Холодильник , обычно холодильник , представляет собой коммерческий и бытовой прибор , состоящий из теплоизолированного отсека и теплового насоса (механического, электронного или химического), который переносит тепло изнутри во внешнюю среду, так что его внутренняя часть охлаждается до температуры ниже комнатной. [1] Охлаждение является важным методом хранения продуктов питания во всем мире. [2] Низкая температура снижает скорость размножения бактерий , поэтому холодильник снижает скорость порчи . Холодильник поддерживает температуру на несколько градусов выше точки замерзания воды. Оптимальный диапазон температур для хранения скоропортящихся продуктов составляет от 3 до 5 °C (от 37 до 41 °F). [3] Морозильник — это специализированный холодильник или часть холодильника, который поддерживает температуру своего содержимого ниже точки замерзания воды. [4] Холодильник заменил ледник , который был обычным бытовым прибором на протяжении почти полутора столетий. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США рекомендует поддерживать температуру в холодильнике на уровне 4 °C (40 °F) или ниже, а в морозильной камере — на уровне −18 °C (0 °F). [5]
Первые системы охлаждения продуктов питания включали лед. [6] Искусственное охлаждение началось в середине 1750-х годов и развивалось в начале 1800-х годов. [7] В 1834 году была построена первая рабочая парокомпрессионная холодильная система , использующая ту же технологию, что и в кондиционерах . [8] Первая коммерческая машина для приготовления льда была изобретена в 1854 году. [9] В 1913 году были изобретены холодильники для домашнего использования. [10] В 1923 году Frigidaire представила первый автономный блок. Появление фреона в 1920-х годах расширило рынок холодильников в 1930-х годах. Домашние морозильники как отдельные отсеки (больше, чем необходимо, только для кубиков льда) были представлены в 1940 году. Замороженные продукты , ранее являвшиеся предметом роскоши, стали обычным явлением.
Морозильные установки используются в домашних хозяйствах, а также в промышленности и торговле. Коммерческие холодильники и морозильные установки использовались почти 40 лет до появления обычных домашних моделей. Стиль морозильника над холодильником был основным стилем с 1940-х годов, пока современные холодильники side-by-side не сломали эту тенденцию. Цикл компрессии пара используется в большинстве бытовых холодильников, холодильников-морозильников и морозильников. Более новые холодильники могут включать автоматическое размораживание , охлажденную воду и лед из дозатора в дверце.
Бытовые холодильники и морозильники для хранения продуктов питания производятся в различных размерах. Среди самых маленьких — холодильники типа Пельтье, предназначенные для охлаждения напитков. Большой бытовой холодильник имеет высоту с человека и может быть около одного метра (3 фута 3 дюйма) в ширину с вместимостью 0,6 м 3 (21 куб. фут). Холодильники и морозильники могут быть отдельно стоящими или встроенными в кухню. Холодильник позволяет современному домашнему хозяйству сохранять продукты свежими дольше, чем раньше. Морозильники позволяют людям покупать скоропортящиеся продукты оптом и есть их в свободное время, а также совершать оптовые закупки .
Древнее происхождение
Древние иранцы были одними из первых, кто изобрел форму охладителя, использующего принципы испарительного охлаждения и радиационного охлаждения, называемого яхчалами . Эти комплексы использовали подземные хранилища, большую толстоизолированную надземную купольную конструкцию и были оснащены бадгирами (ловцами ветра) и серией кяризов (акведуков). [ необходима цитата ] [11]
Доэлектрическое охлаждение
В наше время, до изобретения современного электрического холодильника, ледники и ящики для льда использовались для обеспечения прохладного хранения в течение большей части года. Расположенные около пресноводных озер или набитые снегом и льдом зимой, они когда-то были очень распространены. Естественные средства по-прежнему используются для охлаждения продуктов сегодня. На склонах гор стоки от тающего снега являются удобным способом охлаждения напитков, а зимой можно сохранять молоко свежим гораздо дольше, просто держа его на открытом воздухе. Слово «холодильный» использовалось по крайней мере еще в 17 веке. [12]
Искусственное охлаждение
История искусственного охлаждения началась, когда шотландский профессор Уильям Каллен сконструировал небольшую холодильную машину в 1755 году. Каллен использовал насос для создания частичного вакуума над емкостью с диэтиловым эфиром , который затем кипел , поглощая тепло из окружающего воздуха. [13] В ходе эксперимента даже было создано небольшое количество льда, но в то время он не имел практического применения.
В 1805 году американский изобретатель Оливер Эванс описал замкнутый парокомпрессионный холодильный цикл для производства льда с помощью эфира в вакууме. В 1820 году британский ученый Майкл Фарадей сжижал аммиак и другие газы, используя высокое давление и низкие температуры, а в 1834 году американский эмигрант в Великобритании Джейкоб Перкинс построил первую рабочую парокомпрессионную холодильную систему. Это было устройство замкнутого цикла, которое могло работать непрерывно. [14] Подобная попытка была предпринята в 1842 году американским врачом Джоном Горри , [15] который построил рабочий прототип, но он потерпел коммерческую неудачу. Американский инженер Александр Твининг получил британский патент в 1850 году на парокомпрессионную систему, которая использовала эфир.
