Тест-обзор автомобильного холодильника
Прежде чем мы коснемся тестов автомобильного холодильника, нужно разобраться, какими бывают эти портативные устройства и попытаться их классифицировать.
Начать следует с главного – разделить все устройства на два класса:
• устройства, призванные максимально долго поддерживать температуру внутри,
• устройства, способные самостоятельно изменять внутреннюю температуру, следуя установкам Хозяина 🙂
К первым относятся термобоксы и термосумки. О них мы поговорим в наших будущих обзорах. Наш автохолодильник относится ко второй группе – группе «самостоятельных» холодильников.
Многие задают вопрос: «Как работает автомобильный холодильник?», «Есть ли в нем фреон?». Все портативные холодильники подразделяются на несколько групп: компрессорные, газовые и термоэлектрические холодильники. Компрессорные холодильники работают по принципу обыкновенного домашнего холодильника, т.е. на фреоне или другом хладагенте. Плюс компрессорного автохолодильника — это возможность охлаждения до -18С.
Газовые автохолодильники — это агрегаты, которые работают по принципу абсорбирования. Их также называют абсорбционные холодильники. Хороши они прежде всего тем, что могут использоваться вдали от любых источников питания, поскольку для работы им необходим только лишь балончик с сжиженным газом.
Львиная доля портативных холодильников, представленных на рынке Украины, относятся к термоэлектрическим. Принцип работы термоэлектрических холодильников основан на открытии французского учёного Пелтье. Суть открытия заключается в «перекачивании» тепла с помощью электричества, пропускаемого через пластины из различных металлов (теплопары). В момент прохождения электричества между теплопарами тепло переходит от одной пластины к другой, тем самым получается, что одна пластина остывает, а вторая нагревается. Конструкция же автомобильного холодильника построена таким образом, что одна пластина размещается внутри рабочей зоны холодильника для того, чтобы «забирать» тепло из камеры, а ко второй подведен вентилятор для отвода тепла в окружающую среду.
При этом, если поменять полярность, то пластина внутри холодильника теперь будет «отдавать» тепло, т.е. подогревать. Именно поэтому, практически все термоэлектрические холодильники могут как охлаждать, так и подогревать.
Следует помнить, что благодаря данному эффекту удается понизить температуру в холодильнике не более, чем на 20-28 градусов ниже окружающей среды.
Итак, лето, жара, офис…
Первыми на тест «поймали» со склада холодильник SL-118
Качество сборки сносное, однако, пластик можно назвать «дубовым».
Особых проблем или неудобств это не создает, но все же …
На панели управления расположились тумблер включения/отключения, тумблер управления режимами , «крутилка» выбора температуры и ЖК-дисплей (в YA-1190). С их помощью можно выбрать нужную вам температуру в автохолодильнике в диапазоне от 0 до +60С. Также вы можете выбирать режимы. Например, режим AUTO – это установка холодильнику морозить/нагревать «до упора». Режим MUTE позволяет задавать вручную желаемую температуру, которую холодильник будет поддерживать внутри камеры.
Эврика! Данная функция будет весьма полезной для молодых мам. Портативный холодильник позволяет не только сохранять йогурты в дальних поездках, но и делать их, например, на отдыхе! Задали температуру +38С и, вуаля, холодильник превратился в йогуртницу 🙂 . Сорри за офф-топ.
Первым делом проверим заявленный производителем внутренний объем в 18 литров. Итак, результаты замеров офисной линейкой показали: высота внутреннего пространства холодильника – 25 см ,ширина и глубина – 38,5 см и 18,5 см соответственно. Перемножаем показатели и получаем -17,806 литра. А где еще стакан объема? Ах, да! В верхней крышке спряталась ниша в 1,5 см, которая при закрытом положении холодильника дополняет внутренний объем аж на целый литр! Ну что ж, тест на соответствие заявленному объему будем считать пройденным. Кстати, бутылка емкостью 2 литра в холодильник не поместится, а вот «полторашек» войдет 6 штук.
Теперь пробуем включить и проверить рабочие характеристики автомобильного холодильника. К слову, включать данные холодильники можно как в прикуриватель 12В и 24В, так в розетку 220В.
Поглядим, как они покажут себя в работе. Для проверки адекватности показаний дисплея, предварительно помещаем в холодильник обычный оконный термометр. Выбираем режим «AUTO» и понеслась. Температура за бортом ( в офисе) +27С. 20 минут работы и на дисплее +9С. 40 минут – +8С, один час — +6С, два часа — +2С, три часа — +1С… Всё. Следующие пять часов цифра на дисплее не изменилась. Так сказать «оконно-эталонный» термометр выдал ту же цыфирь. Забегая наперед (мы-то уже знаем показатели других тестируемых холодильников) стоит признать — это лучший результат для термоэлектрических холодильников!
Теперь опробуем режим «MUTE». В данном режиме согласно инструкции мы можем установить нужную вам температуру и холодильник будет ее поддерживать. Даем установку в +20С. Несколько минут и показания дисплея — + 20 С, еще через минуту — +19С, потом +18С, +17С…и понеслась : +18С, +19С, +18С, +17С, +18С, +19С. Да, интересно… Конечно есть определенные подозрения, но для точности эксперимента решили повторить. Выставляем на 16С. И опять температурная синусоида: +16С, +15С, +14С, +13С, +14С, +15С, +14С, +13С. Теперь все ясно. Во-первых, в холодильнике страдает точность установки температуры на один градус, а во-вторых, такая «температурная чехарда» обусловлена заложенным в аппарат алгоритмом поддержания заданной температуры. Иными словами, холодильник не позволяет температуре подняться выше установленного градуса в режиме охлаждения, а в режиме нагрева опустится ниже установленного градуса.
В качестве резюме можно отметить, что тестируемые автомобильные холодильники VITOL показали себя как отличные «создатели холода» и по данному параметру оказались на голову выше своих именитых конкурентов (кстати, результаты тестов оных будут представлены в наших следующих обзорах). Как оказалось, купить автомобильный холодильник в Украине с функцией выбора температуры, да еще и с цифровым дисплеем в разгар лета практически не реально. Многие импортеры встретили разгар сезона с полупустыми складами, и протестировать отдельные экземпляры просто не представилось возможным 🙂
Охлаждение процессоров
Статья написана более 2 лет назад, но некоторые моменты из нее могут быть полезны и сейчас, тем более проблемы с охлаждением процессоров проявляются все более сильно. Это связано в первую очередь с ростом их производительности. Переход на более тонкие технологии не снижает важности вопроса, поскольку у новых процессоров растет число транзисторов, а потребляемая мощность снижается только на процессорах с малыми тактовыми частотами.
Охлаждающие устройства узлов современных компьютеров — сложные конструкции, имеющие в своем составе теплообменную систему, нагнетатель теплоносителя, устройство контроля и управления и узел крепления к охлаждаемому объекту. Технические характеристики этих систем, как правило, отсутствуют, и пользователь вынужден опираться на свой опыт. Помочь разобраться поможет предлагаемая вниманию читателей статья.
Как известно, компания Intel ограничивает рабочую температуру своих процессоров на уровне +66…78 °С, AMD — на уровне +85…90 °С. При +23 °С в помещении температура воздуха внутри системного блока компьютера на 10…15 °С выше, а процессора — на 20…35 °С выше последней. В итоге температура процессора может достигать +75 ° С, а в жаркое время (+35…40 ° С) — +92 ° С.
Из этого следует, что современные процессоры при полной загрузке требуют эффективного охлаждения, и не всякий кулер ( cooler — охладитель) сможет его обеспечить. Не говоря уже о любителях выжать все, что можно из своего компьютера. Для них эффективный кулер — насущная необходимость. Поэтому часто встает вопрос, какой кулер выбрать?
