Geschichte des Kühlschranks
Vor der Erfindung von Kühlschränken nutzten die Menschen traditionelle Methoden zur Konservierung von Lebensmitteln. Diese Methoden umfassten Salzen, Räuchern und Trocknen. In den Wintermonaten gruben die Menschen Löcher und lagerten ihre Lebensmittel unter der Erde. Die Menschen wussten, dass Lebensmittel länger genießbar blieben, wenn sie kühl gehalten wurden, aber sie wussten nicht, warum.
Eiskästen waren die ersten Geräte, die in den 1860er bis 1890er Jahren als Kühlschränke verwendet wurden. Jeder Eiskasten wurde aus mit Zink ausgekleidetem Holz hergestellt und hatte Fächer zur Aufbewahrung von Eis. Leider hielt das Eis nur eine Woche, bevor es von einem Eismann (ja, diesen Beruf gab es!) ersetzt werden musste. Da es keine Möglichkeit gab, Eis herzustellen, ernteten die Eismänner es während der kalten Winterzeit und lagerten es in Eishäusern, bis es benötigt wurde.
Die Einführung des ersten kommerziellen Kühlschranks erfolgte im Jahr 1911. Das ursprüngliche Design verwendete Ammoniak als Kältemittel, aber es wurde festgestellt, dass es bei einem Leck einen unangenehmen Geruch hatte und beim Einatmen giftig ist. Die Weiterentwicklung setzte sich in den 1920er und 1930er Jahren fort, bis das übliche Haushaltskühlschrankdesign auf dem freien Markt verfügbar wurde; dieses modernere Design verwendete verschiedene Arten von Freongas.
Moderner Haushaltskühlschrank
Wie Kühlschränke funktionieren
Kühlschränke kühlen den Lagerraum für verderbliche Waren, um das Wachstum von Bakterien zu verlangsamen und Verderb oder Verschlechterung zu verhindern. Sie erreichen diesen Kühleffekt, indem sie Wärme in einem Bereich aufnehmen und in einen anderen übertragen. Der Prozess bildet einen kontinuierlichen Kreislauf von Verdampfung und Kondensation, die beide latente Wärmeprozesse sind.
Latente und fühlbare Wärme
Niederdruck- und Hochdruckseite
Die Hälfte eines Kühlsystems senkt den Druck und die Temperatur des Kältemittels. Dieser Teil des Systems wird oft als Niederdruckseite bezeichnet und konzentriert sich auf den Prozess der Verdampfung (bei dem Flüssigkeit in den Gaszustand übergeht).
Die andere Hälfte eines Kühlsystems erhöht den Druck und die Temperatur des Kältemittels. Dieser Teil des Systems wird oft als Hochdruckseite bezeichnet und konzentriert sich auf den Prozess der Kondensation (bei dem Gas in den Flüssigkeitszustand übergeht).
Ein Kühlsystem ist ein geschlossenes System und erfordert ein Kältemittel, das in sicherer und effizienter Weise wiederholt den Zustand/die Phase ändert. Alle Kühlsysteme bestehen aus fünf Hauptkomponenten: einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einem Thermostat.
Kühlschrankteile
Kühlsystemkomponenten
Eine logische Betrachtungsweise eines Kühlsystems ist, am Punkt zu beginnen, an dem das Kältemittel in flüssigem Zustand ist, und dann das Kältemittel durch das System zu verfolgen, während es Zustand, Druck und Temperatur ändert. Beachten Sie, dass das Kältemittel während des Kühlzyklus verdampft und kondensiert und dass dies dazu führt, dass das Kältemittel Wärme aufnimmt oder abgibt (Verdampfung bzw. Kondensation).
Kühlsystem
Expansionsventil oder Kapillarrohr
Ein Expansionsventil oder Kapillarrohr markiert den Beginn der Niederdruckseite des Kühlsystems und ist der Punkt, an dem das Kältemittel vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht. Kleine Kühlsysteme verwenden Kapillarrohre, während größere Einheiten Expansionsventile verwenden.
Kapillarrohre werden durch mehrmaliges Wickeln von Kupferrohren zu einem spiralförmigen Zylinder geformt; ihr Design ist einfach, daher wird sich dieser Artikel auf das Expansionsventil und seine Funktionsweise konzentrieren. Unabhängig davon, welches Design verwendet wird, ist der Zweck von Kapillarrohren und Expansionsventilen derselbe, nämlich Druck- und Temperaturreduktion.
Ein Expansionsventil reguliert, wie viel Kältemittel an den Verdampfer abgegeben wird. Kältemittel, das durch das Expansionsventil strömt, erfährt einen erheblichen Druck- und Temperaturabfall. Um dies zu erreichen, hat das Ventil einen Einlass, einen Auslass und das Ventilinnere (Trim), das dazwischen installiert ist.
- Der Einlass lässt heißes, unter Druck stehendes flüssiges Kältemittel aus dem Kondensator ein.