Первая практическая система охлаждения с компрессией пара была построена Джеймсом Харрисоном , шотландцем-австралийцем. Его патент 1856 года был на систему сжатия пара с использованием эфира, спирта или аммиака. Он построил механическую машину для производства льда в 1851 году на берегу реки Барвон в Роки-Пойнт в Джилонге , штат Виктория , а его первая коммерческая машина для производства льда появилась в 1854 году. Харрисон также внедрил коммерческое охлаждение с компрессией пара на пивоваренных заводах и мясокомбинатах, и к 1861 году дюжина его систем уже работала.
Первая система газового абсорбционного охлаждения (без компрессора и с питанием от источника тепла) была разработана французом Эдуардом Туссеном в 1859 году и запатентована в 1860 году. В ней использовался газообразный аммиак, растворенный в воде («водная аммиак»).
Карл фон Линде , профессор инженерии Мюнхенского технологического университета в Германии, запатентовал усовершенствованный метод сжижения газов в 1876 году, создав первый надежный и эффективный холодильник на сжатом аммиаке. [16] Его новый процесс сделал возможным использование таких газов, как аммиак (NH3 ) , диоксид серы (SO2 ) и метилхлорид (CH3Cl ) в качестве хладагентов, которые широко применялись для этой цели до конца 1920-х годов, несмотря на проблемы безопасности. [17] В 1895 году он открыл холодильный цикл .
В 1894 году венгерский изобретатель и промышленник Иштван Рёк начал производство большого промышленного аммиачного холодильника, который работал от электрических компрессоров (совместно с Esslingen Machine Works). Его электрические компрессоры были изготовлены Ganz Works . На выставке тысячелетия 1896 года Röck и Esslingen Machine Works представили установку по производству искусственного льда производительностью 6 тонн. В 1906 году на улице Тота Кальмана в Будапеште открылся первый большой венгерский холодильный склад (емкостью 3000 тонн, крупнейший в Европе), машина была изготовлена Ganz Works . До национализации после Второй мировой войны крупномасштабное производство промышленных холодильников в Венгрии находилось в руках Röck и Ganz Works. [18]
Коммерческие холодильники и морозильники, которые имеют много других названий, использовались почти 40 лет до обычных домашних моделей. Они использовали газовые системы, такие как аммиак (R-717) или диоксид серы (R-764), которые иногда протекали, что делало их небезопасными для домашнего использования. Практичные бытовые холодильники были представлены в 1915 году и получили более широкое распространение в Соединенных Штатах в 1930-х годах, когда цены упали и были введены нетоксичные, негорючие синтетические хладагенты, такие как фреон-12 (R-12). Однако R-12 оказался вредным для озонового слоя , в результате чего правительства в 1994 году наложили запрет на его использование в новых холодильниках и системах кондиционирования воздуха. Менее вредная замена R-12, R-134a (тетрафторэтан), широко используется с 1990 года, но R-12 все еще встречается во многих старых системах.
Постоянно работающее охлаждение обычно потребляет до 50% энергии, используемой супермаркетом. Двери, сделанные из стекла, чтобы можно было осмотреть содержимое, значительно повышают эффективность по сравнению с открытыми витринами, которые потребляют в 1,3 раза больше энергии. [19]
В 1913 году первые электрические холодильники для домашнего и бытового использования были изобретены и произведены Фредом В. Вулфом из Форт-Уэйна, штат Индиана, с моделями, состоящими из блока, который устанавливался наверху ледника. [20] [21] Его первое устройство, произведенное в течение следующих нескольких лет в количестве нескольких сотен единиц, называлось DOMELRE . [22] [23] В 1914 году инженер Натаниэль Б. Уэйлс из Детройта, штат Мичиган, представил идею практичного электрического холодильного агрегата, который позже стал основой для Kelvinator . Автономный холодильник с компрессором на дне корпуса был изобретен Альфредом Меллоузом в 1916 году. Mellowes производил этот холодильник на коммерческой основе, но был выкуплен Уильямом К. Дюрантом в 1918 году, который основал компанию Frigidaire для массового производства холодильников. В 1918 году компания Kelvinator представила первый холодильник с каким-либо типом автоматического управления. Абсорбционный холодильник был изобретен Бальтзаром фон Платеном и Карлом Мунтерсом из Швеции в 1922 году, когда они еще были студентами Королевского технологического института в Стокгольме. Он стал всемирно успешным и был коммерциализирован компанией Electrolux . Другими пионерами были Шарль Телье , Дэвид Бойль и Рауль Пикте . Карл фон Линде был первым, кто запатентовал и создал практичный и компактный холодильник.
Эти домашние устройства обычно требовали установки механических частей, двигателя и компрессора, в подвале или смежной комнате, в то время как холодильная камера располагалась на кухне. Была модель 1922 года, которая состояла из деревянной холодильной камеры, компрессора с водяным охлаждением , лотка для кубиков льда и отсека объемом 0,25 куб. м (9 куб. футов), и стоила 714 долларов. ( Model-T Ford 1922 года стоил около 476 долларов.) К 1923 году Kelvinator удерживал 80 процентов рынка электрических холодильников. Также в 1923 году Frigidaire представил первый автономный блок. Примерно в это же время начали появляться покрытые фарфором металлические шкафы. Лотки для кубиков льда появлялись все чаще в 1920-х годах; до этого времени замораживание не было вспомогательной функцией современного холодильника.
