Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Na co dzień zwracamy uwagę głównie na drzwi oraz półki lodówki (a w zasadzie na to, co można na nich znaleźć). Jednak jak działa lodówka?
W celu utrzymania niskiej temperatury wewnątrz lodówki konieczne jest sprężanie i rozprężanie specjalnego gazu za pomocą sprężarki.
Po lekturze tego artykułu będziesz wiedział, jak działa lodówka i jakie elementy są potrzebne do tego, aby mogła ona chłodzić. Nie jest to poradnik dla serwisantów sprzętu AGD. Znajdziesz tu garść informacji dla zaspokojenia swojej ciekawości. Dowiesz się, czym jest kapilara i gdzie znajduje się sprężarka, a także będziesz potrafił rozróżnić parownik od skraplacza.
Na początek w ramach ciekawostki warto uściślić sprawę nazewnictwa. Otóż lodówka była niegdyś pomieszczeniem, w którym przechowywano przez wiele miesięcy lód oraz żywność, aby w otoczeniu ciał o niskiej temperaturze psuła się znacznie wolniej.
Lodówka była kiedyś pomieszczeniem wypełnionym lodem
Dzisiaj nie spotkamy takich rozwiązań, zwłaszcza w Polsce. Urządzenia, które mamy w domu, nazywamy chłodziarkami. Jeżeli w tym urządzeniu jest również zamrażalnik, czyli wydzielona część z temperaturą niższą niż 0°C, to poprawna nazwa brzmi: chłodziarko-zamrażarka. W dalszej części tego wpisu będziemy jednak trzymać się określenia „lodówka”, które jest przyjęte w mowie potocznej.
Chcemy, aby wewnątrz lodówki było chłodniej niż dookoła niej, zatem musimy jakoś pozbyć się ciepła z jej środka. Tego ciepła nie możemy w żaden sposób zniszczyć czy zaabsorbować, na to bowiem nie pozwala nam zasada zachowania energii. Ale możemy je przetransportować gdzieś z dala od naszego mleka i wczorajszego obiadu. Dokąd? Najprościej – na zewnątrz lodówki.
Niezależnie od rozmiaru i zastosowania zasada działania lodówki jest w większości przypadków taka sama. Podstawą każdego urządzenia chłodzącego jest obudowa z materiału izolacyjnego, sprężarka oraz zestaw rurek do transportu czynnika chłodniczego i kapilara.
Co musi posiadać każda lodówka, aby mogła spełniać swoją użyteczną funkcję? To, co widzimy na zewnątrz, to obudowa wraz z drzwiami. Wewnątrz lodówki umieszczone są półki, szuflady i rozmaite przegródki. Wiele lodówek ma zamrażalnik z oddzielnymi drzwiami. Warto zwrócić uwagę na to, że zarówno obudowa, jak i drzwi są dosyć grube. Dlaczego?
Drzwi domowych lodówek są stosunkowo grube
Wewnątrz obudowy lodówki znajduje się niewidoczna dla naszych oczu izolacja. Chodzi o izolację termiczną, którą najczęściej jest gruba warstwa pianki z tworzywa sztucznego. Jej zadaniem jest sprawienie, aby ciepło z pomieszczenia nie przenikało do wnętrza urządzenia (aby robiło to w możliwie małym stopniu). W tym samym celu na drzwiach umieszczona jest elastyczna, magnetyczna uszczelka – nie dopuszcza ona do naturalnego przenikania powietrza między wnętrzem lodówki a jej otoczeniem.
Co wydaje charakterystyczny dźwięk cichego warkotu, którego pojawienie się w środku głuchej nocy potrafi przyprawić niemal o zawał serca? To sprężarka, zwana też agregatem, czyli praktycznie jedyna część, do której trzeba dostarczyć energię elektryczną, aby lodówka chłodziła. Zazwyczaj ma postać „czarnego garnka” i można ją znaleźć z tyłu lodówki (na dole).
