Расчет основных элементов конструкции бытового компрессионного холодильника

Введение

Холодильник в современном бытовом мире уже давно стал предметом первой необходимости. Можно только поблагодарить американского врача Джона Гори, которому в конце ХІХ века удалось получить искусственный лед. Использованная в его изобретении технология компрессионного цикла, по сей день применяется в конструкции холодильных камер. С этого изобретения промышленные и бытовые холодильники прочно заняли нишу в нашей жизни.

Только при наличии в доме холодильника может быть обеспечено полноценное, сбалансированное питание свежими и быстрозамороженными высококачественными продуктами. Вместе с тем можно реже посещать магазины, закупать продукты более крупными партиями и, следовательно, экономить время в домашнем хозяйстве.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что холодильнику мы дарим намного больше внимания, чем другой домашней технике. 85% опрошенных называют холодильник лидером среди бытовых приборов по частоте использования в их семье, а 60% просто не представляют себе кухню без этого прибора.

Холодильник также является лидером среди бытовых приборов по количеству подходов в течение дня. Почти треть опрошенных ежедневно подходят к нему не менее 10-12 раз. Интересно, что причиной подходов является не только желание достать конкретные продукты. Более половины респондентов признаются, что часто бессознательно открывают холодильник, окидывают взглядом его содержимое и, закрыв дверцу, идут дальше заниматься своими делами. Помимо своего прямого предназначения, сегодня холодильник выполняет и множество других функций: хранение косметики, лекарств; декоративного элемента в интерьере.

Красиво оформленный прибор собирает вокруг себя близких людей, создавая на кухне атмосферу праздника и уюта.

1. Аналитическая часть

1.1 Принцип действия холодильника

Холодильник — устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Применяется для хранения пищи или предметов в замороженном или охлажденном состоянии.

Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах - испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника, использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Рисунок 1.1 — Схема работы холодильника

1 — конденсатор, 2 — капилляр, 3 — испаритель, 4 — компрессор

Основными составляющими частями холодильника являются: компрессор, получающий энергию от электрической сети; конденсатор, находящийся снаружи холодильника; испаритель, находящийся внутри холодильника; терморегулирующий расширительный вентиль, ТРВ, являющийся дросселирующим устройством; хладагент, циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками.

Хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение её в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника.

Чтобы обеспечить постоянное кипение хладагента в испарителе при определенном давлении, холодные пары его отсасываются компрессором через всасывающую трубку. В компрессоре происходит сжатие хладагента, за счёт чего его температура повышается.

Далее хладагент выталкивает в конденсатор.

В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объём испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр - это аналог ТРВ. Он не меняет своё сечение, а дросселирует определённое количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.

Обычно также присутствует теплообменник, выравнивающий температуру на выходе из конденсатора и из испарителя. В результате к дросселю поступает уже охлаждённый хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из конденсатора подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить эффективность холодильника.

При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.

За рубежом широкое распространение имеют двухкамерные двухдверные холодильники с раздельным регулированием температурных режимов холодильной и морозильной камер. В этих холодильниках иногда применяют два автономных холодильных агрегата для обеих камер. Однако чаще используют один холодильный агрегат с одним общим компрессором, но с двумя испарителями. Испарители могут соединяться последовательно и параллельно. Верхний испаритель коробчатой формы предназначается для охлаждения морозильной камеры, а нижний плоский — для холодильной. Принцип работы такого холодильного агрегата ничем не отличается от вышеописанного.

В случае параллельного соединения испарителей они присоединяются к общему компрессору двумя капиллярными трубками. На входе в капиллярную трубку испарителя холодильной камеры вмонтирован специальный соленоидный клапан, который открывает путь жидкому хладагенту по сигналу датчика температуры холодильной камеры. Установленная температура в морозильной камере в этом случае поддерживается периодической работой мотор-компрессора с помощью отдельного терморегулятора. Такой более сложный по конструкции холодильный агрегат требует большей точности в изготовлении и потому широкого применения не имеет.

По компоновке электродвигателя с компрессором компрессионные холодильные агрегаты бытовых холодильников относятся к агрегатам закрытого типа. Закрытый тип холодильного агрегата отличается от открытого тем, что в нем компрессор с электродвигателем имеют один общий вал и размещаются в герметичном кожухе. Такая компоновка упрощает конструкцию привода компрессора, делает агрегат компактным и обеспечивает более надежную герметичность его без применения специальных уплотняющих сальников.

С целью повышения эффективности производства и облегчения ремонта холодильных агрегатов сейчас проводится работа по унификации отдельных элементов: мотор-компрессора, конденсатора, испарителя и др.