Первым холодильником, получившим широкое распространение, был холодильник General Electric "Monitor-Top", представленный в 1927 году, так называемый общественностью из-за его сходства с орудийной башней на броненосце USS Monitor 1860-х годов. [25] Компрессорный узел, который выделял много тепла, был размещен над шкафом и окружен декоративным кольцом. Было произведено более миллиона единиц. В качестве охлаждающей среды эти холодильники использовали либо диоксид серы , который разъедает глаза и может вызвать потерю зрения, болезненные ожоги и поражения кожи, либо метилформиат , который легко воспламеняется, вреден для глаз и токсичен при вдыхании или проглатывании. [26]
Введение фреона в 1920-х годах расширило рынок холодильников в 1930-х годах и предоставило более безопасную, малотоксичную альтернативу ранее используемым хладагентам. Отдельные морозильники стали обычным явлением в 1940-х годах; термин для этого устройства, популярный в то время, был « глубокая заморозка» . Эти устройства, или приборы , не поступали в массовое производство для использования в домашних условиях до окончания Второй мировой войны. [27] В 1950-х и 1960-х годах были достигнуты такие технические успехи, как автоматическое размораживание и автоматическое производство льда. Более эффективные холодильники были разработаны в 1970-х и 1980-х годах, хотя экологические проблемы привели к запрету очень эффективных (фреоновых) хладагентов. Ранние модели холодильников (с 1916 года) имели холодное отделение для лотков для кубиков льда. С конца 1920-х годов свежие овощи успешно перерабатывались методом заморозки компанией Postum Company (предшественницей General Foods ), которая приобрела эту технологию, купив права на успешные методы заморозки свежих овощей Кларенса Бердсай .
Большинство холодильников были белыми в начале 1950-х годов, но между серединой 1950-х годов и настоящим временем производители и дизайнеры добавили цвет. Пастельные цвета, такие как розовый и бирюзовый, приобрели популярность в конце 1950-х и начале 1960-х годов. Некоторые версии также имели матовое хромированное покрытие, похожее на внешний вид нержавеющей стали. Во второй половине 1960-х и начале 1970-х годов были популярны цвета землистых тонов , включая Harvest Gold , Avocado Green и Mind. В 1980-х годах черный стал модным. В конце 1990-х годов в моду вошла нержавеющая сталь . С 1961 года Color Marketing Group пыталась скоординировать цвета бытовой техники и других потребительских товаров.
Морозильные установки используются в домашних хозяйствах, промышленности и торговле. Продукты, хранящиеся при температуре −18 °C (0 °F) или ниже, безопасны неограниченное время. [28] Большинство бытовых морозильников поддерживают температуру от −23 до −18 °C (−9 до 0 °F), хотя некоторые морозильные установки могут достигать −34 °C (−29 °F) и ниже. Морозильные камеры холодильников, как правило, не достигают температуры ниже −23 °C (−9 °F), поскольку один и тот же контур охлаждения обслуживает оба отделения: чрезмерное понижение температуры морозильной камеры вызывает трудности в поддержании температуры выше точки замерзания в холодильной камере. Бытовые морозильные камеры могут быть включены в качестве отдельного отделения в холодильник или могут быть отдельным прибором. Бытовые морозильные камеры могут быть либо вертикальными, напоминающими холодильник, либо морозильными ларьками , шире, чем выше, с крышкой или дверцей наверху, жертвуя удобством ради эффективности и частичной защищенности от отключений электроэнергии. [29] Многие современные вертикальные морозильники оснащены встроенным в дверцу дозатором льда. Некоторые высококлассные модели включают в себя дисплеи термостата и элементы управления.
Домашние морозильники в виде отдельных отделений (больше, чем необходимо для хранения кубиков льда) или в виде отдельных блоков появились в Соединенных Штатах в 1940 году. Замороженные продукты, ранее являвшиеся предметом роскоши, стали обычным явлением.
