Historia lodówki
Przed wynalezieniem lodówek, ludzie stosowali tradycyjne metody konserwacji żywności, takie jak solenie, wędzenie i suszenie. W zimie kopano doły, aby przechowywać żywność pod ziemią. Wiedzieli, że chłodne warunki przedłużają trwałość żywności, choć nie znali przyczyny.
Lodówki były pierwszymi urządzeniami chłodniczymi używanymi w latach 1860-1890. Każda lodówka miała drewnianą obudowę wyłożoną cynkiem i komory na lód. Niestety, lód wystarczał tylko na tydzień, zanim trzeba było go wymienić przez dostawcę lodu (tak, taki zawód istniał!). Ponieważ nie było sposobu na produkcję lodu, dostawcy zbierali go zimą i przechowywali w lodowniach do momentu użycia.
Wprowadzenie pierwszej komercyjnej lodówki miało miejsce w 1911 roku. Pierwotny projekt używał amoniaku jako czynnika chłodniczego, ale okazało się, że ma nieprzyjemny zapach w przypadku wycieku i jest toksyczny przy wdychaniu. Dalszy rozwój trwał przez lata 20. i 30. XX wieku, aż do momentu, gdy na rynku pojawił się powszechnie dostępny projekt lodówki domowej; ten nowoczesny projekt używał różnych rodzajów gazu freonowego.
Nowoczesna Lodówka Domowa
Jak działają lodówki
Lodówki chłodzą przestrzeń do przechowywania produktów łatwo psujących się, aby spowolnić rozwój bakterii i zapobiec psuciu lub pogorszeniu jakości. Osiągają ten efekt chłodzenia, pochłaniając ciepło w jednym miejscu i przenosząc je do innego. Proces ten tworzy ciągły cykl parowania i kondensacji, które są procesami ciepła utajonego.
Ciepło Utajone i Jawne
Niska i Wysoka Strona
Połowa systemu chłodniczego obniża ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego. Ta część systemu często nazywana jest niską stroną i koncentruje się na procesie parowania (gdzie ciecz zmienia stan na gaz).
Druga połowa systemu chłodniczego podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego. Ta część systemu często nazywana jest wysoką stroną i koncentruje się na procesie kondensacji (gdzie gaz zmienia stan na ciecz).
System chłodniczy to zamknięty system, który wymaga czynnika chłodniczego, który będzie wielokrotnie zmieniał stan/fazę w sposób bezpieczny i efektywny. Wszystkie systemy chłodnicze składają się z pięciu głównych komponentów: zaworu rozprężnego, parownika, sprężarki, skraplacza i termostatu.
Części Lodówki
Komponenty Systemu Lodówki
Logicznym sposobem patrzenia na system lodówki jest rozpoczęcie od punktu, w którym czynnik chłodniczy jest w stanie ciekłym, a następnie śledzenie czynnika chłodniczego przez system, gdy zmienia stan, ciśnienie i temperaturę. Pamiętaj, że czynnik chłodniczy będzie parować i kondensować podczas cyklu chłodniczego, co skutkuje pochłanianiem lub uwalnianiem ciepła (odpowiednio parowanie i kondensacja).
System Chłodniczy
Zawór Rozprężny lub Kapilara
Zawór rozprężny lub kapilara oznacza początek niskiej strony systemu chłodniczego i jest to punkt, w którym czynnik chłodniczy zmienia stan z cieczy na parę. Małe systemy chłodnicze używają kapilar, podczas gdy większe jednostki używają zaworów rozprężnych.
Kapilary są formowane przez nawijanie miedzianych rur wielokrotnie, tworząc spiralny cylinder; ich konstrukcja jest podstawowa, więc ten artykuł skupi się na zaworze rozprężnym i jego działaniu. Niezależnie od używanego projektu, cel kapilar i zaworów rozprężnych jest taki sam, tj. redukcja ciśnienia i temperatury.
Zawór rozprężny reguluje, ile czynnika chłodniczego jest dostarczane do parownika. Czynnik chłodniczy przechodzący przez zawór rozprężny doświadcza znacznego spadku ciśnienia i temperatury. Aby to osiągnąć, zawór ma wlot, wylot i wewnętrzne elementy zaworu (trim) zainstalowane pomiędzy.
- Wlot przyjmuje gorący, sprężony ciekły czynnik chłodniczy ze skraplacza.
- Cel zaworu to regulacja (dławienie) ilości czynnika chłodniczego przepływającego przez zawór. Ilość czynnika chłodniczego przechodzącego przez zawór zależy od równowagi ciśnienia działającego na membranę w zaworze. Zazwyczaj gaz z żarówki czujnikowej działający na górną część membrany otwiera zawór, podczas gdy ciśnienie z parownika i regulowana sprężyna ciśnieniowa na dole zaworu działają na dolną stronę membrany i powodują zamknięcie zaworu. Żarówka czujnikowa tworzy pętlę sprzężenia zwrotnego, która automatycznie reguluje przepływ przez zawór na podstawie ciśnienia systemu po parowniku. Należy zauważyć, że pozycje żarówki czujnikowej i sprężyny w zaworze mogą być odwrócone.