По расположению мотор-компрессора в шкафу холодильника различают компрессионные холодильные агрегаты верхнего и нижнего расположения. Агрегаты верхнего расположения конструктивно выполняются более компактно, но с точки зрения общей компоновки в напольных холодильниках они неудобны. Поэтому агрегаты с верхним расположением мотор-компрессора применяются в настоящее время только в настенных холодильниках.

Агрегаты с нижним расположением мотор-компрессора, хотя и уступают первым по компактности, в напольных холодильниках обеспечивают уменьшение габаритов шкафа и более удобную компоновку холодильной камеры.

Условия длительной эксплуатации бытовых холодильников и специфические свойства хладагента налагают на конструкцию и изготовление компрессионного холодильного агрегата определенные требования. Основными из этих требований являются: надежная герметичность, отсутствие в системе агрегата воздуха, воды и механических примесей (загрязнений).

Необходимость надежной герметичности агрегата вызывается длительным сроком эксплуатации холодильника, а также возможностью утечки фреона, что существенно сказывается на холодопроизводительности и экономичности агрегата.

Надежная герметичность холодильного агрегата обеспечивается тщательным изготовлением отдельных его деталей и узлов, плотным неразъемным соединением их сваркой или твердой пайкой, а также тщательным контролем. Контроль герметичности холодильного агрегата при изготовлении или ремонте осуществляется многократно и различными способами. Предварительная проверка герметичности отдельных узлов и собранного агрегата осуществляется обычно методом опрессовки. В проверяемый узел или агрегат нагнетают сухой воздух или азот под давлением 10 — 18 атм. Затем узел погружают в ванну с водой и по выходящим пузырькам определяют места неплотности, которые чаще всего бывают в соединениях.

Наличие воздуха в агрегате резко ухудшает его работу. Неконденсируемый воздух на выходе конденсатора перед капиллярной трубкой создает воздушную пробку, которая препятствует поступлению жидкого фреона в испаритель. Вследствие этого повышается давление в системе агрегата, что влечет за собой увеличение потребляемой мощности и расхода электроэнергии. Наличие воздуха в агрегате приводит также к нежелательному окислению масла и коррозии металлических частей.

Перед заполнением агрегата маслом и фреоном воздух из него удаляют тщательным вакуумированием до давления порядка 0,1 мм рт. ст.

Наличие в холодильном агрегате воды даже в самых малых количествах (15 — 20 мг) может серьезно нарушить его работу или вывести из строя. Вследствие плохой растворимости воды во фреоне она может замерзнуть в капиллярной трубке и прекратить поступление фреона в испаритель. Кроме того, вода вызывает порчу масла, коррозию деталей агрегата, особенно клапанов компрессора, разложение изоляции обмоток электродвигателя, засорение фильтра и т. п. Влагу из агрегата при изготовлении или ремонте удаляют путем тщательной сушки как масла и фреона, так и всего собранного агрегата. Перед сушкой все узлы агрегата обезжиривают, так как оставшееся на поверхности деталей масло при температуре свыше 100 С пригорает, образуя прочную пленку.

Механические примеси, попавшие в агрегат извне или образовавшиеся в нем, могут засорить капиллярную трубку и нарушить тем самым нормальную циркуляцию хладагента. Вредное влияние попавших в холодильный агрегат влаги и механических примесей устраняется осушительным патроном и фильтром.

Выполняя роль холодильной машины, холодильный агрегат бытового холодильника должен обеспечить требуемый уровень охлаждения в течение длительного времени. Для этого он должен иметь холодопроизводительность Q₀, которая при цикличной работе должна быть больше суммы теплопритоков в холодильную камер за одно и то же время, т. е. должно иметь место неравенство Q₀ Q.

Цикличность работы холодильного агрегата характеризуется коэффициентом рабочего времени b, который определяется отношением времени работы агрегата в цикле (от включения до выключения) к времени цикла (от включения до следующего включения агрегата в работу).

Очевидно, чем больше коэффициент рабочего времени, тем больше будет износ трущихся пар в компрессоре и тем меньше будет долговечность холодильного агрегата. С увеличением коэффициента рабочего времени увеличивается и расход электроэнергии на единицу емкости холодильной камеры. Поэтому при проектировании новых: холодильников величиной b можно задаться, исходя из условия обеспечения требуемой долговечности и экономичности.