В 1955 году в продажу поступил бытовой морозильник, который был достаточно холодным, чтобы позволить владельцам замораживать свежие продукты самостоятельно, а не покупать уже замороженные с помощью технологии Кларенса Бердсай. [30] [31]
Существуют морозильные камеры, как следует из названия, они позволяют заходить в морозильную камеру. Правила безопасности требуют аварийного отключения, и работодатели должны убедиться, что никто не окажется в ловушке внутри, когда блокировка будет закрыта, поскольку возможна гипотермия , если человек находится в морозильной камере в течение длительного времени. [32]
Парокомпрессионный цикл используется в большинстве бытовых холодильников, холодильников-морозильников и морозильников. В этом цикле циркулирующий хладагент, такой как R134a, поступает в компрессор в виде пара низкого давления при температуре внутри холодильника или немного ниже. Пар сжимается и выходит из компрессора в виде перегретого пара высокого давления. Перегретый пар проходит под давлением через змеевики или трубки, из которых состоит конденсатор ; змеевики или трубки пассивно охлаждаются под воздействием воздуха в помещении. Конденсатор охлаждает пар, который сжижается. Когда хладагент выходит из конденсатора, он все еще находится под давлением, но теперь лишь немного выше комнатной температуры. Этот жидкий хладагент проталкивается через дозирующее или дроссельное устройство, также известное как расширительный клапан (по сути, сужение размером с точечное отверстие в трубке) в область с гораздо более низким давлением. Внезапное падение давления приводит к взрывоподобному мгновенному испарению части (обычно около половины) жидкости. Скрытое тепло, поглощаемое этим мгновенным испарением, в основном извлекается из соседнего все еще жидкого хладагента, явление, известное как самоохлаждение . Этот холодный и частично испаренный хладагент продолжает проходить через змеевики или трубки испарительного блока. Вентилятор продувает воздух из отсека («воздух коробки») через эти змеевики или трубки, и хладагент полностью испаряется, извлекая дополнительное скрытое тепло из воздуха коробки. Этот охлажденный воздух возвращается в холодильную или морозильную камеру и, таким образом, сохраняет воздух коробки холодным. Обратите внимание, что холодный воздух в холодильнике или морозильной камере все еще теплее хладагента в испарителе. Хладагент покидает испаритель, теперь полностью испаренный и слегка нагретый, и возвращается на вход компрессора, чтобы продолжить цикл.
Современные бытовые холодильники чрезвычайно надежны, поскольку двигатель и компрессор объединены в сварном контейнере, «герметичном блоке», что значительно снижает вероятность утечки или загрязнения. Для сравнения, внешние холодильные компрессоры, такие как те, что используются в автомобильных кондиционерах, неизбежно пропускают жидкость и смазку через уплотнения вала. Это приводит к необходимости периодической подзарядки и, если это игнорировать, к возможному отказу компрессора.
Холодильники с двумя отделениями нуждаются в специальной конструкции для управления охлаждением холодильных или морозильных камер. Обычно компрессоры и конденсаторные змеевики устанавливаются в верхней части шкафа, а один вентилятор охлаждает их обе. Такая компоновка имеет несколько недостатков: каждое отделение не может управляться независимо, а более влажный воздух холодильника смешивается с сухим воздухом морозильной камеры. [33]
Несколько производителей предлагают модели с двумя компрессорами. Эти модели имеют отдельные морозильные и холодильные отделения, которые работают независимо друг от друга, иногда монтируются в одном шкафу. Каждая модель имеет свой собственный отдельный компрессор, конденсатор и испаритель, изоляцию, термостат и дверь. [ необходима цитата ]
Гибрид между двумя конструкциями использует отдельный вентилятор для каждого отсека, подход Dual Fan. Это позволяет осуществлять раздельное управление и поток воздуха в одной компрессорной системе. [ необходима цитата ]
Абсорбционный холодильник работает иначе, чем компрессорный холодильник, используя источник тепла , такой как сжигание сжиженного нефтяного газа , солнечную тепловую энергию или электрический нагревательный элемент. Эти источники тепла намного тише, чем двигатель компрессора в типичном холодильнике. Вентилятор или насос могут быть единственными механическими движущимися частями; зависимость от конвекции считается непрактичной.
Другие применения абсорбционного холодильника (или «чиллера») включают большие системы, используемые в офисных зданиях или комплексах, таких как больницы и университеты. Эти большие системы используются для охлаждения рассола, который циркулирует по зданию.
Эффект Пельтье использует электричество для прямой перекачки тепла; холодильники, использующие эту систему, иногда используются для кемпинга или в ситуациях, когда шум недопустим. Они могут быть абсолютно бесшумными (если не установлен вентилятор для циркуляции воздуха), но менее энергоэффективны, чем другие методы.
Морозильники «ультрахолодные» или « ультранизкотемпературные (ULT) » (обычно −80 или −86 °C [−112 или −123 °F]), используемые для хранения биологических образцов, также обычно используют две ступени охлаждения, но каскадно . На ступени с более низкой температурой в качестве хладагента используется метан или аналогичный газ, а его конденсатор поддерживается на уровне около −40 °C с помощью второй ступени, которая использует более обычный хладагент.
Для гораздо более низких температур лаборатории обычно покупают жидкий азот (−196 °C [−320,8 °F]), хранящийся в сосуде Дьюара , в котором взвешены образцы. Криогенные морозильные лари могут достигать температур до −150 °C (−238 °F) и могут включать резервный жидкий азот.