- Wylot uwalnia strumień zimnego, niskociśnieniowego, wrzącego ciekło-gazowego czynnika chłodniczego do parownika.
Termostatyczny Zawór Rozprężny
Większość jednostek lodówek używa żarówki czujnikowej wypełnionej gazem do generowania sygnału dotyczącego potrzeby większego lub mniejszego chłodzenia. Gdy żarówka czujnikowa jest cieplejsza niż pożądana temperatura, gaz wewnątrz żarówki rozszerza się, co powoduje działanie ciśnienia na membranę termostatycznego zaworu rozprężnego, co powoduje otwarcie zaworu i przepływ większej ilości czynnika chłodniczego do parownika (osiągając tym samym większe chłodzenie i niższą temperaturę).
Gdy parownik odprowadzi wystarczającą ilość ciepła i przywróci pożądaną temperaturę, gaz wewnątrz kapilary kurczy się, co powoduje przesunięcie termostatycznego zaworu rozprężnego w kierunku pozycji zamkniętej.
Podsumowując, zawór rozprężny przyjmuje ciekły czynnik chłodniczy ze skraplacza, a następnie obniża jego ciśnienie, co powoduje spadek temperatury. Niższe ciśnienie powoduje, że czynnik chłodniczy wrze i staje się parą. Czynnik chłodniczy jest w najniższej temperaturze, gdy opuszcza zawór rozprężny. Żarówka czujnikowa wysyła sygnał do termostatycznego zaworu rozprężnego, a ten sygnał jest przekształcany w ruch liniowy membrany, co skutkuje regulacją przepływu przez zawór (dławienie przepływu).
Parownik
Parownik to element, który sprawia, że wnętrze zamrażarki i komory lodówki jest zimne. Gdy zimna, niskociśnieniowa para z zaworu rozprężnego przepływa przez cewki parownika, zimne cewki przyciągają i pochłaniają ciepło z otoczenia. Wentylator jest zainstalowany w większych lodówkach, aby przepuszczać powietrze przez cewki parownika, zwiększając tym samym szybkość wymiany ciepła między cewkami a otoczeniem.
Sprężarka
Sprężarka jest uważana za serce cyklu chłodniczego lodówki i początek wysokiej strony systemu. Jest odpowiednikiem zaworu rozprężnego, ponieważ czynnik chłodniczy jest w najniższej temperaturze i najniższym ciśnieniu, gdy opuszcza zawór rozprężny, a w najwyższej temperaturze i najwyższym ciśnieniu, gdy opuszcza sprężarkę.
Sprężarki występują w tłokowych (najczęściej spotykanych), obrotowych i odśrodkowych konstrukcjach, ale niezależnie od ich konstrukcji, celem sprężarki jest podniesienie ciśnienia czynnika chłodniczego. Sprężarki osiągają to, zasysając/ciągnąc czynnik chłodniczy z parownika, a następnie zwiększając ciśnienie pary i odprowadzając ją do skraplacza. Sprężanie pary powoduje wzrost jej temperatury. Przepływ przez system chłodniczy jest spowodowany różnicą ciśnień (ΔP) wytwarzaną przez sprężarkę.
Skraplacz
W małych lodówkach skraplacz to zazwyczaj seria rur lub cewka, a czynnikiem chłodzącym jest powietrze. W większych zakładach chłodniczych skraplacz to zazwyczaj wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy, z czynnikiem chłodniczym przepływającym przez rury (płyn po stronie rur) i wodą chłodzącą przepływającą wokół rur (płyn po stronie płaszcza); woda chłodząca jest czynnikiem chłodzącym.
Nowoczesny Przemysłowy Chłodniczy Chiller
Celem skraplacza jest schłodzenie (usunięcie ciepła) z gorącej pary czynnika chłodniczego, aby zmieniła stan na ciecz. W małych lodówkach i zamrażarkach skraplacz jest zazwyczaj zainstalowany na tylnej części obudowy. Długość i konfiguracje zagięć skraplacza są zaprojektowane tak, aby wydalać ciepło, zapewniając jednocześnie, że czynnik chłodniczy ma wystarczająco dużo czasu na schłodzenie. Podobnie jak parowniki, skraplacze chłodzone powietrzem mogą wykorzystywać wentylator osiowy do zwiększenia szybkości wymiany ciepła między powietrzem a czynnikiem chłodniczym.