1.2 Процесс охлаждения

Охлаждением называют процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Понизить температуру вещества можно путем уменьшения его внутренней энергии. Поэтому для искусственного охлаждения создают такие условия, при которых тепловая энергия (тепло) отводится от охлаждаемого тела (охлаждаемой среды) и воспринимается другим, более холодным телом. Для длительного охлаждения необходимо, чтобы восприятие тепла охлаждающим телом происходило без повышения его температуры, так как иначе температуры обоих тел (охлаждаемого и охладителя) станут одинаковыми и охлаждение прекратится. Таким свойством обладают тела при некоторых изменениях своего состояния, например, твердые тела могут воспринимать внешнее тепло без повышения своей температуры при плавлении или таянии; жидкие - в процессе испарения или кипения.

В основе современных промышленных способов охлаждения лежат процессы испарения или кипения, плавления или таяния и сублимации. Все эти процессы протекают с поглощением тепла из окружающей среды.

При переходе тела из твердого состояния в жидкое (плавление или таяние) тепло, воспринимаемое им извне, затрачивается на изменение связей между молекулами вещества, на ослабление сил его молекулярного сцепления. Когда тело переходит из жидкого состояния в парообразное (испарение или кипение), тепло расходуется также на преодоление сил молекулярного сцепления жидкого тела и работу его расширения. В случае перехода тела из твердого состояния непосредственно в газообразное (сублимация), тепло расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давления, препятствующего этому процессу.

На свойстве тел поглощать внешнее тепло при плавлении или таянии основано охлаждение льдом и льдосоляными смесями.

Более широкое применение получили различные способы машинного охлаждения.

Простейшим из таких способов является способ дросселирования сжатых газов. Если газ при температуре окружающей среды подвергнуть сильному сжатию, а затем обеспечить процесс адиабатического расширения при резком понижении давления, то температура газа понизится и его можно использовать в качестве охладителя (эффект Джоуля — Томсона).

Однако получение низких температур таким способом связано с большими энергетическими затратами.

Одним из способов машинного охлаждения является охлаждение вихревым эффектом. Этот способ осуществляется в вихревой трубке Ранка, представляющей собой цилиндрическую трубку небольшой длины, внутренняя полость которой разделена на две полости диафрагмой с центральным отверстием. Через сопло, расположенное в непосредственной близости от диафрагмы и направленное по касательной к внутреннему диаметру, в трубу подается сжатый воздух температуры окружающей среды. При завихрении воздуха в центре трубы создается разряжение и соответственно понижается температура. Холодный воздух с t_х через отверстие диафрагмы выходит в охлаждаемую среду. Значительная часть кинетической энергии завихрения воздуха расходуется на трение в его внешних слоях, вследствие чего воздух в этих слоях нагревается.

Нагретый до температуры воздух выходит в окружающую среду через регулировочный дроссельный вентиль.

Температура холодного и горячего потоков воздуха зависит от конструкции и параметров трубки, от начальных параметров поступающего воздуха (его влажности, температуры и давления), от соотношения масс потоков, регулируемых дроссельным вентилем. При работе вихревой трубки на сухом воздухе с начальным давлением 0,5 мН/м², температурой 20 °C и массовой доле холодного потока 0,3 - 0,35 температура холодного потока может достигать - 50 °C.

Однако, низкая экономичность термодинамических процессов, происходящих в вихревой трубке, вследствие их необратимости и значительных потерь на трение, ограничивает практическую возможность использования вихревого эффекта в бытовых холодильниках.

В настоящее время наибольшее распространение в бытовой холодильной технике получили так называемые паровые холодильные машины (агрегаты) компрессионного и абсорбционного действия. В качестве рабочего вещества в них используют жидкости, кипящие при отрицательных температурах.

Принцип действия основан на том, что теплота охлаждаемой жидкости передается жидкому хладагенту и расходуется на его парообразование при отрицательной температуре. Пары хладагента подаются в теплообменный аппарат, расположенный в окружающей среде, где они отдают поглощенное тепло и превращаются в жидкость.

Жидкий хладагент вновь возвращается в охлаждаемую среду и этот круговой процесс повторяется.

Таким образом, в этих холодильных машинах рабочее вещество не расходуется, а только циркулирует в герметичной системе, изменяя свое агрегатное состояние. Это позволяет получать необходимое охлаждение в течение длительного времени при небольшом количестве рабочего вещества.

Принципиальное отличие компрессионных паровых холодильных машин от абсорбционных машин заключается в том, что во-первых циркуляция рабочего вещества осуществляется при работе компрессора, а во вторых вследствие процесса абсорбции и работы термонасоса.

В последние годы в холодильной технике внедряется термоэлектрическое охлаждение — наиболее перспективный способ получения искусственного холода. Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье.

