Холодильник

<час />

Фон

До разработки технологий искусственного охлаждения в 1800-х годах люди использовали различные средства для охлаждения и хранения продуктов питания. На протяжении веков основным хладагентом служил лед. По иронии судьбы, древние индейцы и египтяне первыми изобрели технику изготовления льда, которая послужила концептуальной основой для первых «современных» холодильников, разработанных в девятнадцатом веке:испарение. Относительно быстрое испарение жидкости создает увеличивающийся объем газа. По мере того, как водяной пар поднимается, его кинетическая энергия резко возрастает, отчасти потому, что теплый пар вбирает энергию из окружающей среды, которая охлаждается этим процессом. Индейцы и египтяне воспользовались этим явлением, поставив широкие и мелкие чаши, наполненные водой, на улице прохладными ночами. Поскольку некоторое количество воды быстро испарилось, оставшаяся вода остыла, образуя лед. С помощью этого метода можно было создать большие куски льда, которые затем можно было использовать для охлаждения продуктов.

Используя более примитивные способы добычи льда, древние китайцы просто переносили его с гор, чтобы охладить пищу; позже эту практику переняли греки и римляне. Чтобы сохранить лед, люди хранили его в ямах или пещерах, изолированных соломой и деревом, благодаря чему они могли поддерживать запас льда в течение нескольких месяцев. В промышленно развитых странах лед служил основным методом охлаждения пищи в девятнадцатом веке, когда люди вставляли блоки льда в изолированные шкафы вместе с продуктами, которые они хотели хранить. Даже сегодня во многих развивающихся странах лед остается единственным доступным хладагентом.

Первая известная попытка разработать искусственный холодильник была предпринята в Шотландии в Университете Глазго. Там в 1748 году Уильям Каллен возродил древнюю индийско-египетскую практику замораживания жидкости с помощью испарения, хотя он ускорил этот процесс, кипя этиловый эфир в частичном вакууме (этил испаряется быстрее, чем вода). Каллен попытался сделать это просто в качестве эксперимента, как и американец Оливер Эванс, который разработал еще один холодильник в 1805 году. Машина Эванса, основанная на замкнутом цикле сжатого эфира, представляла собой первую попытку использовать простой пар вместо испарения жидкости. Хотя Эванс так и не разработал свою машину дальше стадии прототипа, в 1844 году американский врач по имени Джон Горри на самом деле построил очень похожую машину для производства льда для больницы, в которой он работал. Машина Горри сжала воздух, который затем охладился водой. Затем охлажденный воздух направлялся в цилиндр двигателя, и по мере его повторного расширения его температура упала настолько, что можно было образовать лед.

В 1856 году другой американец, Александр Твиннинг, начал продавать холодильную машину, основанную на том же принципе сжатия пара, и вскоре после этого австралиец Джеймс Харрисон расширил американский дизайн (предназначенный для использования в частных домах) для упаковки мяса и пива. производящие отрасли. Три года спустя Фердинанд Карре усовершенствовал базовую концепцию, лежащую в основе всех этих холодильников, когда он представил аммиак в качестве хладагента. Аммиак представляет собой прогресс, потому что он расширяется быстрее, чем вода, и, таким образом, может поглощать больше тепла из окружающей среды. Карре также внес другие нововведения. Его холодильник работал по циклу, в котором пар хладагента (аммиак) поглощался жидкостью (смесью аммиака и воды), которую затем нагревали. Тепло привело к тому, что хладагент Внешний корпус и дверь, сделанные из листового металла, либо сварены, либо скреплены вместе. В то время как некоторые производители также используют листовой металл для внутреннего корпуса, некоторые производители и некоторые модели используют пластик для внутренних вкладышей. Пластиковые вкладыши изготавливаются методом вакуумной формовки. В этом процессе толстый кусок пластика, немного превышающий размер готовой детали, зажимает его внешние края и затем нагревает. Затем горячий пластик вытягивается вакуумом в форму и охлаждается. После обрезки получившаяся деталь готова к сборке. испаряться, тем самым создавая охлаждающий эффект (после испарения хладагент конденсировался, так что он мог снова абсорбироваться в жидкости, повторяя цикл). Машина Карре не только очень хорошо продавалась, но и положила начало современному охлаждению, обновив концепцию компрессии Эванса и добавив более совершенный хладагент. Эти компоненты остаются основой большинства холодильников, используемых сегодня.

