Чем ближе к середине лета, тем температура выше, и все мы начинаем искать более холодные места. А что может быть холоднее холодильника? И что может быть желаннее самодельного холодильника? :-) Посмотрим, насколько он реален...
Недавно я наткнулся на пару любопытных видео, которые заставляют задуматься — простейшие холодильники, которые, как утверждают авторы роликов, можно создать буквально «на коленке», да ещё и в это жаркое лето. Кажется, это самое оно (на первый взгляд):
Выглядит достаточно привлекательно и просто… Тем не менее имеются обоснованные сомнения в реальности конкретно этой конструкции, показанной в видео. И, похоже, не только у меня, так как подобные видео снабжены просто бесконечной «портянкой» комментов, где люди разделились на лагеря, спорящие о реальности происходящего:
Но мы попробуем пойти другим путём, оставив реальность этих видео на совести их создателей, и рассмотрим вопрос с точки зрения того, а что нужно сделать, чтобы подобная система всё-таки стала реальной?
Чтобы понять это, для начала нам надо будет изучить базовые принципы создания искусственного холода и систем, предназначенных для этого.
▍ Тепло и холод, искусственная охлаждающая машина
С точки зрения физики, тепло и холод одинаковы и относительны, и по сути отличаются только скоростью движения молекул вещества. При относительном повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, а при понижении температуры, соответственно, уменьшается.
Теплота, то есть внутренняя энергия тела, может переходить от более нагретых объектов к менее нагретым.
Поэтому для охлаждения могут использоваться природные способы, например, с помощью проточной воды. Тем не менее, естественные способы зачастую не способны понижать температуру на требуемые величины, поэтому для этого используются искусственные охлаждающие машины.
Искусственная охлаждающая машина предназначена для того, чтобы отбирать теплоту из некоторого полезного объёма, поддерживая его температуру более низкой, по сравнению с окружающей средой.
Примечание: здесь и далее мы будем говорить в основном только о газовой компрессионной холодильной машине.
Для этого одним из её необходимых компонентов является охлаждающий агент (далее «хладагент»), протекающий по системе и обладающий более низкой температурой, чем охлаждаемый полезный объём, ввиду чего и происходит перетекание теплоты от этого объёма к хладагенту. Это и приводит к охлаждению полезного объёма до требуемых температур.
Работа подобных машин основана на термодинамическом цикле Карно, из которого для нас является важным то, что на КПД подобной машины не влияет её конкретное устройство, а также тип и конкретные свойства хладагента. Влияют в конечном итоге только температуры двух составных частей этой машины: условно нагретой части и охлаждающей части (на рисунке ниже показаны разными цветами 2 зоны — низкого и высокого давления):
Как можно увидеть на картинке, машины подобного типа устроены таким образом, что состоят в общем случае всего из четырёх частей: трубчатого охладителя 1, который находится в охлаждаемом полезном объёме (то есть, внутри холодильника или иного объёма, например, помещения), компрессора 2, трубчатого конденсатора 3, вентиля 4.
Работает система следующим образом: хладагент условно медленно (из-за малого сечения) поступает через вентиль 4, благодаря чему в левой части, то есть в охладителе, поддерживается условное разрежение. Хладагент начинает усиленно испаряться во время протекания по трубчатой системе, а такое его испарение вызывает повышенное поглощение тепла из окружающей среды, то есть из полезного объёма.
Далее газообразный, условно нагретый хладагент поступает в компрессор, который его сжимает, увеличивая давление.
При этом температура хладагента ещё больше растёт, и всю эту накопленную теплоту нужно где-то сбросить — для этого и служит трубчатый конденсатор 3, протекая через который хладагент отдаёт свою теплоту и сжижается (т.е. переходит в жидкое состояние).
В разных конструкциях охлаждающих машин для отбора теплоты от трубчатого конденсатора используются разные подходы: начиная от проточной воды и заканчивая просто развитым радиатором (и вот этот второй подход легко заметить по бытовым холодильникам, если заглянуть за их заднюю стенку — там как раз и используется развитый радиатор).
Как было уже выше сказано, одним из важных компонентов системы является вентиль, задача которого заключается в дросселировании хладагента. То есть, другими словами, выпуск его из малого отверстия под условно большим давлением наружу (в трубчатый охладитель), что приводит к расширению хладагента и падению его температуры.
При этом сам хладагент начинает представлять собой не жидкость в чистом виде, а весьма влажный пар, с высоким содержанием жидкости.