Sprężarka najczęściej znajduje się z tyłu lodówki na dole
W tej charakterystycznej obudowie jest niewielki silnik elektryczny oraz sprężarka tłokowa, która może sprężyć gaz do bardzo wysokiego ciśnienia, rzędu kilku albo nawet kilkunastu atmosfer. Pracujący silnik porusza tłokami w jedną i drugą stronę, co generuje znany nam wszystkim dźwięk. Do sprężarki zawsze prowadzą metalowe rurki – co się w nich znajduje? Jest to tzw. czynnik chłodniczy.
Wnętrze sprężarki typowej, domowej lodówki
Za jego pomocą transportowane jest ciepło ze środka na zewnątrz lodówki. Nie jest to pierwszy lepszy gaz (np. powietrze) – musi to być gaz, który ma odpowiednie parametry termodynamiczne, aby prawidłowo odgrywał swoją rolę. Instalacja lodówki mogłaby być wypełniona powietrzem, ale byłoby to po prostu nieefektywne. Ponadto czynnik nie może wywoływać korozji elementów, z którymi ma styczność. Co więcej, jeżeli układ chłodniczy uległby rozszczelnieniu i czynnik wyciekłby do atmosfery, nie może nieść zagrożenia dla życia i zdrowia ludzi.
Jeszcze do niedawna za taki „ideał” uważano freony. Po latach badań okazało się, że niszczą warstwę ozonową, dlatego teraz ich produkcja jest ściśle nadzorowana.
Czynników chłodniczych jest mnóstwo. Każdy z nich oznacza się odpowiednim symbolem kodowym, np. R134a lub R600a. Różnią się składem chemicznym i co za tym idzie – parametrami. Szczegółowe nazwy i charakterystyka tych gazów to temat, z którym powinni zaznajomić się chemicy i serwisanci. Nie jest to konieczne do zrozumienia tego, jak działa lodówka. Dlatego pozostańmy przy tym, że każdy z tych czynników chłodzących jest po prostu gazem.
Sprężarka tłoczy czynnik chłodniczy przez cienkie rurki. Z wnętrza lodówki ciepło jest pobierane, a na zewnątrz oddawane. Dlatego pracująca lodówka nagrzewa się w określonych miejscach – to są obszary emitowania pochłoniętego wcześniej ciepła. Jednak co skłania gaz do tego, aby w jednych obszarach pobierał ciepło, a w innych je oddawał?
Parownik (rurki odbierające ciepło) jest ukryty w wewnętrznej części obudowy (np. pod szufladami)
Wszystko zależy od tego, pod jakim ciśnieniem znajdzie się ten gaz. Gdy ulegnie gwałtownemu rozprężeniu, czyli jego ciśnienie szybko zmaleje, wówczas zaczyna intensywnie parować. Dochodzi nawet do wrzenia, czyli gwałtownej przemiany cieczy w gaz. Pobiera wtedy ciepło z otoczenia, w którym się znajduje. Jeżeli tę część obiegu czynnika (nazywamy ją parownikiem) schowamy wewnątrz lodówki, to uzyskamy chłodzenie jej wnętrza.
Rozprężony gaz musi ulec ochłodzeniu, aby oddał do otoczenia pobrane wcześniej ciepło. Temu służy skraplacz – długa i zawinięta rurka, często z dolutowanymi żeberkami dla ułatwienia odprowadzania ciepła. Wewnątrz skraplacza dochodzi do ostudzenia gazu i jego przemiany w ciecz. Podobny efekt można zaobserwować rano na trawniku: para wodna, która unosiła się w powietrzu jako gaz, uległa w nocy skropleniu w postaci rosy. Dzieje się tak, bo w związku ze spadkiem temperatury zmniejszeniu uległa tzw. prężność pary, czyli parametr określający ile wody może być "rozpuszczone" w powietrzu.