Сущность термоэлектрического охлаждения заключается в том, что при прохождении постоянного тока через термобатарею, составленную из последовательно соединенных двух различных материалов (термоэлементов), одни спаи этой батареи охлаждаются, а другие - нагреваются. Таким образом, роль рабочего вещества - переносчика тепла - здесь выполняет постоянный электрический ток. Это в значительной степени упрощает схему термоэлектрического холодильника. Поместив холодные спаи термобатареи в охлаждаемую среду, представляется возможным легко обеспечить передачу тепла из холодильной камеры в более теплую среду, окружающую горячие спаи.

Простота процесса охлаждения, а соответственно, и конструкции термоэлектрических холодильников делают термоэлектрическое охлаждение весьма перспективным для применения в быту.

Преимущества термоэлектрического охлаждения — отсутствие движущихся частей, а значит, бесшумность работы, возможность точного регулирования температуры и высокая надежность термоэлектрических машин.

Кроме перечисленных способов искусственного охлаждения имеются и другие способы, но они не имеют практического применения в холодильниках бытового назначения.

1.3 Классификация бытовых холодильников

Современные бытовые холодильники и морозильники — это сложные бытовые приборы, работающие в специфических условиях - в жилых (кухонных) помещениях, поэтому к ним предъявляют высокие требования: функционирование в автоматическом режиме; минимальный уровень шума; высокий уровень надежности; полная безопасность функционирования; возможно малые габаритные размеры при определенной полезной вместимости, небольшая стоимость и малые эксплуатационные расходы.

По типу холодильной машины бытовые холодильники бывают компрессорными (охлаждаемые компрессорной холодильной машиной), абсорбционными (охлаждаемыми абсорбционной холодильной машиной) и полупроводниковыми (охлаждаемые полупроводниковыми батареями), а морозильники - компрессорными и абсорбционными.

Компрессорные холодильники составляют значительную долю в ассортименте бытовой холодильной техники - свыше 90%.

По способу установки холодильники подразделяются на напольные, настенные и встроенные.

Напольные холодильники, устанавливаемые на полу помещения, являются самым массовым типом холодильников и в нашей стране и за рубежом. Среди них можно выделить модели, выполненные в виде столика; высота их такая же, как и кухонных столов - 850 мм, а сверху имеется изготовленная из специального вида пластика сервировочная поверхность для размещения кухонной утвари и продуктов. Настенные холодильники, подвешиваемые к стене помещения, не занимают площади пола, что важно для малогабаритных квартир Встроенные холодильники - аппараты, входящие в конструкцию мебельного блока и заключенные в общую с ним оболочку. Блок может быть кухонным или гостиным, как, например, сервант и бар.

По климатическому исполнению холодильники делятся на изделия исполнений У и Т. Первые холодильники предназначены для эксплуатации в районах с умеренным климатом, т. е. на территории, где средний из ежегодных абсолютных максимумов температуры воздуха не превышает 40° С, а средний из минимумов ниже — 45° С. Изделия исполнения У, эксплуатируемые в жилых помещениях, должны обеспечивать требуемые параметры при температуре окружающего воздуха от 10 до 35° С. ГОСТ 16 317-70 «Холодильники бытовые электрические» предусматривает более узкий диапазон значений климатических факторов: 16-32° С. Обычно для изделий исполнения У верхнее предельное значение принимается равным 40 °C.

Холодильники исполнения Т эксплуатируются в районах с тропическим климатом, к которым относятся Ближний и Средний Восток, Индия, Индонезия, Вьетнам, значительная часть Африки и Латинской Америки, Куба, юго-восток и дальний запад США и ряд других районов. В России холодильники в тропическом исполнении изготавливаются для экспорта в указанные страны. Для изделий исполнения Т, эксплуатируемых в жилых помещениях, предельные и рабочие значения температур окружающего воздуха совпадают: от 10 до 45 °C; Международной организацией по стандартизации (ИСО) и СЭВ установлен температурный диапазон от 18 до 43 °C. К холодильникам в тропическом исполнении предъявляются повышенные требования в отношении применяемых материалов, защитных покрытий, заземления, герметизации шкафа и проборов автоматики.

По функциональному признаку различают холодильники для хранения свежих продуктов и свежих и замороженных продуктов. Аппараты для хранения свежих продуктов не имеют низкотемпературного отделения. Они выпускаются в незначительном количестве в некоторых странах. Возможность хранения замороженных продуктов обеспечивается только в том случае, если в низкотемпературном, отделении поддерживается температура не выше — 6 °C; чем ниже температура в отделении, тем длительнее срок хранения.