В настоящее время в мире выпускается множество видов охлаждающих устройств. Это и охладители, в которых теплоносителем является воздух, и появившиеся в последнее время водяные и термоэлектрические охлаждающие устройства, и охладители на тепловых трубках, и даже такие экзотические, как парокомпрессионные холодильные установки. А любители экспериментируют даже со сжиженными газами и сухим льдом.
При современном уровне отводимых тепловых мощностей кулеры, в которых в качестве теплоносителя используется воздух * 1 , нашли широкое распространение и успешно справляются с задачей охлаждения узлов компьютера. По виду теплообмена они делятся на устройства с естественной конвекцией и с принудительной. Первые применяют в системах с тепловыделением до 10…15 Вт (например, для охлаждения микросхемы северного моста чипсета), вторые — при уровнях тепловыделения до 100 Вт. В кулерах второй группы отводимая тепловая мощность пропорциональна площади поверхности радиатора, разности температур его и охлаждающего воздуха и скорости воздушного потока. Наиболее распространены ребристые радиаторы, реже используются более сложные в изготовлении штыревые и турбинного типа.
Кулеры турбинного типа от давно известного GoldenOrb до современных моделей хорошо зарекомендовали себя благодаря высокой эффективности. Используемый автором уже три года GoldenOrb несмотря на не очень большую площадь оребрения показал себя только с положительной стороны. Он был выбран из-за свойства такой конструкции создавать растекающийся от процессора по системной плате воздушный поток который обеспечивает дополнительное охлаждение расположенных на ней компонентам. Чем обусловлена его эффективность? В результате проведенного анализа оказалось, что у радиаторов турбинного типа с ребрами постоянного сечения воздушный канал имеет увеличивающееся сечение по ходу воздушного потока, что обеспечивает постоянную и высокую скорость протекания нагревающегося воздуха в нем при малой мощности вентилятора *2 . Кроме того, правильное направление закрутки ребер по воздушному потоку снижает его газодинамическое сопротивление, скорость охлаждающего воздуха оказывается выше, чем в ребристых радиаторах (до 5 м/с; в ребристом — до 2 м/с). В результате его тепловое сопротивление соизмеримо с ребристым радиатором в два с половиной раза большей площади. Применение медного кулера этой модели может быть рекомендовано к использованию при тепловыделении до 50 Вт. Другие кулеры этого типа, например, с каналом постоянного сечения, где ребра имеют трапециевидную форму имеют меньшую эффективность.
Кулеры с игольчатыми радиаторами показали высокую эффективность благодаря большей, чем у ребристых радиаторов одинаковых габаритов, площади поверхности *3 .
Но более широкое применение нашли кулеры с ребристыми радиаторами. Они просты в расчетах и дешевы в производстве. Рассмотрим основные зависимости, описывающие характеристики таких устройств.
Прежде всего, это уравнение теплового баланса:
P = cpVS кан Δt = a SвнΔ t , (1)
где P — тепловая мощность, снимаемая радиатором; с — удельная теплоемкость воздуха; p — плотность воздуха; V — скорость воздуха в канале; S кан — площадь сечения канала; Δt = t р – t с температура нагрева воздуха в канале; t р — температура радиатора; t с — температура среды (воздуха); α — коэффициент теплоотдачи радиатора; S вн — площадь поверхности.
Тепловое сопротивление R р (оно численно равно температуре перегрева радиатора на 1 Вт подводимой мощности, °С/Вт) характеризует перепад температуры в последовательной цепи любых элементов в тепловом потоке, а в данном случае — тепловое сопротивление процессор–радиатор.
где P р — мощность, подводимая к радиатору и рассеиваемая им, Вт; Δt — перепад температур на контактной поверхности.
Зная тепловое сопротивление для каждого звена тепловой цепи, можно оценить распределение температуры по ней от радиатора до кристалла процессора.
где tp — температура радиатора; t к — температура кристалла; P проц — мощность рассеиваемая процессором; R к–к — тепловое сопротивление кристалл—корпус процессора; R к — тепловое сопротивление корпус процессора—радиатор; R р — тепловое сопротивление радиатор—среда.
Тепловое сопротивление контактной поверхности при применении теплопроводящей пасты между двумя элементами на пути теплового потока можно оценить по эмпирической формуле
где: S п — площадь контактной поверхности.
Площадь контактной поверхности существующих процессоров — примерно от 2 до 15 см 2 , тепловое сопротивление R к — от 1 до 0,15 °С/Вт, применение теплопроводящей пасты снижает его до 0,5…0,07 °С/Вт.
При использовании клеев без наполнителей удается получить R к, в лучшем случае соизмеримое со значением, соответствующим сухим контактирующим поверхностям, клеи с наполнителями позволяют достигнуть значений R к, близких к тем, что получаются при применении теплопроводящей пасты. Дело в том, что невысыхающая теплопроводящая паста под давлением фиксирующего механизма растекается, и мы получаем ее слой минимальной толщины, а клеи, быстро затвердевая, сохраняют зазор, возникший при первичной установке, а он в существенной мере и определяет тепловое сопротивление. Главный недостаток такого соединения в его жесткости : при нагреве деформации радиатора передаются в виде механических напряжений корпусу процессора, последствия могут быть печальными.
Конечно, процесс расчета теплового режима пары процессор—кулер намного сложнее, но приведенных формул достаточно для понимания процессов, происходящих в системе. А для проведения оценочных расчетов можно обратиться к специальной литературе (см., например, Справочник конструктора РЭА под ред. Р. Г. Варламова (М.: Советское радио, 1980).
Жидкостные кулеры бывают двух типов: самотечные и с принудительной прокачкой. Первые, несмотря на применение теплоносителя (воды) с большей, чем у воздуха теплоемкостью, имеют характеристики, соизмеримые с таковыми лучших воздушных кулеров, что намного ниже ожидаемых. Объясняется это малой скоростью протекания теплоносителя и требуемой разностью температур для создания перепада давления в узле съема тепла с процессора и теплообменнике. При применении принудительной прокачки теплосъем более эффективен, и температура процессора оказывается на 10…15 ° С ниже, чем в предыдущем случае. Но если качество соединения трубок можно обеспечить только за счет аккуратности, то при наличии избыточного давления в соединительных трубках проблемы обеспечения герметичности решить сложнее. Нельзя забывать, что вода имеет большой коэффициент объемного расширения, поэтому необходима дополнительная емкость, располагающаяся выше самого верхнего узла системы. Согласно правилам, эта емкость должна иметь устройство, выравнивающее давление окружающего воздуха и в системе охлаждения. В простейшем случае — это отверстие, сообщающее ее с внешней средой. В результате пары воды всегда будут поступать в объем системного блока. Применение герметичных устройств выравнивания давлений снижает надежность конструкции.
Существуют и трудности, о которых производители не пишут, но с которыми сталкивались все, кто работал с системами водяного охлаждения электронного оборудования. Это — микроорганизмы *4 . Для предотвращения их роста в таких комфортных условиях необходимо принимать специальные меры и не менее одного раза в год промывать систему.
Использование жидкостных кулеров эффективно при мощностях более 1000 Вт. Для охлаждения процессоров их применять не рекомендуется из-за малой отводимой мощности и сложности эксплуатации.
Еще один вид кулеров — устройства с применением термоэлектрических элементов Пельтье . Примером может служить кулер с воздушным охлаждением MCX462+T фирмы SwiftTech на тепловые нагрузки до 100 ватт. Изделие предназначено для использования в системах, где жидкостное охлаждение недопустимо . 127 термоэлементов этого кулера питаются от рекомендованного фирмой источника питания «Meanwell S320-12» с выходным напряжением 15,2 В и током нагрузки 24 А. Устройство обеспечивает максимальную холодопроизводительность 226 Вт и разность температур более 67 ° С. Его цена без вентилятора — около 90, а полного комплекта — 130…170 долл. USA.