Однако сам аммиак создает несколько проблем. Хотя он служил очень эффективным хладагентом, он был одновременно неприятным и ядовитым, когда просочился, и он быстро исчез из холодильника после того, как в 1920-х годах были разработаны синтетические альтернативы. Самый известный из них, запатентованный Du Pont под названием фреон, был создан путем химического изменения молекулы метана, заменяя четыре атома водорода двумя атомами хлора и двумя атомами фтора. Полученный газ (технически дихлорфторметан) был провозглашен, потому что его низкая температура кипения, поверхностное натяжение и вязкость делали его идеальным - и якобы беспроблемным - хладагентом. Позже, в 1970-х годах, ученые осознали, что фреон сам по себе создает проблемы, связанные с окружающей средой (см. Раздел «Экологические проблемы» ниже), и начали поиск новых агентов для использования в холодильной технике.

Сырье

Сегодня холодильники состоят из нескольких основных компонентов:внешнего шкафа и двери, внутреннего шкафа или облицовки, изоляции, вставленной между ними, системы охлаждения, хладагента и приспособлений. Шкаф и дверь изготовлены из алюминия или стального листа, который иногда предварительно окрашивают. Металл обычно закупается в рулонах, которые либо подают непосредственно в производственный процесс, либо разрезают по размеру и подают лист за листом. Внутренний шкаф сделан из листового металла, как и внешний шкаф, или из пластика. Утеплитель, заполняющий зазор между внутренним и внешним шкафами, состоит из стекловолокна или пенопласта. Компоненты системы охлаждения (компрессор, конденсатор, змеевики, ребра) изготовлены из алюминия, меди или сплава. Трубки обычно медные из-за пластичности этого металла - его способности гнуться, не ломаясь. Фреон остается наиболее часто используемым хладагентом, и почти все крупное внутреннее оборудование (дверцы и облицовка шкафов) сделаны из пластика вакуумного формования; приспособления меньшего размера (отделения для масла, лотки для яиц, чипсы для овощей и фруктов) приобретаются в виде небольших пластмассовых заготовок или заранее сформированных частей.

Дизайн

Современный холодильник основан на двух основных законах физики:во-первых, тепло течет от более теплого материала к более холодному, а не наоборот; во-вторых, уменьшение давления газа также снижает его температуру. Хотя с тех пор, как Карре представил свою модель в конце девятнадцатого века, были внесены усовершенствования, эти основные принципы все еще видны в сегодняшних холодильниках.

Холодильник удаляет тепло из воздуха внутри своих внутренних отсеков и передает это тепло наружу. Начиная с испарителя, фреон нагревается и начинает забирать тепло из воздуха внутри холодильника. Поглотив это тепло, фреон затем направляется компрессором в конденсатор. В этом наборе медных змеевиков (обычно устанавливаемых сзади или на дне холодильника) фреон возвращается в жидкое состояние, передавая свое тепло наружному воздуху. После охлаждения фреон возвращается в испаритель, где цикл начинается снова.

Холодильники работают, удаляя тепло из воздуха внутри своих внутренних отсеков и передавая его наружу. Хладагент (фреон) выполняет эту передачу, когда он проходит по контуру, двигаясь от испарителя к конденсатору. Начиная с испарителя, который находится внутри изолированного шкафа, нагревается фреон. Поскольку фреон был доведен до кипения, он забирает тепло из воздуха внутри холодильника. Поглотив это тепло, фреон направляется в конденсатор. В этом наборе медных змеевиков (обычно устанавливаемых сзади или на дне холодильника) фреон конденсируется - возвращается в жидкое состояние - при этом передавая свое тепло наружному воздуху. После охлаждения фреон возвращается в испаритель, где он снова нагревается и начинает поглощать тепло от продуктов, хранящихся в холодильнике. Иногда для увеличения площади поверхности (и, таким образом, облегчения теплопередачи) испаритель и конденсатор снабжаются металлическими ребрами.