В соответствии с международными и отечественными стандартами принято деление холодильников на три категории: для краткосрочного (несколько дней) хранения замороженных продуктов - температура не выше — 6 °C; для среднесрочного хранения (до двух недель) - температура не выше — 12 °C; для длительного хранения (до трех месяцев) - температура не выше — 18 °C. Соответственно маркируют холодильники одной, двумя или тремя звездочками. Модели с двумя и тремя звездочками называются двухтемпературными. В США, Канаде и Австралии маркировка звездочками не применяется. По стандартам этих стран двухтемпературные холодильники должны обеспечивать в низкотемпературном отделении температуру не выше — 15° С.

По конструктивному исполнению двухтемпературные холодильники бывают однокамерные, двухкамерные и многокамерные. В двухкамерных имеется теплоизоляционная перегородка между низкотемпературным и плюсовым отделениями; каждое отделение снабжено отдельной дверью. Многокамерные холодильники имеют для хранения различных продуктов несколько (по крайней мере три) камер с отдельными дверьми.

Циркуляция воздуха в камерах может осуществляться естественным путем или с помощью вентилятора либо комбинированно: в низкотемпературной камере принудительным способом, а в плюсовой - естественным.

Холодильники с естественной циркуляцией воздуха в камере могут иметь один (обычная конструкция) или два испарителя (конструкция с «плачущим» испарителем).

В моделях с естественной циркуляцией воздуха низкотемпературная камера расположена вверху; в холодильниках с принудительной циркуляцией она может быть размещена также внизу или рядом с плюсовой.

Холодильники различаются также по способу оттаивания испарителя: применяют оттаивание вручную, полуавтоматическое и автоматическое (частично или полностью). При первом способе потребитель сам определяет момент начала и окончания процесса, а также вручную удаляет талую воду. При полуавтоматическом - потребитель определяет только начало оттаивания, окончание процесса - автоматическое; талая вода удаляется вручную или автоматически через дренажную систему. Оттаивание является автоматическим в том случае, если управление процессом и удаление талой воды происходит без участия потребителя.

Частично автоматическое оттаивание - это автоматическое оттаивание одной из двух охлаждающих поверхностей. Например, испаритель плюсового отделения оттаивается автоматически в каждом цикле, а испаритель низкотемпературного отделения - вручную раз в несколько месяцев. Полностью автоматическое оттаивание - это автоматическое оттаивание всех охлаждающих поверхностей.

Полностью автоматизировать процесс оттаивания можно только в холодильниках с принудительной циркуляцией воздуха, в остальных конструкциях применение автоматической системы оттаивания (из-за ее частого срабатывания) привело бы к порче замороженных продуктов.

Применяют три способа обогрева испарителя во время оттаивания: окружающим воздухом; горячим паром фреона, подаваемым компрессором в испаритель, минуя конденсатор; электронагревателем. При оттаивании вручную применяется естественный обогрев окружающим воздухом, при полуавтоматическом и частично автоматическом - все три вида нагрева. Естественный обогрев испарителя в случае частично автоматического оттаивания происходит в течение нерабочей части каждого цикла. При полностью автоматическом оттаивании применяется интенсивный обогрев испарителя горячим паром фреона или электронагревателем.

Принятая система охлаждения, т. е. наличие одного или двух испарителей, естественной или принудительной циркуляции воздуха, в значительной мере определяет эксплуатационные и конструктивные особенности холодильников. Поэтому далее в этой главе будут рассмотрены (как основные типы) холодильники с одним испарителем, включая двухтемпературные, холодильники с двумя испарителями, а также холодильники с принудительной циркуляцией воздуха.

По ГОСТ 16 317-87 бытовые холодильники подразделяются по способу получения холода на:

компрессионные (К); абсорбционные (А);

по способу установки на:

напольные типа шкафа (Ш); апольные типа стола (С);

по числу камер на:

однокамерные; двухкамерные (Д); трехкамерные (Т).

В двух камерных холодильниках имеется теплоизоляционная перегородка между НТО и плюсовым отделением.

По способности работать при максимальных температурах окружающей среды холодильники подразделяются на классы:

УХЛ — не выше 32 ⁰С;

Т — не выше 43 ⁰С.

Камеры холодильных приборов по назначению подразделяются на:

камеру для хранения свежих овощей и фруктов;

холодильную камеру для охлаждения и хранения охлажденных продуктов;

низкотемпературную камеру для хранения замороженных продуктов (НТК);

морозильную камеру для замораживания и хранения замороженных продуктов (МК);

универсальную камеру для хранения продуктов в свежем, охлажденном или замороженном состоянии.

Однокамерные холодильники подразделяют:

по наличию НТО на:

однокамерные с НТО;

однокамерные без НТО;

по температуре в НТО на:

с температурой не выше -6 ⁰С;

с температурой не выше -12 ⁰С;

с температурой не выше -18 ⁰С.