- Der Zweck des Ventils besteht darin, zu regulieren (drosseln), wie viel Kältemittel durch das Ventil fließt. Das Volumen des Kältemittels, das durch das Ventil strömt, hängt vom Druckgleichgewicht ab, das auf eine Membran im Ventil wirkt. Typischerweise drückt Gas aus einem Fühler auf die Oberseite der Membran und öffnet das Ventil, während der Druck aus dem Verdampfer und eine einstellbare Druckfeder am unteren Ende des Ventils auf die Unterseite der Membran wirken und das Ventil schließen. Der Fühler bildet einen Regelkreis, der den Durchfluss durch das Ventil basierend auf dem Systemdruck nach dem Verdampfer automatisch reguliert. Beachten Sie, dass die Positionen des Fühlers und der Feder im Ventil vertauscht sein können.
- Der Auslass gibt einen Sprühstrahl aus kaltem, niedrigem Druck, kochendem Flüssig-Dampf-Kältemittel in den Verdampfer ab.
Thermostatisches Expansionsventil
Die meisten Kühlschränke verwenden einen Fühler, der mit Gas gefüllt ist, um ein Signal zu erzeugen, ob mehr oder weniger Kühlung erforderlich ist. Wenn der Fühler heißer ist als die gewünschte Temperatur, dehnt sich das Gas im Fühler aus, was dazu führt, dass Druck auf die Membran des thermostatischen Expansionsventils ausgeübt wird, was das Ventil öffnet und mehr Kältemittel zum Verdampfer fließt (dadurch wird mehr Kühlung und eine niedrigere Temperatur erreicht).
Sobald der Verdampfer genügend Wärme abgeführt und die gewünschte Temperatur wiederhergestellt hat, zieht sich das Gas im Kapillarrohr zusammen, was dazu führt, dass sich das thermostatische Expansionsventil in Richtung der geschlossenen Position bewegt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Expansionsventil flüssiges Kältemittel aus dem Kondensator erhält und dann seinen Druck senkt, was zu einem entsprechenden Temperaturabfall führt. Der niedrigere Druck führt dazu, dass das Kältemittel kocht und zu Dampf wird. Das Kältemittel hat seine kälteste Temperatur, wenn es das Expansionsventil verlässt. Ein Fühler sendet ein Signal an das thermostatische Expansionsventil und dieses Signal wird in eine lineare Bewegung der Membran umgewandelt, was dazu führt, dass das Ventil den Durchfluss reguliert (den Durchfluss drosselt).
Verdampfer
Der Verdampfer ist das, was das Innere der Gefrier- und Kühlschrankfächer eines Kühlschranks kalt macht. Wenn der kalte, niederdruckige Dampf aus dem Expansionsventil durch die Verdampferrohre strömt, ziehen die kalten Rohre Wärme aus der Umgebung an und absorbieren sie. Ein Lüfter ist in größeren Kühlschränken installiert, um Luft über die Verdampferrohre zu leiten und so die Wärmeübertragungsrate zwischen den Rohren und der Umgebung zu erhöhen.
Kompressor
Der Kompressor wird als das Herz des Kühlzyklus eines Kühlschranks und der Beginn der Hochdruckseite des Systems betrachtet. Er ist das Gegenstück zum Expansionsventil, da das Kältemittel am kältesten und niedrigsten Druck ist, wenn es das Expansionsventil verlässt, und am heißesten und höchsten Druck, wenn es den Kompressor verlässt.
Kompressoren gibt es in kolbenförmigen (am häufigsten), rotierenden und zentrifugalen Designs, aber unabhängig von ihrem Design besteht der Zweck eines Kompressors darin, den Druck des Kältemittels zu erhöhen. Kompressoren erreichen dies, indem sie Kältemittel aus dem Verdampfer ansaugen/ziehen, dann den Druck des Dampfes erhöhen und ihn an einen Kondensator abgeben. Die Kompression des Dampfes führt zu einem Temperaturanstieg. Der Durchfluss durch das Kühlsystem wird durch den Druckunterschied (ΔP) verursacht, der vom Kompressor erzeugt wird.
Kondensator
In kleinen Kühlschränken ist der Kondensator normalerweise eine Reihe von Rohren oder eine Spule, und das Kühlmittel ist Luft. In größeren Kühlanlagen ist der Kondensator normalerweise ein Rohrbündel-Wärmetauscher, wobei das Kältemittel durch die Rohre (Rohrseite) und das Kühlwasser um die Rohre (Schalenseite) fließt; Kühlwasser ist das Kühlmittel.