Для размораживания морозильную камеру наматывают змеевиком. Когда таймер достигает размораживания, хладагент проходит через этот теплообменник, пока он горячий, чтобы поднять температуру и растопить лед. Змеевик обычно размещают вдали от ледогенераторов, чтобы кубики льда не таяли и не замерзали вместе.

Производственный
процесс

Внешний шкаф и дверь

• 1 Куски листового металла свариваются или соединяются вместе. Заклинивание - это процесс, очень похожий на сшивание скоб, в котором две части сжимаются вместе под давлением, хотя дополнительные части, такие как скобки, не добавляются. Если часть шкафа должна быть видна, ее следует приварить и отшлифовать, чтобы она выглядела как единое целое. Степень автоматизации процесса сварки зависит от компании и количества производимых холодильников.
• 2. Если листовой металл не был приобретен с предварительно нанесенным покрытием, он теперь окрашен. Некоторые производители используют распылительное оборудование для нанесения равномерного слоя краски . по металлу. Другие окунают детали в смесь краски и растворителя, прежде чем нагреть их, чтобы краска запеклась на поверхности.

Внутренний шкаф

• 3 Внутренний шкаф иногда делают из листового металла, очень похожего на внешнюю оболочку. Все швы заделываются для улучшения изоляции и внешнего вида. Некоторые производители и некоторые модели используют пластик для внутренних вкладышей; например, внутренняя дверь сегодня почти полностью изготавливается из пластика. Пластиковые вкладыши формуются под вакуумом. В этом процессе толстый кусок пластика, немного превышающий размер готовой детали, зажимает его внешние края и затем нагревает. Затем горячий пластик вытягивается вакуумом в форму и охлаждается. После обрезки получившаяся деталь готова к сборке.
• 4 Внутренний шкаф вставляется во внешний, и они защелкиваются перед установкой креплений. Некоторые трубки и провода пропускают через зазор между ними, прежде чем он будет заполнен изоляцией. Раздаточное устройство (иногда управляемое роботом, иногда длинное «ружье» с ручным управлением) вставляет пену между стенками. При нагревании в духовке эта пена расширяется, придавая шкафу жесткость и изоляцию. Аналогичный процесс используется для дверей.

Система охлаждения

• 5 Холодильные компоненты крепятся к шкафу с помощью винтов и зажимов. Трубки спаяны, а на стыки нанесено защитное покрытие. Порядок сборки зависит от производителя и модели. Медная трубка, из которой отдельно вырезаны, согнуты и припаяны змеевики (конденсаторы и испарители), затем присоединяется к холодильнику как единое целое.
• 6 Уплотнение дверцы холодильника создается с помощью магнитных прокладок, которые крепятся к дверцам винтами. Ручки и петли также привинчиваются к двери перед тем, как ее петли привинчиваются к шкафу. Допускается некоторая регулировка для правильной работы двери.

Тестирование и добавление аксессуаров

• 7. С этого момента большинство производителей совмещают тестирование с производством. Устройство проверено на герметичность азотом (безопасный газ, составляющий около 79 процентов воздуха); в случае успешного прохождения он заправляется хладагентом и подвергается дальнейшим испытаниям. Затем добавляются аксессуары (полки, контейнеры для чипсов, лотки для льда и т. Д.) И закрепляются лентой для отправки. Устройство получает окончательный вид и упаковывается для отправки.