Температура в НТО не выше — 6⁰С обеспечивает краткосрочное хранение в течение нескольких дней, не выше - 12⁰С в течение двух недель и не выше - 18⁰С в течение трех месяцев.

1.4 Конструкция бытовых холодильников

Основными структурными блоками холодильников (рис. 1.1) и морозильников являются теплоизолированный шкаф и холодильный агрегат (машина). Шкаф состоит из наружного 7 и внутреннего корпусов, разделенных теплоизоляционным слоем 9. Наружный корпус является несущим и представляет собой сварную конструкцию из низкоуглеродистого стального листа толщиной 1-2 мм. Снаружи корпус шкафа покрыт синтетической эмалью. Внутренний корпус образует холодильную камеру 2. Он может быть металлический (сталь, алюминий) или пластмассовый (ударопрочный полистирол).

Низкотемпературные камеры многокамерных холодильников и камеры морозильников выполняют из сплава алюминия или коррозионно-стойкой стали. Металлические камеры более долговечны и гигиеничны, но увеличивают массу холодильника и морозильника. Пластмассовые камеры более технологичны в изготовлении и сборке, имеют меньшую теплопроводность и массу. Однако они быстрее теряют товарный вид, менее прочны и долговечны по сравнению с металлическими. Шкаф закрывается дверью 8, которая удерживается в закрытом положении при помощи затвора. Герметичность соединения корпуса шкафа с дверью обеспечивается уплотнителем 6, закрепленным на внутренней панели двери. В верхней зоне холодильной камеры размещается испаритель 14. Внутренний объем испарителя образует низкотемпературное отделение 5. Под испарителем находится поддон 4, имеющий окна для циркуляции воздуха. Нижняя часть наружного корпуса обычно отводится для размещения компрессора 11 или части аппаратов абсорбционной машины.

Рисунок — 1.2. Устройство бытового холодильника

1 — сосуд для хранения продуктов; 2 - холодильная камера; 3 - полка; 4 - поддон; 5 - низкотемпературное отделение; 6 - уплотнитель; 7 - наружный корпус; 8 - дверь; 9 - теплоизоляция; 10 - конденсатор; 11 - герметичный компрессор; 12 регулятор температуры; 13 - ручка; 14 - испаритель сосуд для хранения продуктов; 2 - холодильная камера; 3 - полка; 4 - поддон; 5 - низкотемпературное отделение; 6 - уплотнитель; 7 - наружный корпус; 8 - дверь; 9 - теплоизоляция; 10 - конденсатор; 11 - герметичный компрессор; 12 - регулятор температуры; /3 - ручка; 14 - испаритель

Холодильная камера закрывается дверью 8 с ручкой 13; плотность прилегания двери обеспечивается резиновой окантовкой, которая при закрывании двери прижимается к передней плоскости шкафа. Внутри камеры находится регулятор температуры 12.

Корпус является несущей конструкцией, поэтому должен быть достаточно жестким. Его изготовляют из листовой стали толщиной 1…2 мм. Поверхность шкафа фосфотируют, затем грунтуют и дважды покрывают белой эмалью ПЛ-12-01, ЭП-148, МЛ-242, МЛ-283 или др. Выполняют это с помощью краскопультов или в электростатическом поле.

В последнее время для изготовления корпусов холодильников все чаще применяют ударопрочные пластики. Благодаря этому сокращается расход металла и уменьшается масса холодильного прибора.

Внутренние шкафы холодильников, или как их еще называют, холодильные (морозильные) камеры изготовляют из стального листа толщиной 0,7…0,9 мм методом штамповки и сварки и эмалируют горячим способом силикатно-титановой эмалью.

Пластмассовые камеры изготовляют из АБС - пластика или ударопрочного полистирола методом вакуум-формирования. АБС - пластик (акрилбутадиеновый стирол) обладает высокими механическими свойствами и стойкостью по отношению к хладону (фреону).

Камеры у морозильников и камеры низкотемпературных отделений холодильников металлические - из алюминия или нержавеющей стали. Стальные камеры более долговечны, гигиеничны, но они увеличивают массу холодильника.

К преимуществам пластмассовых камер относятся технологичность изготовления, малый коэффициент теплопроводности, меньшая масса. Однако такие камеры быстрее стареют, со временем теряют товарный вид, менее долговечны и менее прочны по сравнению с металлическими.

Двери изготовляют из стального листа толщиной 0,8 мм методом штамповки и сварки. В некоторых моделях холодильников двери изготовлены из ударопрочного полистирола.

Дверь холодильника состоит из наружной и внутренней панелей, теплоизоляции между ними и уплотнителя. В большинстве моделей холодильников предусмотрена возможность перенавески двери, т. е. открывание двери слева направо и справа налево.