По сути, элемент Пельтье является тепловым насосом. Он обеспечивает перекачку тепла от процессора к радиатору, затрачивая на это энергию и добавляя к теплу, выделяемому процессором, свое тепло, которое при КПД около 50 % соизмеримо с отводимым, а это повышает тепловыделение в системном блоке *5 .
Необходимо также обеспечить «умное» управление термоэлектрической батареей в зависимости от нагрева процессора для предотвращения избыточного понижения его температуры и, как следствие, конденсации влаги на нем. Регулировка холодопроизводительности термоэлементов позволяет гибко отслеживать тепловыделение процессора и оптимизировать потребляемую мощность.
К достоинствам кулеров на элементах Пельтье можно отнести их способность понижать рабочую температуру процессора на 67 ° С, к недостаткам — большую потребляемую мощность (до 100 Вт) и тепловыделение, сложность конструкции и отсутствие системных плат, оборудованных устройствами автоматического управления ими. Без контроля температуры процессора возможен выход из строя его и СП. Данный вид кулеров при совместной работе с устройством управления может быть рекомендован для экспериментов с «разгоном» микропроцессоров.
Хотелось бы предостеречь от самостоятельного изготовления такого кулера: в «лучшем» случае вы потеряете процессор, а в худшем — еще и системную плату. Дело в том, что для эффективного охлаждения необходимо с минимальным тепловым сопротивлением сопрячь две пары поверхностей (процессор—термоэлемент и термоэлемент—радиатор) при строго заданном усилии сжатия. С высоким качеством это может сделать только специалист, имеющий большой опыт работы с подобными устройствами. В случае же неудачи применение такого кулера принесет только дополнительные проблемы.
Для оценки тепловых характеристик стандартного воздушного кулера с ребристым радиатором и его эффективности в зависимости от материала радиатора (алюминиевый сплав, медь) был выполнен расчет с ориентацией на кулер процессора P4 в соответствии с методикой, описанной в упомянутом выше справочнике.
Исходные данные: ребристый радиатор с площадью обдуваемой поверхности 1560 см 2 , поверхность — шероховатая, черненая, крепление — стандартное; рассеиваемая мощность 80 Вт, температура воздуха +40 ° С, скорость продувки — около 1м/с. Результаты расчета иллюстрируются таблицей и графиками, изображенными на рисунке. В таблице приняты следующие обозначения: ΔT р–кр — перепад температуры на переходе радиатор—кристалл (меньшее значение — при использовании теплопроводящей пасты, большее — без нее); T кр — температура кристалла в тех же случаях; Ррас — суммарная мощность, отводимая радиатором; Pрас. изл. черн — мощность, рассеиваемая через излучение черненым радиатором.
| Температура радиатора, °С |
D T р–кр, °С | T кр, °С | P рас, Вт | P рас. изл. черн, Вт | ||
| Al | Cu | Al | Cu | |||
| 24 | 6…9 | 30…33 | 33 | 48 | 2,2 | 3,6 |
| 32 | 8…11 | 40…43 | 43 | 65 | 3,4 | 5,1 |
| 42 | 11…17 | 53…59 | 57 | 85 | 3,6 | 7 |
| 52 | 14…21 | 66…73 | 71 | 105 | 5,6 | 9 |
В графе D Tр–кр , — С указаны возможные значения для
различного теплового сопротивления радиатор – кристалл.
Как видно из рисунка, радиатор из алюминиевого сплава (Al) обеспечивает (при прочих равных условиях) отвод порядка 77 Вт тепловой мощности при температуре радиатора +52 ° С, а из меди (Cu) температура радиатора около +34,5 °С при той же мощности. У рассмотренного кулера температура радиатора из меди ниже в 1,5 раза на одинаковой тепловой мощности. Это позволяет рекомендовать применение медных радиаторов в кулерах для охлаждения мощных процессоров. Они успешно справляются с задачей (при толщине ребра более 1 мм), не имея недостатков водяных и термоэлектрических устройств. Таблица позволит оценить для этих точек температуру кристалла.
Рассчитанный радиатор имеет контактное тепловое сопротивление Rк = 0,2 °C/Вт с теплопроводящей пастой и 0,4 ° C/Вт без нее. Тепловое сопротивление радиатора из алюминиевого сплава равно 0,67 ° С/Вт, из меди — 0,45 ° С/Вт (в обоих случаях при указанной выше мощности).
Анализируя уравнение теплового баланса (1) и исходя из опыта эксплуатации систем охлаждения, можно рекомендовать:
— использовать в системном блоке нагнетающий вентилятор. Применение вытяжного понижает давление в блоке и ухудшает охлаждение всех его узлов;
— узлы и кабели размещать в системном блоке так, чтобы обеспечить свободные пространства для прохождения потоков охлаждающего воздуха к тепловыделяющим узлам и далее наружу системного блока,
— выбирать кулер с оптимальной площадью каналов радиатора. Она должна быть соизмерима с проходным сечением вентилятора—нагнетателя, в этом случае воздушный поток будет однородным, и вентилятор обеспечит нагнетание без избыточных затрат энергии. Отложение пыли на вентиляторе и в каналах радиатора свидетельствует о скачке давления или неустойчивом воздушном потоке в месте ее скопления, поэтому необходимо упорядочить его течение. Заниматься повышением скорости воздуха бесперспективно, так как в данном сечении она определяется только перепадом давления по пути потока. А давление, создаваемое осевыми вентиляторами, не превышает 2…5 мм. водяного столба и при увеличении мощности его электродвигателя практически не возрастает;
— применять вентилятор с многолопастной (семь и более) крыльчаткой;
— понижать температуру в системном блоке, располагая его как можно дальше от источников тепла (чем ниже температура воздуха в месте установки блока, тем ниже она внутри него и тем холодней процессор);
—выбирать радиатор с оптимальными высотой и толщиной ребер. Из-за большого теплового сопротивления температура очень тонких ребер намного ниже температуры основания, поэтому эффективность охлаждения падает, несмотря на их большую площадь. При толщине ребер около 1 мм предпочтение следует отдать медному радиатору, как более эффективному;
— применять радиаторы с ребрами, форма сечения которых обеспечивает близкий к равномерному теплосъем по всей поверхности ребра Таковы, например, радиаторы кулеров Spire 9T207B1H3G компании Fanner Tech. В сечении их ребра представляют собой трапецию с отношением оснований 2:1 (1,2 и 0,6 мм). Температура на поверхности такого ребра более равномерна, что повышает его эффективность по сравнению с ребром прямоугольного сечения;
— и, наконец (это уже для разработчиков и изготовителей), ввести тепловое сопротивление в перечень характеристик кулеров, как обязательный параметр.
И общая рекомендация , о которой можно было бы не говорить по причине ее избитости, но практика показывает, что не все профессионалы придерживаются ее. Правильно применяйте теплопроводящую пасту, она облегчит режим работы процессора. При снятии кулера должен наблюдаться тонкий, почти прозрачный слой пасты на всей контактной поверхности. Я же многократно наблюдал шлепок в центре. Такое применение пасты только ухудшит условия охлаждения.
Подведем итоги. Чтобы представлять, как обеспечивается отвод тепловой мощности от процессора надо знать некоторые положения и зависимости:
1. Потребляемая мощность всегда больше тепловой мощности, выделяемой процессором;
2. Тепловая мощность, рассеиваемая процессором, меняется во время его работы и зависит от его загрузки, поэтому имеет статическую и динамическую составляющие. Первая из них — это мощность, рассеиваемая процессором, находящимся в режиме ожидания, зависит только от модели процессора (его внутренней структуры) и не равна нулю для современных процессоров AMD и Intel . Вторая изменяется в процессе работы процессора, зависит только от его загрузки и представляет собой разность между общей тепловой мощностью и ее статической частью
3. Часть выделяемой процессором тепловой мощности рассеивается охлаждающим устройством через излучение.