Альтернативы парокомпрессионному циклу, не находящиеся в настоящее время в массовом производстве, включают:
Во многих современных холодильниках/морозильниках морозильник находится сверху, а холодильник — снизу. Большинство холодильников-морозильников, за исключением моделей с ручным размораживанием или более дешевых устройств, используют то, что выглядит как два термостата. Только холодильная камера надлежащим образом контролируется по температуре. Когда холодильник становится слишком теплым, термостат запускает процесс охлаждения, а вентилятор циркулирует воздух вокруг морозильника. В это время холодильник также становится холоднее. Ручка управления морозильником контролирует только количество воздуха, которое поступает в холодильник через систему заслонок. [35] Изменение температуры холодильника непреднамеренно изменит температуру морозильника в противоположном направлении. [ нужна цитата ] Изменение температуры морозильника не повлияет на температуру холодильника. Управление морозильником также можно отрегулировать, чтобы компенсировать любую регулировку холодильника. [ нужна цитата ]
Это означает, что холодильник может стать слишком теплым. Однако, поскольку в холодильную камеру подается только достаточное количество воздуха, морозильник обычно быстро восстанавливает заданную температуру, если только дверь не открыта. Когда открывается дверь, как в холодильнике, так и в морозильнике, вентилятор в некоторых блоках немедленно останавливается, чтобы предотвратить чрезмерное образование инея на испарителе морозильника, поскольку этот змеевик охлаждает две области. Когда морозильник достигает температуры, блок выключается, независимо от температуры холодильника. Современные компьютеризированные холодильники не используют систему заслонок. Компьютер управляет скоростью вентилятора для обоих отсеков, хотя воздух все еще выдувается из морозильника. [ необходима цитата ]
Новые холодильники могут включать в себя:
Эти старые морозильные камеры были основным охлаждающим элементом холодильника и поддерживали температуру всего около -6 °C (21 °F), что подходит для хранения продуктов в течение недели.
Более поздние разработки включали автоматические установки для приготовления льда и морозильные установки с самостоятельным разделением на отсеки.
Бытовые холодильники и морозильники для хранения продуктов питания производятся в различных размерах. Среди самых маленьких — 4-литровый (0,14 куб. фута) холодильник Пельтье, который, как утверждается, может вместить 6 банок пива. Большой бытовой холодильник высотой с человека и шириной может быть около 1 метра (3,3 фута) с вместимостью 600 литров (21 куб. фут). Некоторые модели для небольших домохозяйств помещаются под кухонными рабочими поверхностями, обычно высотой около 86 сантиметров (34 дюйма). Холодильники могут быть объединены с морозильниками, либо смонтированы с холодильником или морозильником сверху, снизу или бок о бок. Холодильник без отделения для хранения замороженных продуктов может иметь небольшую секцию только для приготовления кубиков льда. Морозильники могут иметь ящики для хранения продуктов или не иметь отделений (морозильные лари).
Холодильники и морозильники могут быть отдельно стоящими или встроенными в кухонный шкаф.
Распространены три различных класса холодильников:
Для охлаждения могут использоваться и другие специализированные механизмы, но они не применяются в бытовых или коммерческих холодильниках.
В доме без кондиционирования воздуха (отопления и/или охлаждения помещения) холодильники потребляют больше энергии, чем любые другие домашние приборы. [38] В начале 1990-х годов среди основных производителей США был проведен конкурс по поощрению энергоэффективности. [39] Современные модели США, имеющие сертификат Energy Star, потребляют на 50% меньше энергии, чем средняя модель 1074 года. [40] Самый энергоэффективный блок, произведенный в США, потребляет около половины киловатт-часа в день (что эквивалентно 20 Вт непрерывно). [41] Но даже обычные блоки достаточно эффективны; некоторые меньшие блоки потребляют менее 0,2 кВт·ч в день (что эквивалентно 8 Вт непрерывно). Более крупные блоки, особенно с большими морозильными камерами и ледогенераторами, могут потреблять до 4 кВт·ч в день (что эквивалентно 170 Вт непрерывно). Европейский союз использует обязательную маркировку рейтинга энергоэффективности на основе букв , где A является наиболее эффективным вместо Energy Star.
Для холодильников США Консорциум по энергоэффективности (CEE) дополнительно различает холодильники, имеющие сертификат Energy Star. Холодильники уровня 1 — это те, которые на 20–24,9 % эффективнее минимальных федеральных стандартов, установленных Национальным законом об энергосбережении бытовой техники (NAECA). Холодильники уровня 2 — это те, которые на 25–29,9 % эффективнее. Уровень 3 — это самая высокая квалификация для тех холодильников, которые по крайней мере на 30 % эффективнее федеральных стандартов. [42] Около 82 % холодильников, имеющих сертификат Energy Star, имеют сертификат Tier 1, 13 % — Tier 2 и всего 5 % — Tier 3. [ требуется ссылка ]
Помимо стандартного типа компрессорного охлаждения, используемого в обычных бытовых холодильниках и морозильниках, существуют такие технологии, как абсорбционное и магнитное охлаждение . Хотя эти конструкции обычно потребляют гораздо больше энергии, чем компрессорное охлаждение, другие качества, такие как бесшумная работа или возможность использования газа, могут благоприятствовать их использованию в небольших корпусах, мобильной среде или в средах, где отказ охлаждения не должен быть возможным. [ необходима цитата ]
Многие холодильники, произведенные в 1930-х и 1940-х годах, были намного эффективнее большинства тех, что были произведены позже. Это отчасти связано с функциями, добавленными позже, такими как автоматическое размораживание, которые снизили эффективность. Кроме того, после Второй мировой войны стиль холодильника стал важнее эффективности. Это было особенно актуально в США в 1970-х годах, когда стали популярны модели side-by-side (известные как американские холодильники-морозильники за пределами США) с дозаторами льда и охладителями воды. Количество используемой изоляции также часто уменьшалось, чтобы уменьшить размер корпуса холодильника и производственные затраты. [ необходима цитата ]
Со временем стандарты энергоэффективности холодильников были введены и ужесточены, что привело к постоянному улучшению; холодильники 21-го века, как правило, в три раза более энергоэффективны, чем в 1930-х годах. [43] [44]
Эффективность старых холодильников можно повысить путем регулярного размораживания (если устройство имеет ручное размораживание) и чистки, замены изношенных уплотнителей дверей на новые, не устанавливая термостат на более низкую температуру, чем требуется (холодильник обычно не должен быть холоднее 4 °C (39 °F)), и замены изоляции, где это применимо. Очистка змеевиков конденсатора для удаления пыли, препятствующей тепловому потоку, и обеспечение пространства для потока воздуха вокруг конденсатора могут повысить эффективность.