Дверь холодильника должна плотно прилегать к дверному проему, иначе теплый воздух будет проникать в камеру. Для обеспечения герметичности внутреннюю сторону двери по всему периметру окантовывают магнитным уплотнителем разного профиля.

Магнитные затворы представляют собой эластичную магнитную вставку, помещенную в уплотнительный профиль. При закреплении двери она плотно притягивается к металлическому корпусу. Изготовленные ленты эластичного магнита намагничивают в магнитном поле.

Теплоизоляцию применяют для защиты холодильной камеры от проникновения тепла окружающей среды и прокладывают по стенкам, верху и дну холодильного шкафа и холодильной камеры, а также под внутренней панелью двери. От теплоизоляционных материалов требуется, чтобы они обладали низким коэффициентом теплопроводности, небольшой объемной массой, малой гигроскопичностью, влагостойкостью, были огнестойкими, долговечными, дешевыми, биостойкими, а также были механически прочными. Для теплоизоляции шкафа и двери холодильников применяют штапельное стекловолокно МТ-35, МТХ-5, МТХ-8, минеральный войлок, пенополистирол ПСВ и ПСВ-С и пенополиуретан ППУ-309М.

Минеральный войлок изготовляют из минеральной ваты путем обработки ее растворами синтетических смол. Исходным сырьем для получения минеральной ваты служат минеральные породы (доломит, доломитоглинистый мергель), а также металлургические шлаки.

Стеклянный войлок - разновидность искусственного минерального войлока. Он состоит из тонких (толщина 10… 12 мкм) коротких стеклянных нитей, связанных синтетическими смолами. Теплоизоляция из стеклянного войлока и супертонкого волокна биостойка, не имеет запаха, обладает водоотталкивающим свойством, удобно укладывается и поэтому часто применяется.

Пенополистирол - синтетический теплоизоляционный материал. Он представляет собой легкую твердую пористую газонаполненную пластмассу с равномерно распределенными замкнутыми порами. Теплоизоляцию из пенополистирола получают вспениванием жидкого полистирола непосредственно в простенках холодильной камеры и корпуса шкафа холодильника.

Пенополиуретан - пенопласты мелкопористой жесткой структуры, полученные путем вспучивания полиуретановых смол с применением соответствующих катализаторов и эмульгаторов. Для повышения теплозащитных свойств в качестве вспучивающего газа применяют хладон-11 и др. Процесс пенообразования и затвердевания пены происходит в течение 10… 15 мин при температуре до 5 °C.

Пенополиуретан обладает малой объемной массой, низким коэффициентом теплопроводности, влагостоек. Его можно вспенивать непосредственно в холодильном шкафу. При этом он равномерно и без воздушных полостей заполняет все пространство в простенках, хорошо склеивается со стенками, повышая прочность шкафа.

В зависимости от качества теплоизоляционных материалов толщина изоляции в стенках шкафа холодильника может быть от 30 до 70 мм, в двери - от 35 до 50 мм. Замена теплоизоляции из стекловолокна изоляцией из пенополиуретана позволяет при одних и тех же габаритах корпуса увеличить объем холодильника на 25%.

К электрическому оборудованию бытовых холодильников относятся следующие приборы:

электрические нагреватели: для предохранения дверного проёма низкотемпературной (морозильной) камеры от выпадения конденсата (запотевания) на стенках; для обогрева испарителя при полуавтоматическом и автоматическом удалении снежного покрова;

электродвигатель компрессора;

проходные герметичные контакты для соединения обмоток электродвигателя с внешней электропроводкой холодильника через стенку кожуха мотор-компрессора;

осветительная аппаратура, предназначенная для освещения холодильной камеры;

вентиляторы: для обдува конденсатора холодильного агрегата воздухом (при использовании в холодильниках конденсаторов с принудительным охлаждением) и для принудительной циркуляции воздуха в камерах холодильников.

К приборам автоматики бытовых холодильников относятся:

датчики-реле температуры (терморегуляторы) для поддержания заданной температуры в холодильной или низкотемпературной камере бытовых холодильников;

пусковое реле для автоматического включения пусковой обмотки электродвигателя при запуске;

защитное реле для предохранения обмоток электродвигателя от токов перегрузки;

приборы автоматики для удаления снежного покрова со

стенок испарителя.

Электродвигатели для привода герметичных компрессоров и работы в среде хладагента и масла применяются однофазные асинхронные встраиваемые электродвигатели с короткозамкнутым ротором, без подшипниковых щитов и вала. Они выпускаются на номинальное напряжение 127 или 220 В (допустимое отклонение напряжения от -15 до +10%) мощностью 60, 90, 120 Вт. Частота вращения 1500 и 3000 мин ^-1.

