Как разморозка морозильной камеры экономит энергию?

Question

Как разморозка морозильной камеры экономит энергию?

Сантропедро

Мне сказали, что я должен разморозить свой морозильник, чтобы сэкономить энергию, вики , здесь и здесь , например, но ни один из связанных сайтов не является рецензируемым документом, объясняющим, почему (в статье вики даже нет ссылок), и я не находите это очевидным. Я не понимаю, как работает механизм, и прошу вас прочитать хорошую статью по этому вопросу или объяснить.

пользователь46925

лед является изолятором. Когда вам нужен холод, тепло плохо поглощается льдом, который находится в контуре охлаждения, и тогда двигатель должен работать дольше.

Брайс Вагнер

По той же причине вы можете сделать ледяное иглу, чтобы согреться.

Ответы (5)

Как разморозка морозильной камеры экономит энергию?

лед является изолятором. Когда вам нужен холод, тепло плохо поглощается льдом, который находится в контуре охлаждения, и тогда двигатель должен работать дольше.
По той же причине вы можете сделать ледяное иглу, чтобы согреться.

Герт · Answer 1

Холодильники и морозильники работают, пропуская действительно холодную жидкость через охлаждающие трубы, установленные в охлаждаемой полости. Этот поток (компрессор) отключается при достижении заданной температуры, чем быстрее достигается заданная температура, тем меньше энергии потребляет прибор.

Холодная жидкость на $T_c$ проходит через охлаждающие трубы. Охлаждаемая полость находится на $T_f$ . Теперь давайте посмотрим на небольшую площадь $A$ на поверхности охлаждающей трубы.

Когда охлаждающая труба чистая (не покрыта инеем) , закон охлаждения Ньютона говорит нам, что тепловой поток (количество тепла, удаляемое в единицу времени) $\dot{q}$ через $A$ является:

{\dot{д}}_{чистый} знак равно час А (Т_{ф} - Т_{с})

$\dot{q}_\textrm{clean}=hA(T_f-T_c)$

Где $h$ - коэффициент теплопередачи .

Но когда поверхность обледенела пористым льдом, то:

{\dot{д}}_{матовый} знак равно ты А (Т_{ф} - Т_{с})

$\dot{q}_\textrm{frosted}=uA(T_f-T_c)$

Можно показать, что:

\frac{1}{ты} знак равно \frac{1}{час} + \frac{θ}{к} ⟹ ты знак равно \frac{час к}{к + час θ}

$\frac{1}{u}=\frac{1}{h}+\frac{\theta}{k}\implies u=\frac{hk}{k+h\theta}$

Где $\theta$ - толщина морозного материала и $k$ теплопроводность морозного материала .

Поскольку морозный материал является плохим проводником тепла ( $k$ имеет низкую стоимость):

час > \frac{час к}{к + час θ}

$h>\frac{hk}{k+h\theta}$

( Обратите внимание, что иней не является чистым льдом, это очень пористый лед, который содержит много захваченного воздуха, что еще больше снижает $k$ значение мороза ). А это значит, что при прочих равных условиях:

{\dot{д}}_{чистый} > {\dot{д}}_{матовый}

$\dot{q}_\textrm{clean}>\dot{q}_\textrm{frosted}$

Умножьте это, конечно, на общую площадь охлаждающих труб. Таким образом, чистые охлаждающие трубы отводят тепло быстрее, в результате чего компрессор работает меньше времени для достижения заданной температуры. Это экономит энергию. Обратите также внимание на то, что морозильники, покрытые инеем (большая толщина инея $\theta$ ) работают хуже.