Холодильники и морозильники без инея используют электрические вентиляторы для охлаждения соответствующего отсека. [45] Это можно назвать холодильником с «принудительным вентилятором», тогда как устройства с ручным размораживанием полагаются на более холодный воздух, находящийся внизу, по сравнению с теплым воздухом наверху, чтобы достичь адекватного охлаждения. Воздух втягивается через впускной воздуховод и проходит через испаритель, где он охлаждается, затем воздух циркулирует по всему шкафу через ряд воздуховодов и вентиляционных отверстий. Поскольку воздух, проходящий через испаритель, предположительно теплый и влажный, на испарителе начинает образовываться иней (особенно на испарителе морозильника). В более дешевых и/или старых моделях цикл размораживания контролируется с помощью механического таймера. Этот таймер настроен на отключение компрессора и вентилятора и включение нагревательного элемента, расположенного рядом или вокруг испарителя, примерно на 15–30 минут каждые 6–12 часов. Это растапливает любой иней или лед, и позволяет холодильнику снова работать в обычном режиме. Считается, что устройства без инея имеют меньшую устойчивость к инею из-за испарительных змеевиков, похожих на змеевики кондиционеров. Поэтому, если дверь случайно оставлена открытой (особенно морозильной камеры), система размораживания может не удалить весь иней, в этом случае морозильник (или холодильник) необходимо разморозить. [46]
Если система размораживания растапливает весь лед до окончания периода размораживания, то небольшое устройство (называемое ограничителем размораживания) действует как термостат и отключает нагревательный элемент, чтобы предотвратить слишком большие колебания температуры, оно также предотвращает горячие потоки воздуха, когда система снова запускается, если она заканчивает размораживание раньше времени. В некоторых ранних моделях без инея ограничитель размораживания также посылает сигнал таймеру размораживания, чтобы запустить компрессор и вентилятор, как только он отключает нагревательный элемент до окончания цикла размораживания. Когда цикл размораживания завершен, компрессор и вентилятор могут снова включиться. [46]
Холодильники без заморозки, включая некоторые ранние холодильники/морозильники без заморозки, которые использовали холодную пластину в холодильной секции вместо потока воздуха из морозильной секции, как правило, не отключают вентиляторы холодильника во время разморозки. Это позволяет потребителям оставлять продукты в основном отделении холодильника открытыми, а также помогает сохранять овощи влажными. Этот метод также помогает снизить потребление энергии, поскольку холодильник находится выше точки замерзания и может пропускать более теплый, чем замерзание, воздух через испаритель или холодную пластину, чтобы способствовать циклу разморозки. [ необходима цитата ]
С появлением цифровых инверторных компрессоров потребление энергии еще больше сократилось по сравнению с односкоростным асинхронным компрессором, и, таким образом, они вносят гораздо меньший вклад в выбросы парниковых газов. [47]
Потребление энергии холодильником также зависит от типа охлаждения, которое выполняется. Например, инверторные холодильники потребляют сравнительно меньше энергии, чем типичные неинверторные холодильники. В инверторном холодильнике компрессор используется условно по мере необходимости. Например, инверторный холодильник может потреблять меньше энергии зимой, чем летом. Это происходит потому, что компрессор работает в течение более короткого времени, чем летом.