Электродвигатель холодильника в нормальных условиях работает циклично, т. е. через определенные промежутки времени включается и выключается. Отношение части цикла, в продолжение которой электродвигатель работает, к общей продолжительности цикла называют коэффициентом рабочего времени. Чем он больше (при постоянной температуре в помещении), тем ниже температура в холодильной камере и тем больше будет среднечасовой расход электроэнергии. Определенную цикличность в работе холодильника (коэффициент рабочего времени) обеспечивает датчик-реле температуры - прибор, с помощью которого регулируется температура в шкафу холодильника.

Холодильный агрегат бытового холодильника состоит из мотор-компрессора, испарителя, конденсатора, системы трубопроводов и фильтра-осушителя.

В наиболее распространенных бытовых холодильниках компрессор установлен внизу, под шкафом, конденсатор - на задней стенке, а испаритель образует небольшое морозильное отделение в верхней части камеры. В напольных холодильниках различают три типа агрегатов: агрегаты с испарителем, который устанавливают через люк задней стенки шкафа; агрегаты с испарителем, который монтируют через дверной проем; несъемные холодильные агрегаты, установленные в шкаф и залитые пенополиуретаном.

Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газа или пара, являющихся рабочими веществами компрессорных холодильных машин. Компрессор в значительной степени определяет технико-экономические показатели производства и эксплуатации холодильных машин, является одним из основных и наиболее ответственных элементов холодильного агрегата.

Компрессоры холодильных агрегатов отличаются большим разнообразием и имеют достаточно широкую классификацию. В качестве классификационных признаков выделяют: принцип действия, тип механизма движения, тип электродвигателя, схема расположения цилиндров, вид хладагента, диапазон температур кипения, условия эксплуатации, создаваемое давление и т. д.

По принципу действия компрессоры делятся на два класса:

1) компрессоры объемного принципа действия (компрессоры объемного действия). Рабочие органы машин этого класса засасывают определенный объем рабочего вещества, сжимают его благодаря уменьшению замкнутого объема и затем перемещают (нагнетают) в камеру нагнетания. Это машины дискретного действия, рабочие процессы в которых совершаются строго последовательно, повторяясь циклически. Объемные компрессоры условно можно также назвать машинами статического действия, поскольку перемещение рабочего вещества в процессе сжатия в них совершается сравнительно медленно; [4]

2) компрессоры динамического принципа действия (компрессоры динамического действия). В этих машинах рабочее вещество непрерывно перемещается («течет») через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. Плотность в потоке рабочего вещества постепенно повышается от входа в машину к выходу. Это машины непрерывного действия.

По конструктивному признаку основных рабочих деталей компрессоры делятся на следующие типы: - поршневые, винтовые, пластинчатые ротационные, ротационные с катящимся поршнем и многие другие, основанные на объемном принципе действия; - лопаточные компрессорные машины, к которым относятся: радиальные (центробежные), осевые и вихревые, основанные на динамическом принципе действия. [4]

По достижимому конечному давлению различают:

1. компрессоры низкого давления - с конечным давлением до 1 МПа;

2. компрессоры среднего давления - с конечным давлением от 1 до 10 МПа;

3. компрессоры высокого давления - с конечным давлением от 10 до 100 МПа;

4. компрессоры сверхвысокого давления - с конечным давлением свыше 100 МПа.

По применимости в газовой (рабочей) среде компрессоры разделяют на: 1) газовые — для сжатия любого газа или смеси газов, кроме воздуха; в зависимости от вида газа они называются кислородными, водородными, аммиачными и т. д.; 2) воздушные - для сжатия воздуха; значительную группу таких компрессоров составляют компрессоры общего назначения, предназначенные для сжатия атмосферного воздуха до давления 0,8-1,5 МПа и выполненные без учета каких-либо специфических требований; 3) циркуляционные - для обеспечения циркуляции газа в замкнутом технологическом контуре; 4) многоцелевые (специальные) - для попеременного сжатия различных газов; 5) многослужебные (специальные) - для одновременного сжатия различных газов.

Значительная часть компрессоров эксплуатируется в составе устройств, предназначенных для изменения (понижения) температуры окружающей среды. Различают: 1) криогенные компрессоры - специальные компрессоры, в которых сжимаемый газ хотя бы на одной из стадий цикла имеет криогенную температуру (0-120 К); 2) холодильные компрессоры.

Специальные компрессоры, предназначенные для откачки газа с целью получения вакуума, называют вакуумными компрессорами. Вакуумные компрессоры, у которых конечное давление больше атмосферного, относят к компрессорам комбинированного применения.