Skraplacz to długa, pozaginana rurka, która znajduje się z tyłu obudowy
Skraplacz najczęściej jest wystawiony z tyłu lodówki, choć w niektórych modelach został ukryty tuż pod obudową. W ten sposób lodówka wygląda bardziej estetycznie, łatwiej też się ją czyści. Wtedy możemy zaobserwować, że nagrzewają się m.in. boczne ścianki naszego urządzenia. Wokół skraplacza powinien być dobry przepływ powietrza, więc wciśnięcie lodówki w ciasny kąt może pogorszyć jej wydajność.
Brakuje jeszcze jednego elementu: w jaki sposób ciecz, skroplona w parowniku, nagle ulega silnemu rozprężeniu? To jest możliwe dzięki rurce kapilarnej, zwanej również kapilarą. To nic innego jak odcinek rurki o bardzo, bardzo małym przekroju. Czynnik chłodniczy, aby przecisnąć się przez niego, musi ulec sprężeniu. Kapilara działa jak przewężenie na autostradzie – samochody jadące dotychczas luźno nagle stają blisko siebie w korku.
Kapilara z zewnątrz przypomina miedziany walec (na zdjęciu: kapilara lutowana do sprężarki)
Do działania lodówki brakuje już tylko jednego elementu. Skąd sprężarka ma wiedzieć, że temperatura wewnątrz urządzenia osiągnęła zadany poziom? Bez tego pracowałaby bez przerwy, skazując naszą zupę na zamrożenie. W każdej lodówce jest jednak termostat, który umożliwia utrzymanie określonej temperatury z pewną dokładnością. Kiedy staje się za wysoka, włącza on sprężarkę, a kiedy wnętrze już się odpowiednio schłodzi – wyłącza ją. Zadaną (docelową) temperaturę można regulować za pomocą elektronicznego panelu lub niewielkiego pokrętła.
Termostat to urządzenie, które ma tak sterować źródłem ciepła (lub zimna), aby utrzymać zadaną temperaturę. Termostaty znajdziemy w... Czytaj dalej »
Znamy już najważniejsze elementy składowe lodówki. Możemy więc połączyć je w całość, aby omówić dokładny przebieg procesu chłodzenia – zgodnie z poniższym schematem. Sprężarka „popycha” czynnik chłodniczy w stronę skraplacza. W związku z tym, że wcześniej przeszedł przez parownik, jest on częściowo gazem, a częściowo już cieczą. W skraplaczu cały gaz ulega skropleniu, oddając przy tym na zewnątrz ciepło pobrane z wnętrza lodówki.
Przebieg procesu chłodzenia w lodówce
Następnie dzięki rurce kapilarnej ciśnienie czynnika chłodzącego wzrasta. Silnie sprężony trafia do parownika, w którym zostaje rozprężony, zamieniając się w gaz. Zabiera przy tym energię cieplną, ochładzając wnętrze lodówki. Cykl się zamyka, a czynnik chłodniczy krąży bezustannie w obiegu.
W niektórych lodówkach znajdują się również wentylatory. Zarówno ich liczba, jak i lokalizacja mogą być różne, ale zadanie zawsze mają takie samo: mieszanie schłodzonego powietrza. Dzięki temu we wnętrzu panuje wyrównana temperatura. Nie ma zatem ryzyka, że na jednych półkach będzie znacznie cieplej niż na innych, co przyspieszyłoby psucie się zostawionych tam produktów.
Kapanie, szumienie, niekiedy skrzypienie, a nawet bardziej wymyślne dźwięki. Czemu lodówka potrafi wydawać dziwne odgłosy podczas pracy sprężarki, a także po jej zakończeniu? Musimy mieć świadomość, że w takim urządzeniu mamy kilkanaście metrów rurek, którymi krąży czynnik chłodniczy.
Fragment instrukcji lodówki Samsung BRB26615FWW
Czynnik chłodniczy najpierw jest gazem, potem cieczą i zaraz znowu gazem. Przepływający gaz potrafi szumieć, a ciecz kapać lub wręcz chlupotać. Podczas parowania czynnika dochodzi do jego wrzenia, a woda wrząca w czajniku też przecież szumi. Producenci załączają do instrukcji obsługi obrazkowe wyjaśnienia przyczyn powstawania niektórych dźwięków – trzeba przyznać, że są one bardzo czytelne.