Кроме того, более новые модели инверторных компрессорных холодильников учитывают различные внешние и внутренние условия для регулировки скорости компрессора и, таким образом, оптимизируют охлаждение и потребление энергии. Большинство из них используют не менее 4 датчиков, которые помогают обнаруживать отклонения внешней температуры, внутренней температуры из-за открытия дверцы холодильника или хранения новых продуктов внутри; влажности и моделей использования. В зависимости от входных сигналов датчика компрессор регулирует свою скорость. Например, если дверца открыта или сохранены новые продукты, датчик обнаруживает повышение температуры внутри кабины и подает сигнал компрессору увеличить свою скорость до тех пор, пока не будет достигнута заранее определенная температура. После этого компрессор работает на минимальной скорости, чтобы просто поддерживать внутреннюю температуру. Обычно компрессор работает от 1200 до 4500 об/мин. Инверторные компрессоры не только оптимизируют охлаждение, но и превосходят его с точки зрения долговечности и энергоэффективности. [48] Устройство потребляет максимальную энергию и подвергается максимальному износу при включении. Поскольку инверторный компрессор никогда не выключается сам и вместо этого работает на переменной скорости, он минимизирует износ и потребление энергии. LG сыграла значительную роль в улучшении инверторных компрессоров, какими мы их знаем, уменьшив точки трения в компрессоре и, таким образом, представив линейные инверторные компрессоры. Традиционно все бытовые холодильники используют возвратно-поступательный привод, который соединен с поршнем. Но в линейном инверторном компрессоре поршень, который является постоянным магнитом, подвешен между двумя электромагнитами. Переменный ток изменяет магнитные полюса электромагнита, что приводит к толчку и тяге, которые сжимают хладагент. LG утверждает, что это помогает снизить потребление энергии на 32% и шум на 25% по сравнению с их обычными компрессорами.
Физическая конструкция холодильников также играет большую роль в их энергоэффективности. Наиболее эффективным является морозильник в виде ларя, поскольку его конструкция с верхним открыванием минимизирует конвекцию при открытии дверей, уменьшая количество теплого влажного воздуха, попадающего в морозильник. С другой стороны, внутренние дозаторы льда вызывают большую утечку тепла, способствуя увеличению потребления энергии. [49]
Постепенное глобальное внедрение холодильников знаменует собой эпоху преобразований в сохранении продуктов питания и бытовом удобстве. С момента появления холодильников в 20 веке они превратились из предметов роскоши в повседневные товары, изменившие понимание практики хранения продуктов питания. Холодильники оказали значительное влияние на различные аспекты повседневной жизни многих людей, обеспечивая безопасность продуктов питания для людей по всему миру, охватывающих самые разные культурные и социально-экономические слои.
Глобальное внедрение холодильников также изменило то, как общества управляют своими запасами продовольствия. Внедрение холодильника в разных обществах привело к монетизации и индустриализации систем массового производства продуктов питания, которые обычно связаны с увеличением пищевых отходов, отходов животных и опасных химических отходов, прослеживаемых в различных экосистемах. Кроме того, холодильники также предоставили более простой способ доступа к еде для многих людей по всему миру, с множеством вариантов, которые коммерциализация продвигала, склоняясь к продуктам с низкой плотностью питательных веществ. [50]
После того, как потребительские холодильники стали финансово выгодными для производства и продажи в больших масштабах, их распространенность во всем мире значительно возросла. В Соединенных Штатах, по оценкам, 99,5% домохозяйств имеют холодильник. [51] Владение холодильником более распространено в развитых западных странах, но остается относительно низким в восточных и развивающихся странах, несмотря на его растущую популярность. Во всей Восточной Европе и на Ближнем Востоке только 80% населения владеют холодильниками. В дополнение к этому, как утверждается, 65% населения Китая имеют холодильники. Распределение потребительских холодильников также искажено, поскольку в городских районах наблюдается больший процент владения холодильниками по сравнению с сельскими районами. [52]
Торговля льдом была отраслью в 19-м и 20-м веках по сбору, транспортировке и продаже натурального и искусственного льда для целей охлаждения и потребления. Большая часть льда, используемого для торговли, собиралась в Северной Америке и перевозилась по всему миру, а некоторые более мелкие операции осуществлялись из Норвегии . [53] С появлением более доступного крупномасштабного и домашнего охлаждения около 1920-х годов необходимость в крупномасштабном сборе и транспортировке льда отпала, и впоследствии торговля льдом замедлилась и сократилась до более мелких местных услуг или вовсе исчезла. [54]
Холодильник позволяет домохозяйствам сохранять продукты свежими дольше, чем раньше. Наиболее заметное улучшение касается мяса и других скоропортящихся продуктов, которые ранее требовалось консервировать или иным образом обрабатывать для длительного хранения и транспортировки. [55] Это изменение в цепочках поставок продуктов питания привело к заметному повышению качества продуктов питания в районах, где использовалось охлаждение. Кроме того, увеличение свежести и срока годности продуктов питания, вызванное появлением охлаждения в дополнение к растущим глобальным методам коммуникации, привело к увеличению культурного обмена через продукты питания из разных регионов мира. Также были заявления, что это повышение качества продуктов питания является причиной увеличения роста граждан Соединенных Штатов примерно в начале 1900-х годов. [55]
Охлаждение также способствовало снижению качества продуктов питания в некоторых регионах. Частично допуская явление глобализации в продовольственном секторе, охлаждение сделало создание и транспортировку ультраобработанных продуктов и полуфабрикатов недорогими, что привело к их распространению, особенно в регионах с низким уровнем дохода. Эти регионы с ограниченным доступом к высококачественным продуктам питания называются « продовольственными пустынями» .
Морозильники позволяют людям покупать еду оптом и есть ее в свободное время, а оптовые закупки могут сэкономить деньги . Мороженое , популярный товар 20-го века, раньше можно было получить, только отправившись туда, где продукт был произведен, и съев его на месте. Теперь это обычный продукт питания. Лед по требованию не только добавляет удовольствия от холодных напитков, но и полезен для оказания первой помощи и для холодных пакетов, которые можно хранить замороженными для пикников или в случае чрезвычайной ситуации.
