Холодильник

Работа холодильника базируется на нескольких основных физических принципах, которые должны быть вам известны из термодинамики, а именно:

тепло всегда перемещается из физического тела с большей температурой к физическому телу с меньшей температурой;

вещества в жидком состоянии интенсивно испаряются при достижении своей температуры кипения, если к ним подводится тепло;

вещества в газообразном состоянии при достижении ими своей температуры конденсации интенсивно превращаются в жидкое состояние, если они помещены в среду с меньшей температурой;

при повышении давления газа (например, при его сжатии поршнем) температура его также возрастает.

Для того чтобы использовать эти законы в полной мере, в холодильнике применен замкнутый цикл “испарение – сжатие, разогревание – конденсация – понижение температуры и давления – испарение”, который проходит специальное вещество – хладоагент. При прохождении цикла это вещество последовательно превращается из газообразного состояния в жидкое, а затем – опять в газообразное. Этот цикл проходится в холодильном агрегате (рис.1), состоящем из компрессора, испарителя, конденсатора, системы трубопроводов, фильтра-осушителя, капиллярной трубки.

Рассмотрим явления, сопутствующие циклу, который проходит хладагент (рис.1).

В испарителе хладагент в жидком состоянии, достигнув температуры парообразования, превращается в газ, получая тепло парообразования от окружающего воздуха. При получении тепла работает первый указанный нами закон, поскольку температура хладагента на этой стадии цикла меньше температуры окружающего воздуха, и воздух отдает свое тепло хладагенту. Процессу парообразования соответствует второй закон.

Процесс передачи тепла от окружающего воздуха хладагенту ускоряет вентилятор, который “пригоняет” теплые слои воздуха к хладагенту и “угоняет” от него холодные слои.

Полученный газ далее втягивается компрессором и сжимается; при этом его температура увеличивается (четвертый закон).

Разогретый и сжатый газ от компрессора поступает на конденсатор, где происходит охлаждение газа хладагента за счет того, что температура окружающей среды меньше температуры хладагента (первый закон) и его конденсация при достижении температуры конденсации (третий закон). Для ускорения процесса теплообмена в конденсаторе, также как и в испарителе, имеется вентилятор.

Полученная жидкость, имея высокое давление, поступает далее на расширительный клапан, сбрасывая давление и температуру, а затем – идет на испаритель. После этого цикл повторяется вновь.

Компрессор вращается под действием вращающего момента, который передается ротором электродвигателя, шкивом коленчатого вала через приводной ремень. При подаче напряжения на магнитную муфту диск и втулка муфты соединяются со шкивом, образуя с ним единое целое. Под действием вращающего момента шкив и диск муфты приводят во вращение вал компрессора.

Компрессор превращает газообразное состояние хладагента низкого давления, идущего от испарителя, в газ высокой температуры и высокого давления, причем давление и температура последнего зависят от скорости вращения вала. Энергия вращения вала превращается в энергию поступательного движения поршня, который в зависимости от давления выпускает соответствующее количество газа.

Скорость вращения вала может регулироваться, чем регулируются степень сжатия газа поршнем и, следовательно, степень охлаждения в холодильной камере.

Конденсатор выполняет функцию превращения газообразного высокотемпературного хладагента, идущего от компрессора, в жидкое состояние.

После прохождения расширительного клапана жидкий хладагент с низкими температурой и давлением попадает на испаритель, где под действием потока воздуха от вентилятора, испаряясь, превращается в газ. При этом воздух, находящийся в холодильной камере и в низкотемпературном отделении, охлаждается, обеспечивая тем самым эффект охлаждения в холодильнике.

Принципиальная электрическая схема холодильника представлена на рис.2.

Входы 1 и 2 идут от сети, в которую включается холодильник. РП – пускозащитное реле, которое работает следующим образом. При превышении током, текущим через провод реле, некоторого предельного значения, возникает опасность перегрева обмотки возбуждения (ОВ) и рабочей обмотки (РО) электродвигателя, из-за чего последний может выйти из строя. Реле работает так, что при достижении током предельного значения происходит такая деформация растяжения подвижного контакта, что он размыкает цепь. Этот эффект основан на явлении деформации проводников при нагревании, которое в данном случае происходит из-за прохождения тока (вспомните закон Джоуля - Ленца). Когда ток ниже предельного, подвижный контакт не может нагреться так, чтобы разомкнуть цепь.

Если после аварийного размыкания контакта реле величина тока нормализуется, то с течением некоторого малого времени подвижный контакт остынет и примет свою обычную форму, замкнув цепь, которая продолжит свою нормальную работу, питая электродвигатель.

Электродвигатель холодильника предназначен для преобразования электромагнитной энергии в механическую и работает следующим образом. На обмотку возбуждения и рабочую обмотку подается пусковой переменный ток. Этот ток порождает в этих обмотках переменные магнитные поля, которые, складываясь, наводят по закону электромагнитной индукции электродвижущую силу (ЭДС) на короткозамкнутой обмотке ротора, благодаря чему в последней возникает переменный ток. Этот переменный ток порождает переменное магнитное поле, взаимодействующее с первичным магнитным полем обмотки возбуждения и рабочей обмотки. Это взаимодействие приводит ко вращению ротора – подвижной части электродвигателя, на котором укреплена рабочая обмотка. Обмотка возбуждения необходима для того, чтобы запустить двигатель; когда ротор войдет в установившийся режим, характеризующийся постоянной угловой скоростью вращения; в дальнейшем в электромагнитном взаимодействии участвует рабочая обмотка. Обмотки РО и ОВ укреплены на неподвижной части электродвигателя – статоре.

Рассмотренный двигатель называется асинхронным однофазным. (Подробнее об асинхронных двигателях мы поговорим чуть позже).

Терморезистор - ТР - служит для регулировки пускового тока, от которого зависит скорость вращения ротора электродвигателя. ТР является подстроечным резистором: путем внешней регулировки его сопротивление меняется, из-за чего изменяется и ток обмотки возбуждения. Знак температуры “ ” указывает на то, что от тока первичной обмотки зависит температурный режим холодильника.

Нулевой провод – “0” – предназначен для заземления корпусов электрических приборов холодильника (они показаны на схеме квадратными пунктирными линиями), что служит для предотвращения опасности поражения электрическим током.

Из рассмотрения принципа функционирования холодильника видим, что электромагнитная энергия используется для:

1. подачи напряжения на магнитную муфту компрессора и для последующего приведения вала компрессора во вращение;

2. приведения во вращение вентиляторов с помощью электромоторов;

3. питания электрической лампочки, которая автоматически включается при открывании двери и выключается при ее закрывании.

Большая часть энергии, потребляемой холодильником от сети, идет на создание тока в первичной и вторичной обмотках электродвигателя компрессора. Эти обмотки (индуктивности) запасают энергию преимущественно магнитного поля, которая затем преобразуется в механическую энергию. Поэтому, если рассмотреть холодильник по большому счету, то его нужно считать индуктивной нагрузкой.

Вместе с тем часть электромагнитной энергии сети идет как на полезное нагревание некоторых элементов холодильника (лампочки накаливания, служащей для освещения) так и на побочное нагревание проводов проходящим через них током. Поэтому часть нагрузки холодильника нужно считать омической (резистивной), отражающей процесс необратимого преобразования электромагнитной энергии в тепло.