Немного более подробный подход:

{\dot{д}}_{чистый} знак равно {ты}_{1} А (Т_{ф} - Т_{с})

$\dot{q}_\textrm{clean}=u_1A(T_f-T_c)$

{\dot{д}}_{матовый} знак равно {ты}_{2} А (Т_{ф} - Т_{с})

$\dot{q}_\textrm{frosted}=u_2A(T_f-T_c)$ Здесь можно показать, что:

\frac{1}{{ты}_{1}} знак равно \frac{1}{{час}_{1}} + \frac{θ_{1}}{к_{1}} + \frac{1}{{час}_{2}}

$\frac{1}{u_1}=\frac{1}{h_1}+\frac{\theta_1}{k_1}+\frac{1}{h_2}$ А также:

\frac{1}{{ты}_{2}} знак равно \frac{1}{{час}_{1}} + \frac{θ_{1}}{к_{1}} + \frac{θ_{2}}{к_{2}} + \frac{1}{{час}_{3}}

$\frac{1}{u_2}=\frac{1}{h_1}+\frac{\theta_1}{k_1}+\frac{\theta_2}{k_2}+\frac{1}{h_3}$

Но и здесь, потому что мороз плохо проводит тепло( $k_2$ маленький):

{ты}_{1} > {ты}_{2}

$u_1>u_2$

Чтобы чистые трубы быстрее отводили тепло при прочих равных условиях.

Символы, используемые в этом разделе :

$h_1$ : коэффициент конвекционной теплопередачи, охлаждающая жидкость к металлу .

$h_2$ : коэффициент конвекционной теплопередачи, металл-воздух .

$h_3$ : коэффициент конвекционной теплопередачи, от инея к воздуху .

$k_1$ : теплопроводность, металл .

$k_2$ : теплопроводность, морозостойкость .

$\theta_1$ : толщина, металл .

$\theta_2$ : толщина, мороз .

+1 но есть физическая причина, по которой мне нужно разобраться с собственным холодильником, разморозка позволяет двери правильно сидеть в раме
@count_to_10: ты слишком практична для этого сайта! Я обычно размораживаю его, когда уже не могу добраться до мороженого. Я обманываю себя, что усилия компенсируют дополнительное потребление калорий.
Я пошел на это, когда даже Шеклтон повернулся бы в отчаянии. Но однажды я проткну трубы отверткой и молотком, которыми пользуюсь.
Не волнуйтесь, вы сможете использовать насос для какого-нибудь новаторского эксперимента!
Этот ответ почти отвечает на вопрос, который был о том, что «мне сказали, что разморозка холодильника экономит энергию», но должен включать проницательный комментарий @igael о том, что экономия денег связана с тем, что компрессор в размороженном холодильнике должен работать на более короткое время. период времени, чтобы температура содержимого холодильника снизилась до рабочей температуры. Так что дело не в том, что "чистые охлаждающие трубы отводят больше тепла", а в том, что они быстрее отводят тепло и соответственно быстрее достигается рабочая температура.
@Farcher: внесены изменения, спасибо. Корявая формулировка с моей стороны.
@count_to_10 Примечание для других читателей: вообще говоря, если вы используете молоток и долото для разморозки холодильника, вы делаете это неправильно, как бы это ни было весело... Если вы спешите, наполните полиэтиленовые пакеты. , или бутылки, или просто чашки (испаряющийся пар тоже ускорит таяние) с горячей водой и поставьте их в холодильник, и иней моментально растает.
Это не полная картина. По той же причине теплый пол будет менее эффективен, чем радиаторы, что также неверно. Если в морозилке есть лед, то да, его тоже придется охлаждать, потребляя энергию. Но зато у вас в морозилке много льда, который дольше сохранит холод в морозилке! (Так работали морозильные камеры два века назад, просто клади лед в изолированный ящик или комнату.) Вы должны на самом деле объяснить, как недостатки льда перевешивают его преимущества!
@Кроули, несколько хороших моментов, но в объяснении все же есть большой пробел.
Это касается только половины контура охлаждения. Да, это означает, что тепло из морозильной камеры передается охлаждающей жидкости медленнее. Однако это означает, что он должен расходовать меньше энергии, отводя тепло от жидкости в окружающую среду. Нет?
@Hassassin В последних осушителях воздуха между охлажденным воздухом и циклом охлаждения добавляется буферная ступень. Но этот буфер представляет собой жидкость на основе глицерина, оптимизированную для обеспечения высокой плотности, теплоемкости и низкой температуры плавления. У этого буфера одна цель - повысить КПД за счет замедления скорости переключения компрессора. Но лед в холодильнике — это не сплошной радиатор, а достаточно пористый изолятор. Компрессор холодильника должен работать дольше с большим количеством запусков и отключений. На КПД идеального цикла это не влияет, а вот КПД реального кулера страдает.
@Кроули, имеет смысл. Я просто думаю, что этот ответ неполный.