4. Эффективность любого кулера характеризуются его тепловым сопротивлением.
Комментарии с позиции 2006 года.
*1. Больше того, сейчас появились новые кулеры охлаждаемые воздухом — «кулеры на тепловых трубках». Практика показала, что существующие кулеры воздушного охлаждения успешно работают уже сейчас при мощностях тепловыделения процессоров до 130 Вт. Применение кулеров с воздушным принудительным охлаждением возможно на мощностях тепловыделения до 150-170 Вт. Правда это должны быть хорошо просчитанные конструкции и требования к их установке достаточно жесткие.
*2 . Здесь, на больших скоростях воздушного потока, возможен мало известный эффект — захолаживания. Эффект является проявлением закона Гей-Люссака (уравнения изобарического процесса), когда при расширении газа происходит пропорциональное понижение его температуры.
*3 . Извините за неточность, площадь поверхности та же, что и у ребристых, но площадь каналов в два раза больше, в результате меньше сопротивление воздушному потоку и выше его скорость на одних и тех же вентиляторах. А увеличении скорости воздушного потока в два раза приводит к увеличению отводимой тепловой мощности в два раза.
*4 . Для борьбы с микроорганизмами производители применяют различные химические присадки (вариант — 18% раствор этилового спита), но посмотрите, что получится после их эксплуатации в течении года — двух.
*5. КПД 50% означает, что при тепловыделении 80 Вт в системном блоке будет выделяться эти 80 Вт плюс 80 Вт затраченные на удаление этой мощности. И того получается 160 Вт. Подумайте, какой корпус нужен для такого тепловыделения?
Главный по кухне, или Как выбрать холодильник?
Сегодня вряд ли кто-то станет оспаривать утверждение, что главный прибор в кухне — холодильник. Ведь если для обработки продуктов и их приготовления придумано множество самых разных приспособлений, то в области хранения продуктов холодильнику альтернативы нет. Прекрасно понимая потребности потребителей, производители старательно совершенствуют свои приборы, регулярно предлагая нам все новые и новые возможности. Авторазморозка, система обдува, зоны свежести, антибактериальные покрытия, вынесенные на дверцу блоки управления — от такого количества «фишек» голова идет кругом. А ведь холодильник выбирается нами надолго (в идеале — раз и навсегда). Как понять, какие функции действительно полезны, а какие — рекламный трюк? Как не пройти мимо «своего» холодильника?
Прежде, чем искать ответ на поставленный вопрос, определитесь, чего вы ожидаете от «генерала кухни». Что, в каком количестве и как долго вы собираетесь хранить? И, наконец, какую цену вы готовы заплатить за холодильник?
Для начала разберемся с типологией холодильников. Для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов и напитков используются отдельно стоящие и встраиваемые холодильники и морозильники, холодильные и винные шкафы с глухими и прозрачными дверьми, переносные и транспортные холодильники. Помимо этого, существуют «узкоспециальные» охладители для воды, ледогенераторы для приготовления пищевого льда, мороженицы и холодильники для косметики и лекарств.
Ассортимент холодильников включает тысячи различных моделей в разных ценовых диапазонах. Самый маленький холодильник предназначен для охлаждения стакана с напитком на столе компьютерщика. Многодверный холодильник в виде шкафа распашного типа позволяет быстро охлаждать и замораживать различные продукты и длительное время хранить их в разных состояниях и в достаточно больших количествах. Наиболее широко на рынке представлены отдельностоящие двухкамерные холодильники, меньше — однокамерные и встраиваемые модели. Далее идут морозильники, холодильники-витрины с прозрачными дверьми и винные холодильники. Отдельные ниши холодильного рынка занимают минихолодильники: переносные, автомобильные, для лекарств и косметики, охладители воды и напитков, ледогенераторы и мороженицы.
Холодильники различают по типу системы охлаждения: компрессионные, абсорбционные и термоэлектрические.
Подавляющее большинство холодильников имеет компрессионное охлаждение. В этом случае охлаждающая жидкость (хладагент) циркулирует под давлением компрессора. Компрессионные холодильники наиболее экономичны и практически не имеют ограничений по объему.
В абсорбционных холодильниках нет компрессоров, а циркуляция хладагента осуществляется за счет нагрева теплообменника. Абсорбционное охлаждение применяют на холодильниках небольших и средних размеров. При одинаковом объеме абсорбционные холодильники потребляют больше электроэнергии, чем компрессионные, но меньше, чем термоэлектрические. Основным преимуществом абсорбционного способа охлаждения перед термоэлектрическим и компрессионным является возможность использования альтернативных источников энергии: жидкого и газообразного топлива. Комбинированные электрогазовые холодильники работают на постоянном и переменном токе и на сжиженном газе. Как правило, газового баллона емкостью 5 л хватает на 230 ч непрерывной работы.
В термоэлектрических холодильниках охлаждение происходит при прохождении постоянного электрического тока через термоэлектрические полупроводниковые пластины. Одна часть пластин находится внутри камеры холодильника, а другая — снаружи. В режиме охлаждения внутренние части пластин охлаждаются, а наружные — нагреваются. При изменении направления тока внутренние части пластин нагреваются, а наружные — охлаждаются. Перерасход электроэнергии термоэлектрическим холодильником в сравнении с абсорбционными и компрессионными аналогами возрастает с увеличением его объема. По этой причине и компактности агрегата термоэлектрический способ охлаждения преобладает в минихолодильниках.
Если вы чувствительны к шуму и вас беспокоит даже незначительный шорох, ищите холодильник с термоэлектрическим охлаждением. Такой прибор не имеет ни компрессоров, ни хладагента и будет работать тише других. Компрессионные холодильники обязательно шумят, поскольку не существует абсолютно бесшумных компрессоров. Наибольший шум создают компрессоры с внешней подвеской. Самые тихие в своей размерной группе — холодильники с линейными компрессорами. Абсорбционные холодильники относятся к малошумным. Они издают только слабые булькающие звуки при перетекании жидкости по трубопроводам.
Абсорбционные и термоэлектрические холодильники в нашей стране были широко распространены в 50-е и 60-е годы ХХ века. В XXI веке в РФ имеется много разработок термоэлектрических холодильников, но выпускаются они очень ограниченными партиями. Серийное производство отечественных абсорбционных холодильников прекращено в 90-е годы.
Наиболее важные параметры при выборе холодильника — климатический класс, класс комфортности и класс экономичности.
Климатический класс определяет предельные параметры окружающего воздуха, при которых обеспечиваются заявленные изготовителем технические показатели. Холодильники для умеренного климата должны обеспечивать указанные в паспорте параметры при температурах окружающего воздуха до 32 °С, модели тропического исполнения до 43 °С. Тропические холодильники имеют более мощные холодильные агрегаты и более стойкие к атмосферным воздействиям и насекомым материалы и покрытие. (Узнать больше о климатических классах холодильников).
Класс комфорта двухкамерного холодильника определяется, прежде всего, расположение камеры для замороженных продуктов. Если вы собираетесь купить невысокий холодильник с небольшим объемом — выбирайте верхнее расположение низкотемпературной или морозильной камеры. Так вы будете тратить меньше энергии и времени на загрузку-выгрузку продуктов. Если вы остановили свой выбор на высоком холодильнике с большим объемом — то сверху должна быть расположена та камера, которой вы будете пользоваться чаще (как правило, холодильная). Если же вы планируете приобрести холодильник Side by Side — удобно будет, если камеры будут расположены рядом, как в распашном шкафу. Но такие холодильники трудно разместить в малогабаритной кухне и находятся они в более высоком ценовом диапазоне.
Другим важным фактором комфорта является способ оттаивания. Однокамерные холодильники с ручным оттаиванием более трудоемки в обслуживании, но зато они стоят дешевле. Наименьших затрат на гигиеническую уборку требуют более дорогие приборы с автоматическим оттаиванием, гладкими стенками и стеклянными полками.
