Как устроен холодильник и что такое принцип его работы?
Холодильник прочно вошел в нашу повседневную жизнь, став неотъемлемой частью любой кухни. Однако не все задумываются о том, как устроено это полезное устройство, по какому принципу оно работает и какие физические законы лежат в основе его функционирования.
История создания холодильника
Первые попытки создания устройств для охлаждения продуктов предпринимались еще в XVIII веке. Так, в 1755 году шотландский ботаник Уильям Каллен сконструировал первую холодильную машину на основе эффекта дросселирования газов. В цитате ниже он описывает свое изобретение:
Я изобрел способ производства искусственного холода и видел эксперимент, показавший, что ртуть понижается на 14 градусов ниже температуры замерзания
Однако конструкции Каллена имели существенные недостатки и не получили широкого распространения. Поворотным моментом стало изобретение компрессионного холодильника немецкими инженерами Карлом Линде и Фердинандом Карре в 1870-х годах. Их конструкция с небольшими усовершенствованиями используется в холодильниках и по сей день.
Конструкция и основные элементы холодильника
Современный бытовой холодильник состоит из следующих основных элементов:
- Компрессор
- Конденсатор
- Испаритель
- Терморегулятор
Давайте разберем назначение каждого из них.
Компрессор
Компрессор - это "сердце" холодильника, обеспечивающее циркуляцию хладагента по замкнутому контуру. Он работает от электродвигателя и сжимает парообразный хладагент, повышая его температуру и давление.
Различают несколько типов компрессоров:
- Поршневые
- Ротационные
- Спиральные
- Турбокомпрессоры
Наиболее распространены в бытовых холодильниках поршневые и ротационные компрессоры.
Конденсатор
Конденсатор представляет собой теплообменник, расположенный с внешней стороны на задней панели холодильника. В нем горячий сжатый пар хладагента отдает свое тепло окружающему воздуху, охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость.
Испаритель
Испаритель находится внутри холодильной камеры. Поступающий к нему жидкий хладагент через капиллярную трубку дросселируется, то есть резко расширяется, испаряется и резко охлаждается. Это приводит к поглощению тепла из внутреннего объема холодильника и снижению температуры.
Терморегулятор
Терморегулятор отвечает за поддержание температуры на заданном уровне. Он состоит из датчика температуры и исполнительного устройства, включающего и выключающего компрессор по мере необходимости.
Таким образом, все элементы холодильника работают совместно по замкнутому контуру, обеспечивая непрерывный процесс теплообмена.
Физические принципы работы холодильника
Работа холодильника основана на использовании замкнутого контура циркуляции хладагента и ряда физических принципов.
Термодинамические процессы
Внутри контура происходят следующие термодинамические процессы:
- Сжатие парообразного хладагента в компрессоре.
- Конденсация сжатого пара с выделением тепла в конденсаторе.
- Дросселирование жидкого хладагента в капиллярной трубке.
- Испарение хладагента с поглощением тепла в испарителе.
Эти процессы, следующие строго друг за другом, и обеспечивают принцип работы холодильника.
Цикл Карно
Принцип действия холодильника основан на цикле Карно - термодинамическом цикле, впервые описанном французским инженером Сади Карно. Цикл Карно включает в себя:
- Изотермическое сжатие газа.
- Изотермическое расширение газа.
- Два изобарных процесса теплообмена.
В холодильнике в качестве рабочего газа используется хладагент, циркулирующий по замкнутому контуру и последовательно проходящий вышеописанные процессы.
Роль хладагента
Хладагент играет ключевую роль в принципе работы холодильника. При дросселировании в капиллярной трубке хладагент резко испаряется, поглощая тепло из окружающей среды. Это приводит к охлаждению внутреннего объема холодильника.
Современные хладагенты (R134a, R600a) безвредны для озонового слоя и обладают высокой хладопроизводительностью.
Примеры из жизни
Для лучшего понимания принципа действия холодильника рассмотрим несколько примеров из реальной жизни, демонстрирующих аналогичные процессы:
- Испарение воды с поверхности кожи после купания в море.
- Охлаждение слюны при дуновении на ладонь.
В обоих случаях происходит испарение жидкости с поверхности, приводящее к ощущению холода. Аналогичный процесс происходит и внутри холодильника.
Почему горячая задняя стенка
Задняя стенка холодильника всегда горячая, потому что именно через нее происходит теплообмен с окружающей средой в конденсаторе. Весь сжатый и нагретый в компрессоре хладагент поступает в конденсатор и отдает свое тепло через заднюю стенку холодильника воздуху в помещении, охлаждаясь и конденсируясь.
Таким образом, принцип работы холодильника основан на циркуляции хладагента по замкнутому контуру и ряде физических процессов, обеспечивающих перенос тепла из его внутреннего объема в окружающую среду.