тво · Answer 2

В других ответах не было указано следующее. Эффективность холодильного цикла определяется его коэффициентом полезного действия (КПД), определяемым как:

С О п знак равно \frac{| {Вопрос}_{л} |}{| Вт |}

$COP = \frac{|Q_L|}{|W|}$

$Q_L$ это теплота, извлеченная из морозильной камеры и $W$ (электрическая) мощность, приводящая в движение цикл, т.е. мощность компрессора. Для идеального обратимого холодильного цикла, такого как цикл Карно, КПД зависит только от температур тепловых резервуаров, с которыми он обменивается теплом:

С О п знак равно \frac{Т_{л}}{Т_{ЧАС} - Т_{л}}

$COP = \frac{T_L}{T_H - T_L}$

$T_L$ низкая температура (например, внутри морозильной камеры) и $T_H$ высокая температура (например, температура окружающей среды в помещении).

На практике существуют конечные перепады температур между хладагентом и резервуаром тепла на обеих сторонах холодильного цикла. Для отвода тепла из морозильной камеры хладагент должен иметь температуру $T_l < T_L$ , и наоборот на стороне конденсатора (задняя сторона морозильной камеры), где хладагент должен иметь более высокую температуру, чем температура окружающей среды ( $T_h > T_H$ ). Это ограничивает COP:

С О п знак равно \frac{Т_{л}}{Т_{час} - Т_{л}} < \frac{Т_{л}}{Т_{ЧАС} - Т_{л}}

$COP = \frac{T_l}{T_h-T_l} < \frac{T_L}{T_H - T_L}$

Термическое сопротивление, вызванное образованием льда, увеличивает разницу между $T_l$ а также $T_L$ и тем самым еще больше снижает COP. В результате образование льда снижает эффективность морозильной камеры, а это означает, что для ее работы требуется больше электроэнергии.

Примечание

Конечно, реальные холодильные системы имеют более низкий КПД, чем цикл Карно, из-за необратимости. Однако указанная выше тенденция применима и к реальным системам.

Кроули · Answer 3

Добавляя к очень хорошему ответу Герта, я хотел бы указать на другие, не столь научные причины.

Лед, как правило, формируется не сплошным, без пустот, а достаточно пористым. Эта пористость приводит к еще более низкой теплопроводности и более низкой теплоемкости ( $J/K\ m^3$ ).
Если мы предположим, что скорость конденсации/десублимации пропорциональна площади поверхности, мы можем предположить, что при замораживании морозильной камеры скорость увеличивается. При образовании льда выделяется тепло $h_{evap}$ а также $h_{melt}$ и это лишнее тепло необходимо «охладить».
Когда твердый лед образуется из-за ограниченной проводимости (поверхностный слой расплавляется конденсированным паром и стекает вниз, где замерзает), и он способен работать как радиатор, морозильная камера обычно находится в состоянии, когда лед препятствует надлежащей герметизации.
Вероятно, существует простой контур управления, который переключает компрессор и, таким образом, поддерживает температуру в диапазоне, скажем, от -10 до -11°С. морозильник работает в диапазоне, скажем, от -9,5 до -11,5 C, потому что ваш контур управления немного замедляется. Если датчик температуры также закрыт, ваш контур управления слишком медленный, и вы можете легко работать в диапазоне от -5 до -15 C.
Правильно спроектированный буферный слой (высокая емкость, хорошая изоляция, высокая проводимость) достаточно эффективно увеличивает КПД. Но ледяная пена и пористый лед, образующиеся в морозильной камере, не обладают ни высокой теплоемкостью (относительно своего объема), ни хорошей проводимостью.