Контроль качества

Как упоминалось выше, все узлы трубок, которые будут содержать хладагент, испытываются азотом под давлением, что позволяет выявить любые дефекты трубок и пайки, соединяющей их. Перед заправкой фреоном вся установка проходит испытания на герметичность. После зарядки устройство тестируется в целом, чтобы убедиться, что оно способно достигать расчетных температур, включая те, которые необходимы во время цикла оттаивания. Агрегат работает с датчиками внутри, которые определяют изменения температуры во времени. Иногда также измеряется давление хладагента. Затем устройство подвергается заключительному тесту на обнюхивание с помощью машины, которая обнаруживает хладагент, чтобы гарантировать отсутствие утечек во время тестирования.

По продуктам / отходам

Металлические компоненты, которые были отклонены, продаются компаниям по переработке металла. Пластиковые компоненты измельчаются на мелкие кусочки и либо повторно используются в качестве сырья, либо возвращаются поставщику для повторного использования. Если блок отклоняется после заправки, хладагент сливается специальным оборудованием и используется повторно.

Забота об окружающей среде

В середине 1970-х годов ученые начали понимать, что по мере того, как газы из группы хлорфторуглеродов (CFC), в которую входит фреон, поднимаются вверх в стратосферу (верхний слой атмосферы), они постепенно разлагаются, Пространство между внутренним и внешним шкафами заполнено пенопластом, обычно полистиролом, который можно вставить вручную или автоматически роботом. При нагревании в духовке эта пена расширяется, придавая шкафу жесткость и изоляцию.
Поскольку эта изоляция выделяет ХФУ, которые способствуют разрушению озонового слоя, исследователи ищут заменители. Полистирол можно заменить той же вакуумной изоляцией, которая используется в термосах, поскольку вакуумная изоляция более эффективна как с точки зрения пространства, так и с точки зрения энергии. высвобождая при этом атомы хлора. Проблема в том, что каждый атом хлора может разрушить десятки тысяч молекул озона, причем озон представляет собой трехатомную форму кислорода, которая составляет защитный слой в стратосфере, поглощая много солнечного ультрафиолетового излучения, которое может нанести вред животным, если достигнет поверхности Земли. . Когда исследователи поняли, что выбросы ХФУ усугубляют дыру в озоновом слое над антарктическим континентом, общественное давление с целью ограничения выбросов усилилось. В 1987 году представители стран со всего мира подписали соглашение, Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой . в котором они согласились прекратить производство химических веществ, разрушающих озоновый слой, включая фреон. К сожалению, хлорфторуглероды также присутствуют в пенополистироле, который некоторые производители используют в качестве изолятора между внешним корпусом и внутренней облицовкой своих холодильников. Таким образом, усилия по сокращению выбросов ХФУ из холодильников в настоящее время продолжаются по двум направлениям, поскольку производители пытаются найти альтернативы как хладагенту фреону, так и изоляционному полистиролу.

Будущее

Что касается фреона, было предпринято несколько промежуточных шагов для минимизации выбросов ХФУ, поскольку исследователи пытаются найти безопасные альтернативы охлаждающим жидкостям. Конструкции холодильников были усовершенствованы, чтобы уменьшить количество необходимого фреона; установлены системы обнаружения утечек; обслуживание было ограничено обученным, уполномоченным персоналом; а хладагент рекуперируется и перерабатывается, когда это возможно. Кроме того, изучаются возможности долгосрочной замены фреона. На данный момент наиболее многообещающим среди них является ГХФУ-22, который, хотя и является хлорфторуглеродом, но содержит дополнительный атом водорода, который снижает способность молекулы к истощению озонового слоя на 95 процентов. Хотя его стоимость (в три-пять раз выше, чем у фреона) проблематична, ГХФУ-22 в настоящее время проходит испытания для определения его токсичности.

Изоляцию, содержащую CFC, можно заменить той же вакуумной изоляцией, которая используется в термосах. Исследования показывают, что вакуумная изоляция более эффективна с точки зрения пространства и энергии, поэтому в настоящее время кажется, что альтернативы изоляции станут жизнеспособными задолго до замены фреона.