В теории после конденсатора следовало бы, наверное, установить расширительный цилиндр, в котором конденсированный хладагент расширялся бы, при этом ещё больше понижая свою температуру. Тем не менее на практике этого не делают, так как объём жидкого хладагента достаточно мал, и, соответственно, расширительный цилиндр надо было ставить весьма малых размеров. А эффект от такого действия был бы незначительным, поэтому и ограничиваются только вентилем, в роли которого на практике выступает так называемая медная «капиллярная трубка», с очень малым проходным сечением 0,1–0,2 мм.
Таким образом, можно сказать, что холодильная конденсационная машина разделена на две чёткие зоны по давлению: условно низкого и условно высокого давления. И граница между ними проходит, с одной стороны — на стыке вентиля и трубчатого охладителя, с другой стороны — на стыке выходного клапана компрессора и трубчатого конденсатора.
▍ Хладагент и его выбор
На начальных стадиях своего развития в искусственных холодильных машинах пытались использовать в качестве хладагента обычный воздух, и подобные машины выглядели примерно таким образом:
Как можно видеть, из охлаждаемого объёма 1, воздух по трубе 6, поступает в компрессор 2, где он сжимается и нагревается. После чего сжатый и нагретый воздух поступает в охладитель 3, омываемый проточной водой, где охлаждается. Далее сжатый и охлаждённый воздух поступает в цилиндр 4, где резко расширяется, в процессе сильно охлаждаясь (до минус 60–70 °C) и уже этот охлаждённый воздух обратно поступает по трубопроводу 9 в тот же полезный объём 1. При этом цилиндр 4 связан (так же как и компрессор 2) шатуном с коленвалом, и расширение газа попутно совершает работу, проворачивая коленвал и облегчая работу электродвигателя по сжатию газа в компрессоре 2.
Тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту устройства, компрессоры такого типа обладают недостатками, из которых можно назвать низкий коэффициент охлаждения (из-за малой теплоёмкости воздуха), а также общую громоздкость конструкции.
В качестве следующего достаточно доступного хладагента было бы весьма логично использовать воду — она широко распространена в природе, легко доступна.
Тем не менее этого не делают, и вот почему: машина на таком хладагенте будет достаточно громоздкой, а кроме того, во время работы в ней будет создаваться достаточно глубокий вакуум (порядка 0,00294 атмосферы — в испарителе и порядка 0,0324 атмосферы в конденсаторе), что является однозначно негативным явлением. Такие разряжённые объёмы достаточно непросто изолировать без протечек, что, в свою очередь, будет приводить к прониканию в систему трубопроводов влаги из атмосферы, которая будет замерзать и забивать их, вызывать коррозию компонентов, повышать давление в системе. Это, соответственно, уменьшит и эффективность производства холода.
Небольшой комментарий, в качестве отступления: ради интереса в своё время я тестировал один из компрессоров для холодильников (просто для себя, чтобы понять, какое давление он может выдать, так как диаметр его поршня порядка 1 см предполагал, что давление он может выдавать довольно большое), подключив к выходу из компрессора хорошо герметизированный отрезок медной трубки, с установленным в ней манометром высокого давления.
Компрессор холодильника смог накачать порядка 30 атмосфер, где при приближении к этой цифре его скорость работы уже существенно замедлилась, и я не стал его дальше мучить — «убить» компрессор не входило в мои планы...
Из-за вышеназванных недостатков и произошёл переход к компрессионным машинам, устройство каковых было описано выше, в которых в роли хладагента стали использовать легкосжижаемые газы, и их стараются подбирать таким образом, чтобы давление в системе в целом поддерживалось на уровне выше атмосферного (в области конденсации). Но в то же время давление не должно быть достаточно высоким, так как это вызовет проблемы с усложнением компрессорной системы. Поэтому на практике стараются ориентироваться на то, чтобы давление в области конденсации было порядка 15–17 атмосфер или менее, а в части испарения не создавался вакуум.
Кроме того, важным является ещё и безопасность хладагента для трубопроводной системы, чтобы не происходило её корродирование.
Ещё смотрят и на пожароопасность, чтобы в случае неожиданной протечки, даже если весь хладагент вытечет, то в объёме небольшой кухни на 25 метров квадратных, получившаяся смесь с воздухом не вызвала возгорания, взрыва или сильного отравления людей.
Хладагент также не должен сильно растворяться в смазочном масле, которым происходит смазка компрессора.
Ввиду такого большого количества требований, очень ограниченный круг потенциальных хладагентов отвечает хотя бы некоторым из них.
Среди таких хладагентов известны: аммиак, фреоны (142, 12, 22, R-134A, R-125, R-143), углекислота, сернистый ангидрид, хлористый метил.