С другой стороны, когда лед тает, он также поглощает много тепла, что держит морозильную камеру при температуре 0 градусов дольше, чем без льда (при таянии).
Теплоемкость воды огромна, если измерять ее по массе, но на ранней стадии замерзания следует думать о теплоемкости по объему, которая довольно мала. Другой момент заключается в том, что талая вода затем снова замерзает и выделяет то же самое количество тепла, которое она поглотила ранее. В обоих случаях тепло передается радиатору кулера. Без льда это происходит быстрее и, как доказал Герт, эффективнее.

Герт · Answer 4

Другая модель:

Змеевик или змеевик, по которому течет хладагент, имеет общую длину $x=L$ . Полость идеально изолирована. Температура $T_f(t)$ внутри полости считается зависящим только от времени (равномерное пространственное распределение температуры).

Температура змеевика/змеевика зависит как от времени, так и от положения: $T_c(x,t)$ .

Для бесконечно малого змеевидного элемента $dx$ в $x$ бесконечно малый тепловой поток определяется выражением:

г \dot{д} знак равно ты г А [Т_{ф} (т) - Т_{с} (Икс, т)] знак равно ты п [Т_{ф} (т) - Т_{с} (Икс, т)] г Икс

$d\dot{q}=udA[T_f(t)-T_c(x,t)]=up[T_f(t)-T_c(x,t)]dx$ Где

p

$p$ периметр трубы (например,

2 π r

$2\pi r$ , в случае цилиндрической трубы), поэтому

d A = p d x

$dA=pdx$ .

Поглощение тепла вызывает бесконечно малое повышение температуры:

г д знак равно г м с_{п . с} г Т_{с} (Икс, т)

$dq=dmc_{p.c}dT_c(x,t)$ И с

\frac{г м}{г т} знак равно \dot{м}

$\frac{dm}{dt}=\dot{m}$

г \dot{д} знак равно \dot{м} с_{п, с} г Т_{с} (Икс, т)

$d\dot{q}=\dot{m}c_{p,c}dT_c(x,t)$ Объединение обоих выражений и интегрирование дает:

Т_{с} (Икс, т) знак равно Т_{ф} (т) + [Т_{с, 0} - Т_{ф} (т)] е^{- α Икс}

$T_c(x,t)=T_f(t)+[T_{c,0}-T_f(t)]e^{-\alpha x}$ С:

α знак равно \frac{ты п}{\dot{м} с_{п, с}}

$\alpha=\frac{up}{\dot{m}c_{p,c}}$ За

x = L

$x=L$ :

Т_{с} (л, т) знак равно Т_{ф} (т) + [Т_{с, 0} - Т_{ф} (т)] е^{- α л}

$T_c(L,t)=T_f(t)+[T_{c,0}-T_f(t)]e^{-\alpha L}$ Сходным образом:

г д знак равно - С г Т_{ф} (т)

$dq=-CdT_f(t)$

\frac{г д}{г т} знак равно - С \frac{г Т_{ф} (т)}{г т}

$\frac{dq}{dt}=-C\frac{dT_f(t)}{dt}$ Где:

С знак равно \sum_{1}^{н} м_{я} с_{п, я}

$C=\displaystyle \sum_1^nm_ic_{p,i}$ Мы предполагаем

t = 0

$t=0$ момент включения насоса и установки термостата на достижение заданной температуры

T_{s}

$T_s$ (после этого насос отключается):

Т_{с} \leq Т_{с} \leq Т_{ф} (0)