Сегодня вы имеете возможность выбирать и способ охлаждения продуктов. Охлаждение за счет естественной циркуляции воздуха предпочтительно для свежих продуктов, овощей и фруктов, поскольку защищает их от высыхания. В холодильных камерах с самооттаивающим испарителем или стенкой вся влага остается внутри камеры. Высокая влажность воздуха благоприятно влияет на хранение повседневных продуктов, задерживая увядание и усушку. В пользу этого способа и минимальные затраты электроэнергии на охлаждение продуктов.
Вентилятор в холодильной камере с самооттаивающим испарителем или стенкой включают, когда нужно быстрее охладить продукты и напитки. Он заставляет воздух интенсивно циркулировать между полками, обеспечивая равномерную температуру на каждом «этаже» и сохраняя повышенную влажность. Таким образом обеспечивается более быстрое охлаждение теплых продуктов сразу же после их загрузки и восстановление заданного температурного режима хранения после открывания двери.
В холодильниках с принудительным охлаждением вентилятором в обеих камерах все стенки не обмерзают («ноу фрост»). Замороженные продукты обдуваются сухим холодным воздухом и поэтому не покрываются инеем. Свежие продукты из-за пониженной влажности нужно тщательно упаковывать, чтобы не происходило увядания и усушки. Преимущества технологии не обмерзающих стенок проявляются на больших (объемных) моделях и при эксплуатации в условиях повышенной влажности. Наличие вентилятора, реле и нагревателей в холодильниках типа «ноу фрост» является причиной повышенного потребления электроэнергии и снижения надежности прибора. Каждый узел с движущимися механическими частями и электрическими контактами может приводить к отказам.
Холодильники с не обмерзающими стенками разных марок имеют различные конфигурации воздушных каналов, обеспечивающих более или менее равномерное охлаждение продуктов во всех зонах. Наиболее равномерное распределение температур по объемам камер обеспечивают системы с «многопоточными» («multi-flow») и «перекрестными» («X-flow») каналами. Чем больше воздушных каналов — тем больше потери полезного объема при неизменных габаритах прибора. (На рисунке — независимые системы циркуляции воздуха в холодильной и морозильной камерах холодильника Samsung Side by Side).
Повышенная комфортность холодильников предполагает наличие дополнительных устройств и принадлежностей, повышающих удобство пользования. Деление по классам комфортности достаточно условно и зависит от национальных особенностей стран-импортеров, отраженных в конструкции холодильников. Более высокому классу комфортности соответствуют более высокие удобства пользования.
Перечислим наиболее популярные средства повышения комфортности:
— возможность перенавешивания двери позволяет изменить направление ее открывания после доставки холодильника в квартиру и при перепланировке кухни;
— ограничители и фиксаторы открывания дверей защищают рядом стоящую мебель от случайных повреждений;
— устройства для облегчения открывания дверей значительно уменьшают усилие, которое нужно приложить к ручке холодильника (открыванию препятствует внутреннее разрежение воздуха, возникающее при низких температурах внутри холодильника, а рычажное устройство сначала отжимает уплотнитель в узкой зоне и разгерметизирует камеру, а затем вам остается преодолеть только усилие магнита 5-7 кг, притягивающее дверь к шкафу);
— конструкция и материал полок влияют на трудоемкость уборки и эстетическое восприятие (прозрачные полки защищают расположенные ниже продукты от загрязнения случайно пролитыми жидкостями и облегчают гигиеническую уборку, но затрудняют циркуляцию воздуха; решетчатые полки не препятствуют циркуляции воздуха и способствуют более равномерному охлаждению продуктов; полка или устройство для горизонтального хранения бутылок не только помогает более эффективно использовать полезный объем камеры, но и лучше сохранить качество вина;
— большие выдвижные сосуды, ящики и корзины удобны для размещения и доступа к продуктам (прозрачные сосуды позволяют видеть содержимое и создают более благоприятное восприятие, чем сосуды из непрозрачной пластмассы; решетчатые корзины обеспечивают свободную циркуляцию воздуха вокруг продуктов и более благоприятные условия для охлаждения, чем пластмассовые ящики, зато через решетки мелкие ягоды и частички продуктов могут проскакивать в расположенные ниже корзины);
— различные судки упрощают размещение мелко фасованных продуктов и создают привлекательный вид интерьера в холодильнике (неглубокий лоток помогает замораживать пельмени и ягоды; в ледоформах можно готовить пищевой лед в кубиках различных размеров и замораживать яичные желтки; пластмассовый скребок помогает счищать иней с обмерзших поверхностей без опасения повредить их);
— указатели сроков хранения с общепринятыми символами продуктов на передних стенках ящиков, щитках корзин, дверках секций или на панели двери помогают более рационально разместить продукты по секциям морозильной камеры (календари хранения подсказывают, до какого срока продукт нужно использовать и помогают снизить потери от порчи продуктов с просроченным временем хранения);
— съемные теплоизолирующие перегородки между секциями в морозильной камере помогают снизить потребление электроэнергии при неполной загрузке (изолируя пустые секции, можно экономить до 50 % потребления электроэнергии морозильником);
— важной принадлежностью холодильников разных типов являются аккумуляторы холода в виде брикетов и поддонов разной конфигурации, заполненные теплоемким солевым раствором (они помогают стабилизировать температуру хранения, повышают мощность замораживания и увеличивают время безопасного хранения продуктов в аварийных ситуациях).
По экономичности международные стандарты предусматривают 9 классов от A++ (самый высокий) до G (самый низкий). Классы A++, А+, А и B устанавливают для экономичных моделей, С и D для моделей с умеренным потреблением электроэнергии. Разница в потреблении электроэнергии холодильников одинаковой емкости с классами экономичности A++ и G может быть двукратной. Большинство стран поощряет изготовителей экономичных холодильников. Наиболее дешевые модели с повышенным потреблением электроэнергии постепенно уходят с рынка.
При оценке класса экономичности учитывают полезный объем холодильника, расход электроэнергии и наличие дополнительных электрических механизмов, повышающих удобства пользования (вентилятора и нагревателей для обеспечения автоматического оттаивания, ледогенератора, раздаточного устройства для охлажденной воды и т.п.). Холодильник повышенной комфортности имеют нормативный и фактический расход электроэнергии выше, чем холодильник стандартного исполнения такого же объема. Но классы экономичности у них могут быть одинаковыми.
На экономичность холодильника влияют конструкция, качество изготовления и условия эксплуатации. Реальное потребление электроэнергии зависит от особенностей системы охлаждения, толщины и качества теплоизоляции. К эксплуатационным факторам относятся температура окружающего воздуха и качество уплотнения двери, количество открываний двери и загрузка продуктами, а также частота использования режима замораживания.
Важными потребительскими показателями являются надежность и долговечность холодильников. С ними связаны сроки службы. Заявленный срок службы — это время, в течение которого изготовитель и продавец обязуются бесплатно проводить гарантийное обслуживание и ремонт холодильника. Чем больше срок официальной гарантии изготовителя — тем на большее время вы будете застрахованы от лишних затрат при обнаружении скрытых дефектов в холодильнике.
Большинство европейских изготовителей на российском рынке дает гарантию на холодильник всего 1 год. Некоторые изготовители предоставляют одногодичную гарантию на холодильник и 5 лет — на его компрессор, отдельные фирмы берут обязательства по гарантийному обслуживанию до 5 лет. На российские и белорусские холодильники общая гарантия 3 года.
Для покупателей с ограниченными материальными возможностями при покупке холодильника определяющее значение может иметь цена, которая не всегда соответствует качеству холодильника. Цена зависит от спроса, а спрос — от марки, технико-экономических показателей и комфортности. Чем больше холодильник, престижнее марка, выше комфортность и ниже энергопотребление, тем выше цена. Преобладающее влияние на цену оказывает марка. Однодверный холодильник небольшого объема, но престижной марки, может стоить дороже двухкамерного двухдверного холодильника объемом до 400 л, но менее престижной марки. У разных продавцов разброс цен на одну и туже стандартную модель может составлять несколько тысяч рублей, а на дорогой холодильник престижной марки — десятки тысяч рублей.
