Кратко о принципе работы холодильника и его основных частях

Обычный бытовой холодильник знаком всем, но далеко не все знают принцип его работы или хотя бы название основных частей. Не вдаваясь глубоко в технические детали и основы кратко опишем принцип работы холодильника, стараясь объяснить всё лёгким и понятным языком.

Главным устройством любой модели холодильника является компрессор. Основное его назначение осуществлять циркуляцию вещества, которое называется фреон. Фреон — это хладагент имеющий два агрегатных состояния: жидкое и газообразное. Внутри холодильника фреон циркулирует по трубкам, подключённым к компрессору, который сжимает и перекачивает пары фреона.

Выходит хладагент из компрессора в нагнетающую трубку, на выходе создаётся большое давление из-за чего эта трубка сильно нагревается. Приложив к ней руку, особенно в момент работы компрессорного двигателя, можно обжечься, по этой причине не касайтесь трубки.

Части и устройство холодильника

Есть в холодильнике и такой элемент, как контур обогрева. Расположен он внутри корпуса дверцы морозильной камеры. Сделано это с целью обеспечить эластичность уплотнителя, который обеспечивает герметичность морозилки. Поскольку при отрицательной температуре, которая обеспеченна в морозилке, уплотнитель менее эластичен, а отсюда получается меньшая плотность прилегания дверцы к морозильной камере.

Ещё одна техническая составляющая холодильника это конденсатор. Если кратко, то собой он представляет решётку, которая размещена на задней части холодильника. Функция конденсатора — превратить нагретый фреон, имеющий газообразное состояние, в холодный и жидкий. Хладагент проходя по трубкам конденсатора остывает образовывая капли, такой процесс называется конденсацией. Как несложно догадаться конденсатор получил своё название благодаря данному физическому процессу.

Помимо описанных компонентов в холодильниках есть и следующие элементы:

1. фильтр-осушитель;
2. капиллярная трубка;
3. испаритель;
4. всасывающая трубка.

Первый элемент нужен для от фильтровки влаги, которая есть во фреоне на момент заправки его в систему холодильника. Следующий по списку элемент капиллярная трубка, которая нужна для обеспечения разницы давлений в системе. Кратко скажем, что она разделяет систему на холодные и горячие трубки. Сама трубка из-за своей толщины больше похожа на провод, не зная того что это на самом деле трубка, действительно можно её воспринять как оголённые провод.

Испаритель — это именно та часть холодильника, которая образует холод. Представляет он из себя трубки, имеющие отрицательную температуру когда компрессор работает. В испарителе фреон который был в жидком виде в капиллярных трубках, переходит в газообразное состояние. То есть, в испарителе жидкий хладагент начинает испаряться, что и приводит к образованию холода внутри холодильника. Всасывающая трубка по факту это просто окончание трубки испарителя которая входит в компрессор.

Такой круговорот фреона является причинной появления холода внутри холодильника. Вот так кратко можно рассказать о принципе работы холодильника. Вещь — несложная, но технологичная. Современная техника дополнительно напичкана электроникой, которая для основной задачи холодильника ненужна. Она регулирует и контролирует работу основных узлов агрегата.

Реактивный двигатель. Холодильные машины

Конспект по физике для 8 класса «Реактивный двигатель. Холодильные машины». ВЫ УЗНАЕТЕ: Как устроены газовые турбины. Что собой представляет и как работает реактивный двигатель. На чём основан принцип работы холодильников. Каковы основные части холодильной установки.

Реактивный двигатель.
Холодильные машины

Реактивный двигатель и холодильные устройства — примеры тепловых двигателей, играющих существенную роль в современной жизни.

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

Газовая турбина сочетает в себе достоинства двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Важное преимущество газовой турбины — это упрощённое преобразование внутренней энергии газа во вращательное движение вала, в турбине нет поршня, шатуна и коленчатого вала. Как и в любом двигателе внутреннего сгорания, в газовой турбине отсутствуют топка и котёл. Такие двигатели, имея большую мощность, нашли широкое применение в авиации.

При работе турбины ротор компрессора вращается и засасывает воздух через входное сопло. Воздух, проходя через ряд лопастей компрессора, сжимается, его давление и температура повышаются. Сжатый воздух поступает в камеры сгорания. Одновременно через форсунку в неё впрыскивается под большим давлением жидкое топливо (керосин, мазут).

