, осуществляется через нижний цоколь, а отвод — вверх, в пространство у задней стенки мебельного шкафа.
Морозильники. Этот тип бытовых холодильных устройств выпускается в вертикальном исполнении (в виде шкафа) и в горизонтальном исполнении (в виде ларя с крышкой). Большинство моделей морозильников имеет естественную циркуляцию воздуха и ручное оттаивание, но наряду с ними выпускаются модели с принудительной циркуляцией воздуха и автоматическим оттаиванием.
Для умеренного климата предпочтительнее более экономичные и надежные модели с естественной циркуляцией воздуха и ручным оттаиванием.
Универсальные холодильники-морозильники с электронным управлением позволяют не только замораживать продукты и длительное время хранить их в замороженном состоянии, но и поддерживать наиболее экономичный режим «погреба» для хранения фруктов и овощей в свежем виде.
Некоторые модели вертикальных морозильников большого полезного объема имеют две двери для повышения удобства при замораживании, а также для снижения потерь холода при загрузке продуктов.
Горизонтальные морозильники менее удобны в эксплуатации, требуют больше места для установки, но более надежны и экономичны. Даже при плохом уплотнении крышки более тяжелый холодный воздух остается внутри ларя. Горизонтальные морозильники имеют ручное оттаивание.
Мини-холодильники. Эта категория включает в себя компрессионные, абсорбционные и термоэлектрические холодильники небольшого размера (высотой менее 850 мм).
Компрессионные мини-холодильники можно использовать в офисах и гостиницах, а также для встраивания в мини-бары и витрины.
Абсорбционные мини-холодильники предпочтительнее для использования на даче или в туристической поездке. Работают от 12-вольтового автомобильного прикуривателя, от сети 220 В, 50 Гц или от газового картриджа-баллончика с потреблением газа от 180 до 250 г в сутки.
Термоэлектрические мини-холодильники (объемом до 20 л) используют как автомобильные и переносные. Большинство моделей кроме обычного для всех холодильных устройств режима охлаждения могут работать в режиме подогрева продуктов при температуре 55...60°С, для чего необходимо лишь сменить полярность штекера на входе в холодильник.
Мини-холодильник (мини-бар) НТ- 50А | Охладитель PENGUIN JC-23A | Винный шкаф Liebherr WK 1802 |
Элементы компрессионного холодильного агрегата: герметичный мотор-компрессор-1, конденсатор-3, испаритель-4, дроссельное устройство (капиллярная трубка-5) и система трубопроводов. В качестве вспомогательного элемента в контур включается фильтр-осушитель-2. | |||
Мини-холодильник (мини-бар) НТ- 50А | Охладитель PENGUIN JC-23A | Винный шкаф Liebherr WK 1802 | |
Рис. 1. Однокамерный холодильник «Саратов» КШ-140: а — вид спереди; б — вид сзади. 1 — внутренний шкаф; 2 — полки; 3 — поддон; 4 — дверца испарителя; 5 — наружный шкаф; 6 — выключатель; 7— лампа; 8 — ручка терморегулятора; 9 — щиток; 10 — дверца; 11 — форма для яиц; 12 — ограждение; 13 — панель двери; 14 — дверь; 15 — уплотнитель двери; 16— полка панели двери; 17 — сосуд для овощей и фруктов; 18 — конденсатор; 19 — сосуд для талой воды; 20 — компрессор; 21 — пускозащитное реле; 22 — кронштейн подвески. | 4 5 6 7 8 Рис. 2. Однокамерный морозильник «Минск-18» МШ-220: 1 - корзина; 2 - винт; 3 - декоративный элемент; 4 - задний упор; 5 –скребок; 6- пиктограмма; 7- табличка; 8- блок управления и наблюдения, 9 - форма для льда; 10 – бак; 11 - полка; 12- карман; 13 – щиток; 14 - решетка; 15 - ограничитель двери; 16 - опора в сборе. |
Рис. 3. Двухкамерный холодильник-морозильник Stinol-101
а — общий вид:
1 - панель управления; 2 - плафон с лампой; 3 - съемная емкость с крышкой; 4 - съемная барьер-полка с передвижной формой для яиц; 5- откидные полки; 6 - подвижный упор-разделитель для бутылок; 7 - съемная барьер-полка; 8 - индикатор температуры; 9 - водоотводящая система для удаления талой воды; 10 - регулировочные опоры; 11 - отделение для хранения замороженных продуктов; 12 - отделение для быстрого замораживания и хранения замороженных продуктов; 13 - ванночки для льда и аккумулятор холода; 14 - емкость для фруктов и овощей; 15- направляющая для стока воды; 16 - полки;
б — схема холодильных агрегатов:
1 - компрессор; 2 - всасывающий трубопровод; 3 - испаритель морозильной камеры; 4 - испаритель холодильной камеры; 5 - капиллярная трубка; 6 - фильтр-осушитель; 7 - трубка обогрева дверного проема; 8 - конденсатор; 9 - нагнетательный трубопровод.