Moderner industrieller Kühlkühler
Der Zweck des Kondensators besteht darin, das heiße Kältemitteldampf zu kühlen (Wärme zu entfernen), damit es in den flüssigen Zustand übergeht. Bei kleinen Kühlschränken und Gefriergeräten ist der Kondensator typischerweise auf der Rückseite des Gehäuses installiert. Die Länge und Biegungskonfigurationen des Kondensators sind so ausgelegt, dass Wärme abgeführt wird, während sichergestellt wird, dass das Kältemittel genügend Zeit zum Abkühlen hat. Wie Verdampfer können luftgekühlte Kondensatoren einen Axiallüfter verwenden, um die Wärmeübertragungsrate zwischen Luft und Kältemittel zu erhöhen.
Flüssiges Kältemittel aus dem Kondensator wird an das/die Expansionsventil(e) abgegeben, wodurch der Kältemittelkreislauf geschlossen wird.
Thermostat
Ein Thermostat wird verwendet, um die tatsächliche Temperatur im gekühlten Raum zu messen und mit der gewünschten Temperatur zu vergleichen. Thermostate können mechanische oder elektronische Signale verwenden, je nachdem, wie komplex das Kühlsystem ist.
Der Hauptzweck eines Thermostats besteht darin, sicherzustellen, dass die gewünschte Temperatur aufrechterhalten wird. Dies wird erreicht, indem ein Signal an den Kompressor gesendet wird, um ihn zu starten oder zu stoppen, wenn die Temperatur zu hoch oder zu niedrig ist.
Systeme, die nur auf elektronische Signale angewiesen sind, haben zugehörige Relais, die den/die Kompressor(en) starten und stoppen. Systeme, die elektromechanische Signale verwenden, verwenden normalerweise bimetallische Streifen, um den Kompressor zu starten und zu stoppen.
Temperatur, Druck und Sättigungspunkt
Um festzustellen, ob ein Kühlsystem ordnungsgemäß funktioniert, werden Temperatur- und Druckmessungen als Schlüsselindikatoren für den Sättigungsgrad eines Kältemittels verwendet.
Der Sättigungspunkt ist auch als Siedepunkt bekannt, es ist der Punkt, an dem die Flüssigkeit keine weitere thermische Energie speichern kann, ohne den Zustand zu ändern. Es gibt oft Verwirrung über den Sättigungspunkt, die folgenden Definitionen sollten Ihnen helfen, das Thema besser zu verstehen.
- Die Sättigungstemperatur ist die Temperatur, bei der Flüssigkeit kocht und in den Dampfzustand übergeht.
- Der Sättigungsdruck ist der Druck, bei dem Flüssigkeit kocht und in den Dampfzustand übergeht.
- Dampf ist Gas, das einige Flüssigkeitströpfchen enthält, weitere Erwärmung des Dampfes führt dazu, dass der Dampf zu einem Gas wird.
Wenn der Systemdruck steigt, steigt auch die Sättigungstemperatur, d.h. der Punkt, an dem die Flüssigkeit beginnt, in Dampf überzugehen. Zum Beispiel wird frisches/süßes Wasser bei einer Temperatur unter 100°C (212°F) kochen, wenn der Druck niedriger als der atmosphärische Druck ist (1 bar, 14,5 psi). Ebenso wird frisches Wasser bei einem Druck von 100 bar (145 psi) erst bei einer viel höheren Temperatur als 100°C (212°F) zu kochen beginnen. Durch die Steuerung des Systemdrucks ist es daher möglich, die Sättigungstemperatur des Kältemittels zu steuern und entsprechend seinen Zustand an verschiedenen Punkten im System.
Siedepunkt basierend auf Druck und Temperatur
Die Sättigungstemperatur- und Druckmessungen sind besonders wichtig für den Verdampfer und den Kondensator, da das Kältemittel die Sättigungstemperatur erreichen muss, um zu verdampfen oder zu kondensieren.
Temperatur-, Druck- und Sättigungstemperaturbeziehungen sind in Kühltemperatur-Druck-Diagrammen angegeben. Da jeder Kältemitteltyp unterschiedliche Eigenschaften hat (unterschiedliche Sättigungstemperatur usw.), muss das richtige Diagramm für das richtige Kältemittel ausgewählt werden.
3D-Modell Details
Dieses 3D-Modell stellt einen typischen Haushaltskühlschrank dar. Die Erfindung von Kühlschränken hat den Verlauf der menschlichen Entwicklung massiv verändert. Es ist jetzt möglich, Lebensmittel Monate vor dem Verzehr zu lagern, und dies hat die Menschheit von den Knappheits- und Überflusszyklen befreit, die mit dem Wechsel der Jahreszeiten verbunden sind. Darüber hinaus ist es jetzt möglich, Lebensmittel über beträchtliche Entfernungen vor dem Verzehr zu transportieren; dies hat große Bevölkerungsansammlungen in Gebieten ermöglicht, die traditionell eine so große Bevölkerung nicht hätten unterstützen können. Das 3D-Modell zeigt:
- Kompressor
- Verdampfer
- Kondensator
- Expansionsrohr (Kapillarrohr)
Jede der Hauptkomponenten des Kühlschranks wurde hervorgehoben, um das Verständnis zu erleichtern.
Referenzen
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