При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500—2200 °С. Воздух расширяется, и скорость его движения увеличивается.

Движущиеся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в газовую турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам ротора турбины, при этом их температура уменьшается до 550 °С.

Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная энергия используется, например, для вращения винта самолёта или ротора электрического генератора. Отработанный воздух вместе с продуктами сгорания при давлении, близком к атмосферному, со скоростью более 500 м/с выбрасывается через выходное сопло в атмосферу.

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолёта, судна, автомобиля. Реактивные двигатели, которые применяют в ракетах, не используют в своей работе воздух земной атмосферы.

В ракетах горючее сгорает в камерах сгорания и образовавшиеся газы оказывают сильное давление на стенки камеры. С одной стороны камеры имеется сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающее пространство. При этом расширяющиеся газы оказывают давление на стенки камеры, как на поршень, толкая ракету вперёд.

Итак, в реактивном двигателе внутренняя энергия топлива непосредственно преобразуется в кинетическую энергию движущегося аппарата.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

В природе процесс передачи энергии от холодного тела к горячему невозможен. Однако в быту мы нередко используем холодильник для охлаждения пищевых продуктов.

Его действие заключается в том, что от холодного тела, находящегося в морозильнике, отнимается некоторое количество теплоты и передаётся более нагретому телу. Этим телом является воздух в комнате, который в результате работы холодильника дополнительно нагревается. В этом легко убедиться, если поднести руку к радиатору, расположенному на задней стенке холодильника.

Для охлаждения в холодильнике используется вещество, которое легко испаряется, например фреон (кипит при -29,8 С).

Через вентиль жидкий фреон подаётся в испаритель и в нём быстро испаряется. Испарение сопровождается поглощением энергии от стенок испарителя, от воздуха, соприкасающегося с ним, и от продуктов, находящихся в морозильной камере.

Компрессор, приводимый в действие электродвигателем, откачивает газообразный фреон из испарителя и нагнетает его в конденсатор. В конденсаторе, обычно расположенном на задней стенке холодильника, фреон конденсируется и вновь поступает через вентиль в испаритель.

Итак, за счёт энергии, потребляемой от электрической сети, совершается процесс передачи тепла от холодильной камеры к более нагретым телам.

Искусственное охлаждение стало неотъемлемой частью современной жизни. Так, для охлаждения воздуха в помещении используются кондиционеры, а для длительного хранения продуктов — разнообразные холодильные установки.

Процесс испарения жидкости происходит и без подвода энергии извне. В этом случае испарение осуществляется за счёт уменьшения внутренней энергии соседних слоёв жидкости, что приводит к понижению её температуры. Особенно сильный эффект наблюдается при быстром испарении жидкости. Это явление и используется в работе холодильных машин.

Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935). Русский учёный. В 1903 г. впервые предложил конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Реактивный двигатель. Холодильные машины».

Принцип работы холодильной машины

Жидкий фреон, являющийся в настоящее время основным хладагентом холодильной машины, находящийся в открытом сосуде при нормальном атмосферном давлении, немедленно вскипает. При этом происходит интенсивное поглощение тепла из окружающей среды, сосуд покрывается инеем из-за конденсации и замораживания паров воды из окружающего воздуха. Процесс кипения жидкого фреона будет продолжаться до тех пор, пока весь фреон не перейдет в газообразное состояние, либо давление над жидким фреоном не возрастет до определенного уровня и при этом не прекратится процесс испарения его из жидкой фазы.

Для того, чтобы процесс кипения хладагента в испарителе происходил непрерывно, необходимо постоянно из испарителя удалять газообразный и «подливать» жидкий хладагент.

Процесс конденсации паров жидкости происходит при температуре, зависящей от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Пары фреона R-22 конденсируются в жидкость при давлении 23 атмосферы уже при температуре +55°С. Процесс конденсации паров хладагента в жидкость сопровождается выделением в окружающую среду большого количества тепла. В холодильной машине конденсация паров хладагента происходит в специальном, герметичном теплообменнике, называемом конденсатором.

Для отвода выделяемого тепла используется алюминиевый теплообменник с оребренной поверхностью, называемый конденсатором. Для удаления паров хладагента из испарителя и создания необходимого для конденсации давления используется специальный насос — компрессор.