А теперь поищем холодильник, соответствующий вашим требованиям.
Остановившись на определенном типе холодильника, вы сокращаете зону поиска нужной модели, оптимальной лично для вас по цене и экономичности в эксплуатации, удобствам пользования и дизайну. Выбирая холодильник по потребительским показателям, необходимо оценить их приоритеты («рейтинг»). Что важнее лично для вас: цена или экономичность в эксплуатации и возможности сохранения замороженных продуктов в аварийных ситуациях, температуры хранения и мощность замораживания или шум, удобство пользования или дизайн?
Объемы для хранения продуктов в свежем, охлажденном и замороженном состоянии, возможности замораживания и длительного хранения, получения пищевого льда и охлаждения напитков должны отвечать вашим потребностям с учетом их роста в ближайшие годы.
Повседневные продукты хранят в холодильных камерах (ХК) при температурах до 10 °С. Охлажденные свежие продукты лучше сохраняются в отделениях и камерах «свежести» при температурах около 0 °С. Если в вашем рационе преобладают различные овощи, зелень, свежая рыба и парное мясо, покупайте холодильник с «нулевыми» отделениями или камерами. В условиях «влажной свежести» (+0,5. 3 °С и влажность около 90%) овощи и фрукты сохраняют свежесть минимум в 3 раза дольше, чем при более высоких температурах в холодильной камере. В условиях «сухой свежести» (-3. 0 °С и влажность около 50%) парное мясо и свежая рыба сохраняются до 7 дней без нарушения их питательных и вкусовых качеств. Отделения «свежести» бывают в холодильных шкафах, двух- и многокамерных холодильниках.
При отсутствии потребности в замороженных продуктах и пищевом льде предпочтительны холодильные шкафы (однокамерные холодильники без отделений для замороженных продуктов) и шкафы-витрины, как наиболее экономичные и надежные холодильники.
Если вы употребляете мало замороженных продуктов и не нуждаетесь в длительном хранении, по экономическим соображениям целесообразно покупать однокамерный холодильник с низкотемпературным отделением (НТО) либо двухкамерный однодверный с изолированной низкотемпературной (НТК) или морозильной (МК) камерой небольшого объема.
Замороженные продукты в НТО без маркировки можно хранить нескольких дней, в НТО с одной звездочкой (-6 °С) до 2 недель, с двумя звездочками (-12 °С) — до 3 месяцев, с тремя звездочками (-18 °С) — до года. Нарушение приведенных рекомендаций может нанести ущерб здоровью, поскольку некоторые бактерии способны размножаться при отрицательных температурах. Холод не убивает, а лишь замедляет жизнедеятельность болезнетворных бактерий.
Чтобы продукты сохранялись в течение многих месяцев, они должны быть быстро заморожены и температура хранения должна быть не выше рекомендованной диетологами. Большинство изготовителей считает, что при длительном хранении температура замороженных продуктов не должна превышать -18 °С. Такие холодильники маркируют 3 звездочками (***). Дальнейшее значительное понижение температуры хранения нецелесообразно, поскольку выигрыш в увеличении сроков хранения будет не существенным, а увеличение расхода электроэнергии значительным.
Для тех, кто заготавливает продукты впрок, предпочтительны холодильники с маркировкой 4 звездочками Х(***), имеющие режим быстрого замораживания. Быстрое замораживание продуктов необходимо для максимального сохранения питательных, вкусовых и гастрономических качеств. Чем ниже температура и тоньше ломтик или брикет, тем быстрее продукт промерзнет на полную глубину. В режиме быстрого замораживания температура в отделении/секции, в которое нужно закладывать свежие продукты, должна понижаться не менее, чем на 6 °С, от температуры длительного хранения. При естественном охлаждении температура замораживания должна быть не выше -24 °С. В некоторых холодильниках температура замораживания составляет до -32 °C. При таких условиях время замораживания сокращается, но увеличивается расход электроэнергии и усиливается опасность появления утечек хладагента. Многие продавцы такой режим называют суперзамораживанием.
В морозильниках с принудительным охлаждением вентилятором и применением других технологий для ускорения охлаждения, в том числе аккумуляторов холода, необходимая скорость замораживания может обеспечиваться при температурах -20…-23 °C. Замораживание при более высоких температурах во всех случаях приводит к медленному росту кристаллов льда в тканях продукта и разрыву их. После размораживания через разрывы вытекают соки, происходит потеря питательных и вкусовых качеств.
Возможности замораживания продуктов от комнатной температуры до -18 °С характеризует мощность замораживания, измеряемая в кг за сутки. Она составляет около 1 кг/24 ч на каждые 10 л полезного объема морозильной камеры. Мощность замораживания следует выбирать, исходя из собственных потребностей на ближайшие годы.
Возможности сохранения замороженных продуктов при отключении электроэнергии или отказе системы охлаждения при одинаковом качестве теплоизоляции определяются толщиной стенок холодильника. Этот показатель принято оценивать по времени, за которое температура внутри продукта повышается от -18 до -9 °С. Холодильники с увеличенной толщиной теплоизоляции экономичнее в эксплуатации и дольше сохраняют продукты в аварийных ситуациях. Применение аккумуляторов холода увеличивает время безопасного хранения замороженных продуктов.
Традиционный двухкамерный холодильник имеет холодильную и низкотемпературную/морозильную камеры. В начале нового века на российском рынке появились двухкамерные холодильники с отделениями/камерами «свежести». В продаже представлены двухкамерные холодильники, в которых имеются холодильная камера и камера «свежести», но нет морозильной, и модели, в которых имеется винная камера и морозильная, но нет холодильной.
Комбинированные холодильники-морозильники с двумя компрессорами по удобствам пользования незначительно отличаются от двухкамерных холодильников с одним компрессором, но существенно дороже в изготовлении и менее надежны в эксплуатации.
Двухкамерные и комбинированные холодильники-морозильники могут быть с 1, 2 и 3 дверьми. Двух-, трех- и много-дверные холодильники обеспечивают продолжительное хранение достаточно большого количества продуктов в различных состояниях.
При выборе холодильника для городской квартиры необходимо учитывать возможности доставки от подъезда до места установки и удобного размещения. Габариты холодильника должны быть хотя бы немного меньше размеров дверных проемов в лифте, входной двери в квартиру и межкомнатных дверей на пути до места установки. Для наиболее распространенных кухонь площадью около 6 кв.м. хорошо подходят холодильники, ширина и глубина которых соответствуют унифицированному размеру кухонного оборудования (60х60 см). Для кухни площадью менее 6 кв.м. лучше подходит холодильник с минимальной шириной 45-50 см. Эстетика кухни не страдает, если передний торец шкафа БХП располагается в одну линию с остальным кухонным оборудованием, а дверь выступает за фронт стола, плиты и мойки.
При выборе холодильника для сельской местности повышенное внимание следует уделить обеспечению защиты от поражения электрическим током и пожарной безопасности. При сбоях в системе энергоснабжения предпочтительнее холодильники с электромеханическим управлением, сохраняющие работоспособность при максимальных отклонениях напряжения. Длительное повышение и понижение напряжения от допустимого уровня опасно для электродвигателя компрессора. Броски напряжения крайне опасны для электронных приборов управления.
Выбираем холодильник в нижнем и среднем ценовом диапазонах.