$T_c\leq T_s\leq T_f(0)$ Используя приведенные выше выражения, можно получить еще несколько:

1 раз $t_s$ необходимо достичь $T_s$ :

т_{с} знак равно \frac{1}{1 - е^{- α л}} \frac{С}{\dot{м} с_{п, с}} \frac{Т_{ф, 0} - Т_{с}}{Т_{с, 0} - Т_{с}}

$t_s=\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}\frac{C}{\dot{m}c_{p,c}}\frac{T_{f,0}-T_s}{T_{c,0}-T_s}$

Это подтверждает роль коэффициента теплоотдачи $u$ , потому как $u$ увеличивает фактор $\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}$ уменьшается . Высокие значения $u$ таким образом сократить время откачки $t_s$ .

2. Эволюция во времени $T_f$ :

Т_{ф} (т) знак равно \frac{β Т_{с, 0} т - Т_{ф, 0}}{β т - 1}

$T_f(t)=\frac{\beta T_{c,0} t-T_{f,0}}{\beta t-1}$ Где:

\frac{1}{β} знак равно \frac{1}{1 - е^{- α л}} \frac{С}{\dot{м} с_{п, с}}

$\frac{1}{\beta}=\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}\frac{C}{\dot{m}c_{p,c}}$

3. Конечная температура охлаждающей жидкости:

Т_{с} (л, т_{с}) знак равно Т_{с} + [Т_{с, 0} - Т_{с}] е^{- α л}

$T_c(L,t_s)=T_s+[T_{c,0}-T_s]e^{-\alpha L}$

И снова влияние $u$ понятно: выше $u$ опускает $T_c(L,t_s)$ .

Заметки:

Я надеялся, что более подробная модель позволит развеять опасения Хассасина и Туриона по поводу «второй части цикла». Аргумент состоит в том, что, хотя время откачки сокращается, это ничего не говорит об энергии, необходимой для охлаждения элюированного хладагента обратно до $T_{c,0}$ . Эта модель на самом деле не проясняет этот вопрос.

Частично это может быть связано с тем, что холодильники/морозильники на самом деле не работают так, как описано в этой простой модели. Вместо этого через змеевик прокачивается низкокипящая жидкость, а тепло отводится в виде скрытой теплоты парообразования хладагента. Поэтому температура змеевика должна быть примерно постоянной. Эффективность тепловой машины холодильника/морозильника может быть ключом к лучшему пониманию того, почему чистые приборы потребляют меньше энергии.

Муза · Answer 5

Размораживание только экономит энергию, потому что внутренняя часть может быть покрыта инеем, ограничивая поток воздуха, что затрудняет работу вентилятора. Кроме того, чем больше продуктов у вас в морозильной камере, тем меньше воздуха требуется для охлаждения после ее открытия и закрытия.

У тебя есть вентилятор в морозилке?
@Turion Да, встроенная конструкция, которая перемещает воздух за обшивкой. Все то, что вы не видите, тоже замерзает.

Как разморозка морозильной камеры экономит энергию?

Сантропедро

пользователь46925

Брайс Вагнер

Ответы (5)

Герт

пользователь108787

Герт

пользователь108787

Герт

Фарчер

Герт

спрятаться

Турион

Кроули

Турион

Хассасин

Кроули

Хассасин

тво

Примечание

Кроули

Турион

Кроули

Герт

Муза

Турион

Муза

Объяснение замерзшей росы

Как образуется иней при температуре выше нуля?

Это миф, что наличие бутылок со льдом в морозильной камере повышает производительность?

Почему при попадании в холодный мешок с водой замерзает?

Почему температура меняет коэффициент трения моей плиты?

Точный режим испарения

Почему холодные вещи нагреваются медленнее, чем горячие остывают?

Почему я чувствую холодный воздух в душе?

Почему одни апельсины замерзают, а другие нет при той же температуре?

Где в микроволновке быстрее прогревается?