Элементом холодильной установки является также регулятор потока хладагента, так называемая дроссилирующая капиллярная трубка. Все элементы холодильной машины соединяются трубопроводом в последовательную цепь, обеспечивая тем самым замкнутую систему.

Холодильная машина

Рис. 1. Холодильная машина

Отдельным подвидом тепловых машин являются, так называемые, холодильные машины. Холодильная машина — тепловая машина, работающая по обратному циклу, т.е. круговому циклу, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу. Визуализации таких машин условно одинакова (рис. 1).

Классически, холодильная машина состоит нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов может инженерно выглядит как угодно, рабочее тело чаще всего газ. Рабочее тело, совершая работу ( ), забирает энергию у холодильника ( ) и передаёт её нагревателю ( ). Нагревателем в данной системе также может быть окружающее пространство. Примером такой холодильной машины может служить обычных домашний холодильник. Электрический ток совершает работу по охлаждению внутренней камеры холодильника, передавая избыток теплоты на внешний радиатор (ребристая стенка из прутьев на задней стенке холодильника).

Тогда, исходя из закона сохранения энергии:

• где
  • — внешняя работа над газом,
  • — теплота, отданная нагревателю,
  • — теплота, полученная от холодильника.

Аналогом КПД (коэффициента полезного действия) для холодильной установки является холодильный коэффициент. Логика у него точно такая же: отношение полезной работы к затраченной. Полезной теплотой в нашей системе является (т.к. нам необходимо охладить тело), тратим вы внешнюю работу ( ). Тогда:

Вывод: задачи на холодильную машину вводятся именной этой фразой. Единственное соотношение, которое может помочь в решении таких задач, это соотношение (1). Поиск соответствующих энергий чаще всего вопрос первого начала термодинамики и анализа процессов.

Урок по физике по теме «Тепловые и холодильные машины. Принцип действия тепловых машин.»

Тепловые и холодильные машины. Принцип действия тепловых машин.

Цели урока: Изучить физические основы работы тепловых машин, устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания, паровой машины; ввести понятие коэффициента полезного действия; познакомиться с историей появления тепловых машин.
Задачи урока:
образовательные:
— повторить понятия: внутренняя энергия, механическая работа, количество теплоты; способы изменения внутренней энергии, закон сохранения энергии;
— рассмотреть принцип работы тепловых двигателей, устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины; формулу нахождения КПД;
— формировать навыки и умения самостоятельной работы; работы в группе.

Конспект урока
1.Оргмомент
Учитель: приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку (наличие учебных принадлежностей).
Ученики: приветствуют учителя, настраиваются на урок.
Вступительное слово учителя:
— Английский философ Френсис Бекон говорил: «Истинная и законная цель всех наук состоит в том, чтоб наделять жизнь человеческую новыми изобретениями и богатствами».
— Сегодня на уроке мы поговорим об изобретениях, которые имеют исключительно важное значение в жизни человеческого общества, развитии техники, энергетики и транспорта. Эти изобретения позволили человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.
— Как вы думаете, о каких изобретениях идет речь? (Тепловые двигатели)

2. Актуализация опорных знаний (5 мин)
Учитель: Ребята, прежде чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним ключевые понятия, термины, законы, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока.
Метод АМО «Веришь, не веришь»
Цель игры: повторение и контроль знаний, подготовка к восприятию нового материала.
Материалы: сигнальные карты, на которых цифры -1 и 2.
Модель игры: Учитель читает утверждение (или на слайде) (определение, суждение и т.д.) учащиеся сигнализируют с помощью карт, верное утверждение или нет. Проверка.
Учащиеся участвуют в игре.
Вопросы к игре:
1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. (неверно)
2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. (верно)
3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. (неверно)
4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. (верно)
5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы. (верно)
6. Источник энергии топлива – взаимодействие его молекул. (неверно)
7. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. (неверно)
8. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. (верно)
9. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. (верно)
10. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. (неверно)
11. Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии устанавливает равенство при теплообмене полученной одним телом энергии и отданной другим телом. (неверно)
12. Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому. (верно)
3.Мотивация
Учитель: формулирует тему урока «Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели».
Подводит учащихся к постановке целей урока, ожидаемых результатов. Ученики: наблюдают, участвуют в обсуждении, выдвигают гипотезы, предположения, что необходимо узнать, чего достичь на уроке.