Ciekły czynnik chłodniczy ze skraplacza jest odprowadzany do zaworu rozprężnego, zamykając tym samym cykl systemu chłodniczego.
Termostat
Termostat jest używany do pomiaru rzeczywistej temperatury w przestrzeni chłodzonej i porównania jej z pożądaną temperaturą. Termostaty mogą używać sygnałów mechanicznych lub elektronicznych, w zależności od złożoności systemu lodówki.
Głównym celem termostatu jest zapewnienie utrzymania pożądanej temperatury. Osiąga to, wysyłając sygnał do sprężarki, aby rozpocząć lub zatrzymać pracę, jeśli temperatura jest zbyt wysoka lub niska, odpowiednio.
Systemy, które polegają wyłącznie na sygnałach elektronicznych, mają związane z nimi przekaźniki, które uruchamiają i zatrzymują sprężarki. Systemy, które wykorzystują sygnały elektromechaniczne, zazwyczaj wykorzystują paski bimetaliczne do uruchamiania i zatrzymywania sprężarki.
Temperatura, Ciśnienie i Punkt Nasycenia
Aby sprawdzić, czy system chłodniczy działa prawidłowo, odczyty temperatury i ciśnienia są używane jako kluczowe wskaźniki poziomu nasycenia czynnika chłodniczego.
Punkt nasycenia jest również znany jako punkt wrzenia, to punkt, w którym ciecz nie może magazynować więcej energii cieplnej bez rozpoczęcia zmiany stanu. Często występuje pewne zamieszanie dotyczące punktu nasycenia, poniższe definicje powinny pomóc w lepszym zrozumieniu tematu.
- Temperatura nasycenia to temperatura, przy której ciecz wrze i zmienia stan na parę.
- Ciśnienie nasycenia to ciśnienie, przy którym ciecz wrze i zmienia stan na parę.
- Para to gaz zawierający pewne krople cieczy, dalsze ogrzewanie pary prowadzi do tego, że para staje się gazem.
W miarę wzrostu ciśnienia w systemie, rośnie również temperatura nasycenia, tj. punkt, w którym ciecz zaczyna przekształcać się w parę. Na przykład, świeża/słodka woda będzie wrzeć w temperaturze poniżej 100⁰C (212⁰F), jeśli ciśnienie jest niższe niż ciśnienie atmosferyczne (1 bar, 14,5 psi). Podobnie, jeśli ciśnienie w systemie wzrośnie do 100 bar (145 psi), świeża woda zacznie wrzeć dopiero w temperaturze znacznie wyższej niż 100⁰C (212⁰F). Dlatego, kontrolując ciśnienie w systemie, można kontrolować temperaturę nasycenia czynnika chłodniczego i odpowiednio jego stan w różnych punktach systemu.
Punkt Wrzenia w Zależności od Ciśnienia i Temperatury
Odczyty temperatury i ciśnienia nasycenia są szczególnie ważne dla parownika i skraplacza, ponieważ czynnik chłodniczy musi zbliżyć się do temperatury nasycenia, aby wyparować lub skondensować.
Relacje między temperaturą, ciśnieniem a temperaturą nasycenia są wskazywane w tabelach temperatury-ciśnienia chłodnictwa. Ponieważ każdy rodzaj czynnika chłodniczego ma inne właściwości (inną temperaturę nasycenia itp.), należy wybrać odpowiednią tabelę dla odpowiedniego czynnika chłodniczego.
Szczegóły Modelu 3D
Ten model 3D przedstawia typową domową lodówkę. Wynalezienie lodówek znacząco zmieniło bieg rozwoju ludzkości. Obecnie możliwe jest przechowywanie żywności przez miesiące przed jej spożyciem, co uwolniło ludzkość od cykli niedoboru i obfitości związanych ze zmianą pór roku. Ponadto, możliwe jest teraz transportowanie żywności na znaczne odległości przed jej spożyciem; to umożliwiło ogromne koncentracje ludności w obszarach, które tradycyjnie nie mogłyby wspierać tak dużej populacji. Model 3D pokazuje:
- Sprężarka
- Parownik
- Skraplacz
- Rurka Rozprężna (Kapilara)
Każdy z głównych komponentów lodówki został wyróżniony, aby ułatwić zrozumienie.
Bibliografia
https://www.achrnews.com/articles/94025-refrigerant-pressures-states-and-conditions
https://www.fda.gov/consumers/consumer-updates/are-you-storing-food-safely
https://www.youtube.com/watch?v=RdTG3gjZGpI
https://www.swtc.edu/Ag_Power/air_conditioning/lecture/expansion_valve.html
https://www.hvacrschool.com/flash-gas/
https://tigermechanical.net/blog/how-a-refrigerator-compressor-works/
https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/our-businesses/cooling/the-fridge-how-it-works