Выше мы уже говорили, что давление в системе должно быть несколько выше атмосферного, а каким же именно оно должно быть?
Например, известно, что для фреона 12, давление в нагретой части будет находиться в пределах 5,79 атмосфер, а в холодной части — 1,54 атмосферы. Аналогичные цифры для фреона 22 таковы: 9,35–2,51 атмосферы (цифры взяты с условием, что нагретая часть имеет температуру +20 °С, а холодная часть, соответственно, охлаждена до -20 °С).
В последнее время, в связи с отходом от потенциально вредных для человека и разрушающих озон газов, переходят на иные хладагенты, отличающиеся дешевизной и доступностью: пропан (хладагент R290), изобутан (хладагент R600A).
Например, пропан известен как хорошая замена фреонам, ввиду своих термодинамических характеристик, а также низкой стоимости.
При его использовании той же самой системой, где использовался до этого фреон, эффективность по производству холода падает на 10%. При этом если в качестве хладагента используется смесь пропан-бутан, то в конструкцию фреонового холодильника не требуется вносить никаких изменений. Среди его недостатков можно назвать такой, как пожароопасность.
Изобутан стал подниматься в рейтинге хладагентов после того, как с момента его первоначального применения, холодильная техника существенно усовершенствовалась, и теперь для заправки стало требоваться существенно меньше этого газа (в среднем 25г в настоящее время, против 250г в недавнем прошлом). А, как мы знаем, уменьшение количества вещества сказывается весьма положительно, так как меньшему количеству труднее создать предельно допустимую концентрацию в жилом помещении в случае протечки.
Кроме того, он обладает более высоким холодильным коэффициентом по сравнению с фреонами (на нём работают самые экономичные холодильники, с классами энергопотребления А+, А++), а также высокую стабильность (средний срок предполагаемой службы в составе холодильной установки порядка 20 лет).
Ещё одним его плюсом является то, что он может испаряться и конденсироваться при более низких давлениях (10,91 атмосферы — в горячей части и 0,29 — в холодной, если сравнивать его с фреонами — 21,18/18,82-0,52/0,64 атмосферы для фреонов R134a/R12. Соответственно, для него достаточен более слабый компрессор).
Тем не менее он не лишён и недостатков:
- не позволяет перевести старые холодильники на него, без изменения конструкции,
- не имеет цвета и запаха, что осложняет его идентификацию, обладает удушающим эффектом,
- взрывоопасен.
Кстати, в качестве замечания: как можно видеть по цифрам выше, в современных холодильниках, в холодной их части, — давление несколько ниже атмосферного, что, со временем, вероятно, приводит к проникновению влаги из атмосферы из-за проблем герметизации.
Могу ошибаться, так как это в явном виде нигде не говорится, но похоже на то, что именно из-за этого в составе современных холодильников имеется дополнительное устройство (помимо описанных выше), называемое «фильтром-осушителем» и предназначенное для удаления влаги/загрязнений из системы. Понимаю, что скорее на него возлагают задачу первичного осушения/очистки газа при заправке новой порции, но, надо думать, его наличие сказывается позитивно и при дальнейшей работе.
Итак, из всего вышесказанного можно сделать вывод, что показанное в роликах в начале статьи, — какой-то явный бред :-) Несмотря на то, что компоненты почти правильные: есть капиллярная трубка, есть испаритель, есть конденсатор, даже используется изобутан…
Но нет главного: где же компрессор? :-) Так как жидкостная помпа явно никак не может сжимать газ.
Кроме того, если делать всё по правилам, то перед заправкой газом система должна быть вакуумирована, чего, как мы видим, в видео не было проделано.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что несмотря на неправильную сборку и явно какой-то фейк, это не отвергает работоспособность системы при правильном подходе. То есть, при добавлении в систему компрессора, предварительном её вакуумировании (порядок можно найти в источнике «1», в списке литературы под статьёй), а также подбора длины испарительного и конденсационного трубопроводов таким образом, чтобы газ успевал в одной части полностью испаряться, а в другой — полностью конденсироваться (примеры методик расчёта испарителя и конденсатора — можно найти в источнике «2», в списке литературы под статьёй).
И тогда, в теории, всё должно получиться! Так как множество существующих холодильников и кондиционеров нам наглядно доказывают это, а, стало быть, при правильном подходе и самодельному холодильнику — быть!
Список использованных источников
- Родина А.В., Тюнина А.Н. — «Современные холодильники».
- Зайцев В.П. — «Холодильная техника».
- Зеликовский И.Х., Каплан Л.Г. — «Малые холодильные машины и установки».
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