4.Изучение нового материала

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчета тепловых машин . Первыми тепловыми машинами были паровые двигатели, замкнутый термодинамический цикл которых впервые был описан в 1690 году Дени Папином (1647-1712). Первые тепловые двигатели предназначались для подъема воды из шахт и были изобретены английскими инженерами в 1698 году Томасом Севери (1650 — 1715) и в 1712 году Томасом Ньюкоменом (1663 — 1715). Если в насосе Севери использовался пар в качестве тела, непосредственно толкающего воду, то машина Ньюкомена была первой поршневой паровой машиной. Отметим, что идея использования поршня принадлежит Папину.

Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом (1736 — 1819) паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Уатт дополнил свои машины важнейшими механическими изобретениями, такими как преобразователь поступательного движения во вращательное, центробежный регулятор, маховое колесо и т.д. В 1784 году Уатт запатентовал универсальную паровую машину двойного действия, в которой пар совершал работу по обе стороны поршня.

Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д.

Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами). На рис. 3.1 приведена условная схема тепловой машины, а рис. 3.2 иллюстрирует ее термодинамический цикл. Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель , холодильник и рабочее тело . При этом, если необходимость в наличии нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, то холодильник как составная часть тепловой машины в её конструкции зачастую отсутствует. В качестве холодильника выступает окружающая среда.

Рис. 3.1.
Схема тепловой машины

Рис. 3.2.
Термодинамический цикл тепловой машины

Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает рабочему телу теплоту , вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту , возвращаясь в исходное состояние. Величина представляет собой количество теплоты, передаваемое холодильником рабочему телу, и имеет отрицательное значение.

Отметим, что наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты, является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения механической работы необходимо наличие потока, в данном случае потока теплоты. Если же холодильник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придет в тепловое равновесие с нагревателем, и поток теплоты прекратится.

В соответствии с первым началом термодинамики (1.4) , при осуществлении кругового процесса, из-за возвращения рабочего тела в исходное состояние, его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и отведенной теплоты:

.

Тепловой коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты , переданной от нагревателя:

.

Из выражения (3.2) следует, что к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы , так как часть полученной от нагревателя теплоты должна передаваться холодильнику.

Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении, может быть использован для работы холодильной машины , схема и термодинамический цикл которой приведены соответственно на рис. 3.3 и рис. 3.4. Такие машины, в отличие от тепловых двигателей, предназначены не для получения механической работы из теплоты, а позволяют осуществлять охлаждение различных тел за счет совершения работы.

Рис. 3.3.
Схема холодильной машины

Рис. 3.4.
Термодинамический цикл холодильной машины

В холодильной машине за счет совершения внешними телами работы над рабочим телом происходит отвод теплоты от охлаждаемого тела и передача теплоты тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.

Коэффициент полезного действия или холодильный коэффициент холодильной машины можно определить как отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты к затраченной для этого механической работе :

.

Так как в зависимости от конкретной конструкции холодильной машины количество отводимой от охлаждаемого тела теплоты может как превышать затраченную работу , так и быть меньше ее, то к.п.д. холодильной машины, в отличие от к.п.д. тепловой машины, может быть как больше, так и меньше единицы.

Холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещенные в нем продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип динамического отопления был предложен Томсоном (лордом Кельвином) и положен в основу действия современных тепловых насосов . Этот принцип заключается в использовании обращенного цикла тепловой машины для перекачки теплоты из окружающей среды в помещение.

5. Закрепление изученного материала.

Вопросы для контроля:
— Что представляет собой тепловой двигатель?
— Какие виды тепловых двигателей существуют?
— Какие виды энергии преобразуются из одного в другой при работе тепловых машин?
— Каков принцип действия тепловых двигателей?
— За сколько тактов совершается один рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания?
— Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура, пара поступающего к лопастям турбины?

6.Подведение итогов, рефлексия (3 мин)
Заключительное слово учителя:
С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание человеческого труда.
Изобретение паровой машины имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, сделало возможным изобретение парохода(1807), и паровоза (1814). Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. В настоящее время паровая турбина—основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях. Изобретение двигателя внутреннего сгорания вызвало к жизни автомобилестроение и авиацию.
На следующем уроке мы продолжим изучение тепловых двигателей, рассмотрим более подробно их применение, научимся находить КПД, выясним какое влияние оказывают тепловые двигатели на окружающую среду.