Емкость холодильника измеряется в литрах или кубических футах. Обычно объем комбинированного холодильника-морозильника делится на 1/3 или 1/4 объема, выделенного для морозильника, хотя эти значения сильно варьируются.
Температурные настройки для холодильных и морозильных камер часто задаются производителями произвольными числами (например, от 1 до 9, от самой теплой до самой холодной), но обычно для холодильной камеры идеально подходит температура от 3 до 5 °C (от 37 до 41 °F) [3] , а для морозильной — −18 °C (0 °F). Некоторые холодильники должны работать в определенных внешних температурных пределах, чтобы работать должным образом. Это может стать проблемой при размещении устройств в неотделанном помещении, например, в гараже.
Некоторые холодильники теперь разделены на четыре зоны для хранения различных видов продуктов:
Европейские морозильники и холодильники с морозильной камерой имеют четырехзвездочную систему оценки морозильников. [56]
Хотя и три, и четыре звезды указывают на одинаковое время хранения и одинаковую минимальную температуру −18 °C (0 °F), только морозильник с четырьмя звездами предназначен для замораживания свежих продуктов и может включать функцию «быстрой заморозки» (компрессор работает непрерывно, вплоть до −26 °C (−15 °F)), чтобы облегчить это. Три (или меньше) звезды используются для отсеков для замороженных продуктов, которые подходят только для хранения замороженных продуктов; помещение свежих продуктов в такой отсек, скорее всего, приведет к неприемлемому повышению температуры. Эта разница в категоризации показана в дизайне логотипа с четырьмя звездами, где «стандартные» три звезды отображаются в поле с использованием «положительных» цветов, обозначая ту же нормальную работу, что и морозильник с тремя звездами, а четвертая звезда, показывающая дополнительную функцию свежих продуктов/быстрой заморозки, предваряется полем в «отрицательных» цветах или с другим отличительным форматированием. [ необходима цитата ]
Большинство европейских холодильников включают в себя холодильную секцию с влажным холодом (которая требует (автоматического) размораживания через нерегулярные промежутки времени) и морозильную секцию (редко без наледи).
(от самого теплого к самому холодному)
Все более важной экологической проблемой становится утилизация старых холодильников — изначально потому, что фреоновый хладагент разрушает озоновый слой , — но по мере износа холодильников старого поколения разрушение изоляции, содержащей ХФУ, также вызывает беспокойство. Современные холодильники обычно используют хладагент под названием HFC-134a ( 1,1,1,2-тетрафторэтан ), который не разрушает озоновый слой, в отличие от фреона. R-134a становится намного более редким в Европе, где вместо него используются более новые хладагенты. Основным хладагентом, который сейчас используется, является R-600a (также известный как изобутан ), который оказывает меньшее воздействие на атмосферу при выбросе. Были сообщения о взрывах холодильников, если хладагент вытекал изобутан при наличии искры. Если охлаждающая жидкость просачивается в холодильник, в то время, когда дверь не открывается (например, ночью), концентрация охлаждающей жидкости в воздухе внутри холодильника может повыситься и образовать взрывоопасную смесь, которая может воспламениться либо от искры от термостата, либо от включения света при открытии двери, что приводит к задокументированным случаям серьезного ущерба имуществу и травмам или даже смерти в результате взрыва. [62]
Утилизация выброшенных холодильников регулируется, часто предписывая снимать двери по соображениям безопасности. Дети задыхались, играя с выброшенными холодильниками , особенно старыми моделями с защелкивающимися дверцами. С 1950-х годов правила во многих местах запрещают использование дверей холодильников, которые нельзя открыть, толкнув изнутри. [63] Современные устройства используют магнитную дверную прокладку, которая удерживает дверь запечатанной, но позволяет открыть ее изнутри. [64] Эта прокладка была изобретена, разработана и изготовлена Максом Берманном (1903–1984) из Бергиш-Гладбаха / Германия. [65] [66]
Что касается общих затрат на жизненный цикл, многие правительства предлагают стимулы для поощрения переработки старых холодильников. Одним из примеров является программа Phoenix Refrigerator, запущенная в Австралии. Эта государственная программа стимулирования собирала старые холодильники, выплачивая их владельцам за «пожертвование» холодильника. Затем холодильник был отремонтирован, с новыми дверными уплотнителями, тщательной очисткой и удалением таких предметов, как крышка, которая была прикреплена к задней части многих старых устройств. Полученные холодильники, которые теперь более чем на 10% эффективнее, затем были переданы семьям с низким доходом. [ необходима цитата ] В Соединенных Штатах также есть программа по сбору и замене старых, менее эффективных холодильников и других бытовых приборов . [67] Эти программы направлены на замену крупных приборов, которые являются старыми и неэффективными или неисправными, на более новые, более энергоэффективные приборы, чтобы сократить расходы, налагаемые на семьи с низким доходом, и уменьшить загрязнение, вызываемое старыми приборами.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