В указанных диапазонах цен представлены массовые холодильники почти всех типов и классов объемом до 400 л с 1, 2 и более дверьми, имеющие стандартное исполнение. Среди них холодильники всех отечественных марок (Бирюса, Позис, Саратов, Смоленск), стран СНГ (Атлант, Норд, Snaige) и дальнего зарубежья (итальянские Ardo, Ariston, Indesit, Zanussi; немецкие AEG, Bosch, Hansa, Kaiser, Liebherr, Siemens; шведские Electrolux; турецкие Beko и Vestel; испанские Fagor; Gorenje из Словении). Большинство европейских моделей белого или серебристого цветов. Датские холодильники Vestfrost, корейские (Daewoo, LG, Samsung) и японские (Sharp, Toshiba) имеют несколько вариантов цветового исполнения.
Массовые недорогие холодильники с марками: Ariston, Bosch, Daewoo, Electrolux, Indesit, LG, Snaige и Zanussi изготавливают на российских предприятиях.
В пределах 20 тыс. руб. можно подобрать минихолодильник, одно-, двух-, трехдверный холодильник, холодильный и винный шкаф с глухой и прозрачной дверью, горизонтальный или вертикальный морозильник. Ваш холодильник может иметь потребительские показатели, которые ранее присутствовали только в дорогих моделях повышенной комфортности. К устройствам, повышающим удобства пользования холодильниками с умеренными ценами, относятся:
— автоматическое оттаивание, возможность изменения направления открывания, ограничители, доводчики и ручки с механизмами для облегчения открывания дверей;
— стеклянные полки и прозрачные судки;
— поворотные ледоформы и бункеры, создающие дополнительные удобства при извлечении и хранении кубиков льда. При повороте вручную ледоформа изгибается и кубики льда из нее высыпаются в накопительный бункер;
— индикаторы температуры на панели приборов (некоторые модели комплектуют специальными термометрами);
— звуковая и световая сигнализация о повышении температуры и не плотно закрытой двери, помогающая предотвратить возможные убытки от порчи продуктов;
— календари хранения и указатели, помогающие быстро определить, какой продукт следует использовать раньше и где он находится;
— регистрирующие устройства в виде индикатора с окрашенной жидкостью, предупреждающие о повышении температуры замороженных продуктов во время Вашего отсутствия. При низких температурах жидкость остается замороженной вверху индикатора. Если температура поднимается выше критического уровня, жидкость тает и стекает вниз;
— экономичный режим работы («режим отпуска» или «ожидания»), предотвращающий образование плесени и неприятного запаха в пустой холодильной камере и отепление замороженных продуктов в морозильной. Когда Вы находитесь в длительной командировке или в отпуске, холодильник работает с минимальным потреблением электроэнергии, поддерживая в пустой холодильной камере температуру около 15°С.
Выбираем холодильник высоким уровнем удобства пользования.
Наиболее комфортные холодильники находятся в среднем и высоком ценовых диапазонах. При массовом производстве более комфортные холодильники лишь немного дороже аналогов стандартного исполнения.
Повышенные удобства создают зоны сохранения свежести, долговечные галогенные лампы освещения, инфракрасные облучатели, увеличивающие сроки хранения продуктов, поглотители запахов, ледогенераторы с раздаточными устройствами, встроенные телевизоры и другие бытовые приборы.
Раздаточные устройства для пищевого льда и охлажденной воды имеют двухкамерные холодильники с не обмерзающими стенками и распашными дверьми американского, европейского и азиатского производства. Наиболее дорогие американские холодильники с раздаточными устройствами и барами в дверях (Amana, Frigidaire, General Electric, Maytag, Northland, Viking) и европейские модели (AEG, Bosch, Gaggenau, Kuppersbusch, Liebherr, Siemens). Корейские Daewoo, LG и Samsung имеют характерные национальные отличия по дизайну и занимают отдельную нишу рынка в среднем ценовом диапазоне. Лед используют для приготовления холодного чая, кофе, соков, коктейлей и других холодных напитков.
В холодильниках с раздаточными устройствами автоматический ледогенератор шлангами подключается через специальный фильтр к водопроводу либо к большой стандартной бутыли с очищенной водой. Ледогенератор повышенной производительности может приготовить до 4 кг льда в кубиках или дробленом виде. Раздаточное устройство позволяет нажатием стакана на клавишу получить холодную очищенную воду, кубики или крошево льда, не открывая двери морозильной камеры. Хорошо очищенная и охлажденная до 8-12 °С вода идеальна для питья и приготовления пищи.
Подача воды из стандартной бутыли большой емкости снимает сложные проблемы очистки, регулирования температуры и давления. Система подачи воды из бутыли позволяет увеличить полезный объем камеры для хранения продуктов в сравнении с моделями холодильников, имеющими систему подачи воды из водопроводной сети. Бутыль с насосом может быть установлена рядом с холодильником или на расстоянии до 6 м.
На китайских холодильниках Haier и японских Sharp и Toshiba применяют упрощенные ледогенераторы, не предназначенные для подсоединения к водопроводу. Упрощенный ледогенератор работает в полуавтоматическом режиме. Предварительно очищенную или бутылированную воду нужно вручную залить в бачок, расположенный в холодильной камере и соединенный трубкой с ледогенератором в низкотемпературной камере. Вода самотеком поступает в ледоформу ледогенератора. Через 60-90 минут вода в ледоформе полностью замерзает, автоматическое устройство переворачивает ледоформу и кубики льда из ее ячеек выпадают в бункер. При расположении холодильной камеры внизу очищенная вода к ледогенератору в морозильной камере подается насосом.
В просторной кухне повышенный комфорт создает широкий холодильник. Широким и невысоким холодильником удобнее пользоваться, чем узким и высоким. Предпочтительная высота холодильника должна обеспечивать удобство пользования для всех членов семьи. Холодильник и морозильник небольшой высоты позволяют создать оптимальную комбинацию и достичь повышенного удобства пользования. Расположение камер рядом (side-by-side) обеспечивает наиболее удобное пользование как холодильной, так и морозильной камерой. Наиболее удобны двери, которые имеют доводчики закрывания с промежуточной фиксацией. Холодильники с зеркальными и декоративными дверьми привлекают внимание своим внешним видом и хорошо компонуются с дорогой мебелью.
Элитные модели, изготавливаемые небольшими партиями, дороже холодильников серийного производства. В эксклюзивном холодильнике вы можете предусмотреть любые известные удобства пользования, вплоть до встроенного компьютера. Среди элитных моделей холодильники в стиле «ретро» и экзотических форм.
Электронное управление с цифровыми термометрами обеспечивает точность регулирования в пределах 1 градуса, что гарантирует наилучшие условия для наиболее продолжительного хранения свежих и замороженных продуктов. Встроенный пульт управления с цветными световыми индикаторами и цифровыми указателями температуры наглядно информирует, позволяет изменять и контролировать режимы, активизировать различные функции, не открывая двери холодильника. Сетевой выключатель на пульте позволяет отключить холодильник, не выдергивая вилку из розетки. Кнопка «Защита от детей» в недоступном для них месте защищает холодильник от случайных включений. Кнопка памяти включает электронный цифровой термометр, который покажет повышение температуры замороженных продуктов в период вашего отсутствия.
«Режим быстрого охлаждения» в холодильной камере за счет включения вентилятора позволяет быстро понизить температуру большого количества продуктов сразу же после их закладки, что способствует увеличению сроков хранения. По окончании режима быстрого охлаждения автоматически восстанавливается нормальный режим работы с отключенным вентилятором. «Режим быстрого охлаждения» напитков в морозильной камере служит для доведения их температуры до оптимальной перед употреблением. Функция «Самодиагностика» в аварийных ситуациях помогает установить причину неисправности и своевременно принять необходимые меры. Электронный календарь указывает место нахождения продукта, время загрузки его на хранение и предельную дату использования. Электронный помощник может подсказать информацию о сроках хранения, способ размораживания продукта и рецепты приготовления блюд из него, но за это придется заплатить значительно дороже.