Dlaczego warto zamykać lodówkę? Lodówka wykonuje odwrotny cykl Carnota – pobiera energię z obiektu o niższej temperaturze (skraplacz) i przenosi ją do obszaru, którego temperatura jest wyższa (parownik). Wymaga to włożenia dodatkowej energii w postaci pracy sprężarki napędzanej silnikiem elektrycznym. Wbrew niektórym wyobrażeniom lodówka „nie wytwarza zimna”. Prawdziwą rolą lodówki jest jedynie przetransportowanie ciepła na odległość kilku centymetrów, poza warstwę izolacji. Lodówka to po prostu pompa ciepła.
Dlatego pracująca otwarta lodówka pozostawiona w izolowanym termicznie pomieszczeniu będzie tylko zwiększała w nim temperaturę.
Im więcej ciepła znajdzie się wewnątrz lodówki, tym dłużej będzie musiała pracować sprężarka, aby je przetransportować na zewnątrz. Dlatego warto utrzymywać lodówkę zamkniętą i wkładać do niej chłodne produkty. Rachunki za energię elektryczną mogą się dzięki temu radykalnie zmniejszyć!
Odrębnym tematem są lodówki samochodowe. Niektóre z nich, zwłaszcza większe, również posiadają sprężarkę, skraplacz i parownik. Jednak możemy kupić też niewielkie lodóweczki, wyglądające jak walizka lub skrzynka.
Przykładowa lodówka samochodowa
Te mniejsze lodówki obniżają temperaturę o kilka lub kilkanaście stopni i z reguły nie mają termostatu ani wyświetlacza. Elementem transportującym ciepło z jednej strony na drugą jest w takich lodówkach tzw. ogniwo Peltiera.
Przykładowa prosta lodówka samochodowa bez sprężarki
Moduł Peltiera wykonany jest z użyciem materiałów półprzewodnikowych. Ma on postać dwóch płytek. Po przyłożeniu napięcia do przewodów zasilających jedna strona modułu nagrzewa się, a druga ochładza. Podobnie jak w przypadku lodówki sprężarkowej, tak i tutaj ilość wydzielanego po stronie gorącej ciepła jest większa niż odbieranego ze strony zimnej.
(Mini)ankieta: czy powinniśmy napisać osobny artykuł o modułach Peltiera? Tak, jestem zainteresowany - Nie
Przykładowy moduł Peltiera
Wydajność takich modułów Peltiera jest mała, więc nie mają one zastosowania w dużych, domowych urządzeniach. Są za to lekkie i małe, więc doskonale sprawdzą się do utrzymywania niskiej temperatury już schłodzonych napojów podczas wycieczki!
Jak działa lodówka? W głównej mierze odpowiada za to sprężarka, nieustannie tłocząca specjalny gaz wewnątrz instalacji, dzięki której możliwe jest odbieranie ciepła z wnętrza lodówki w celu oddania go na zewnątrz. Wykorzystywany jest tu fakt, że czynnik chłodniczy zmienia swoje właściwości zależnie od tego, pod jakim ciśnieniem się znajduje.
Inne, mniejsze lodówki mogą wykorzystywać ogniwo Peltiera, które w pełni „elektrycznie” pozwala uzyskać niską temperaturę. Oczywiście element ten nie łamie praw fizyki, więc temperatura musi się również gdzieś podnosić. Kluczowe jest takie umieszczenie ogniwa, aby chłodziło wnętrze minilodówki przy jednoczesnym ogrzewaniu otoczenia. Skuteczność tego typu rozwiązań jest jednak dużo niższa.
Autor: Michał Kurzela
Redakcja: Damian Szymański
Co to jest układ scalony? To pytanie zadawane nie tylko przez elektroników, bo to dzięki tym elementom powstają wszystkie elektroniczne…... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
jtd, lodówka, peltier, sprezarka
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...