Если ваши потребности периодически изменяются (например, летом нужно хранить замороженные продукты, а зимой овощи и фрукты, или периодически возникает потребность приема большого числа гостей), то вы можете купить холодильник с универсальной камерой. В универсальной камере можно задавать плюсовые, нулевые или минусовые температуры в зависимости от возникающей потребности.
Для любителей вин предлагаются холодильники со специальными полками в холодильной камере, двухкамерные холодильники с отдельными винными камерами и специальные винные шкафы. Винные шкафы можно комбинировать друг с другом, с холодильниками и морозильниками, устанавливать рядом или один над другим.
- Используем домашний холодильник правильно и эффективно
- Как ухаживать за холодильником?
Разработка термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования с помощью компьютерной программы KRYOTHERM
В первой части статьи был дан краткий обзор возможностей программы для расчета термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования (ТСОТ) на основе термоэлектрических модулей (ТЭМ), приведены применяемые в программе обозначения, подробно рассмотрен первый раздел программы «Графическое представление термоэлектрических характеристик ТЭМ» “Performance Graphs”. Здесь будут представлены оставшиеся два наиболее интересных с точки зрения разработчиков раздела программы KRYOTHERM, помогающие выбрать необходимые для создания системы модули и произвести расчет конкретного устройства с применением термоэлектрического охлаждения.
Выбор модуля по термоэлектрическим характеристикам (Choice of Modules)
Эта часть программы позволяет рассчитать, какие характеристики будет обеспечивать заданная система охлаждения. Главная цель состоит в определении температуры охлаждаемого объекта (температуры внутри камеры термоэлектрического холодильника).
Ввод исходных данных для выбора модулей
Рис. 22. Выбор исходных данных для расчета ТСОТ и список соответствующих решению модулей
После запуска программы KRYOTHERM и выбора раздела Choice of Modules появляется окно, приведенное на рис. 22. В верхней строке размещены кнопки, позволяющие реализовывать дополнительные функции. Так, пользователю предоставляется возможность произвести установку исходных данных для решаемой задачи, выбрать вариант построения системы: способ отвода тепла от горячей стороны модуля (Hot side cooling), значения температур окружающей среды (Ta) и охлаждаемого объекта (Object) и др. Холодильная мощность (Qc) может быть установлена произвольно или рассчитана в отдельном подразделе программы, переход в которую осуществляется нажатием кнопки Calculate Qc (рис. 23). Следует иметь в виду, что при открытии данного раздела в него уже введены некоторые исходные параметры по умолчанию.
Рис. 23. Раздел программы, позволяющий выбрать форму термостата, параметры тепловой изоляции, осуществить расчет необходимой холодильной мощности
На начальном этапе проектирования термоэлектрической системы необходимо определить, в каких условиях она будет эксплуатироваться. К таковым условиям относятся температура окружающей среды и охлаждаемого объекта, а также необходимая холодопроизводительность системы.
Базируясь на информации, полученной в результате работы с первым разделом программы, к моменту начала расчетов разработчик может определить основные параметры элементов конструкции системы охлаждения. В программу необходимо ввести такие величины, как:
- температура среды и температура охлаждаемого объекта;
- мощность тепловыделения в объекте (Load Active-Wob);
- тепловое сопротивление или материал изоляции (Material Insulation);
- тип охлаждения (Natural — конвекционный, Forced — обдуваемый, Flow — жидкостный) по горячей и холодной сторонам и максимально допустимые значения теплового сопротивления для каждой из сторон.
Программа позволяет произвести подбор наиболее подходящих модулей для конкретной ТСОТ. Для этого необходимо выбрать критерии оптимизации (наибольшая эффективность — СОР max или минимальная цена — COST min), ввести определенный набор входных данных: температуру окружающей среды (Ta), температуру охлаждаемого объекта (Tob), холодопроизводительность (Qc), а также тепловое сопротивление на холодной стороне системы охлаждения (Rc).
Величина холодопроизводительности Qc — это полная тепловая энергия, которая поглощается на холодной стороне термоэлектрических модулей. Если точное значение холодопроизводительности неизвестно, но известны параметры объекта и режим его работы, то можно воспользоваться соответствующими пунктом меню или кнопкой для расчета данной величины.
Величина Rc характеризует полное тепловое сопротивление между объектом и холодной стороной термоэлектрических модулей. В качестве первого приближения можно принять, что тепловое сопротивление на холодной стороне равняется нулю. Если определен способ передачи тепла от объекта к модулям, то следует ввести суммарную величину теплового сопротивления выбранных радиаторов.
Также разработчик может указать, каким способом будет охлаждаться горячая сторона системы (Hot side cooling). Теплопередача от горячей стороны термоэлектрических модулей может осуществляться путем естественной или вынужденной конвекции, а также при помощи потока жидкости и определяется требуемой величиной теплового сопротивления Rh. Проще всего использовать воздушное охлаждение, однако при таких условиях перепад температуры на радиаторе может оказаться значительным и эффективность работы модулей уменьшится. Для эффективной работы ТСОТ перепад температур на радиаторе не должен превышать 10–15 К. В случае выбора потока жидкости (Flow) по любой из сторон необходимо также установить расход и температуру потока на входе. Дополнительные встроенные в программу алгоритмы могут быть использованы не только для вычислений термоэлектрических систем, но и как удобное средство для чисто теплофизических расчетов параметров тепловой изоляции.
На основе исходных данных будут рассчитаны температуры горячей Th и холодной Tc сторон модуля. В окне Results выводятся расчетные значения температур ТСОТ.
Определение геометрии объекта
Для определения холодопроизводительности необходимо задать геометрию ТСОТ и ввести предполагаемые размеры.
Программа позволяет выбрать одну из форм (Form) — параллелепипед (Box) или цилиндр (Cylinder), наиболее соответствующую форме объекта. Затем необходимо ввести внутренние размеры объекта. Если это коробка, то это будут ширина Wi, высота Hi и длина Li, если же цилиндр, то это будут высота Hi и диаметр Di.
Тепловая нагрузка
Под нагрузкой Wob понимается выделяющаяся в объекте тепловая энергия, которая должна быть отведена с помощью термоэлектрических модулей. Если в объекте тепловыделение отсутствует, следует выбрать пассивную нагрузку (Passive). В противном случае нужно выбрать активную нагрузку (Load active) и задать численное значение тепловой энергии, которая выделяется в охлаждаемом объекте.
Термоизоляция (Insulation)
Для того чтобы температура объекта была ниже, чем температура окружающей среды, необходимо применять тепловую изоляцию объекта (Insulation exist). Программа выводит список материалов, которые обычно используют в качестве теплоизоляции. В случае необходимости применения иных материалов следует ввести значение коэффициента теплопроводности данного материала. Также необходимо ввести толщину изоляции (th).
Режим охлаждения (Regime)
Довольно часто возникает необходимость охлаждения объекта до определенной температуры за какое-то время, то есть речь идет о нестационарном режиме (Non-stationary). В этом случае необходимо указать время, за которое объект должен понизить свою температуру от Ta до Tob, а также ввести характеристики материала объекта: его плотность и удельную теплоемкость. Для наиболее распространенных материалов в программе приведен список данных характеристик.
Результаты расчета холодопроизводительности, стационарный и нестационарный режимы
В результате расчета можно определить требуемую холодопроизводительность Qc. На основе этого значения для системы охлаждения будут предложены подходящие термоэлектрические модули.
В стационарном режиме значение холодопроизводительности Qc необходимо поддерживать постоянным во времени.
В нестационарном режиме значение холодопроизводительности Qc нужно поддерживать в течение заданного времени охлаждения. По истечении этого времени объект достигает температуры Tob, и в дальнейшем требуется поддерживать меньшее значение холодопроизводительности: холодопроизводительность в стационарном режиме Qstat. В нестационарном режиме значение Qc стремится к значению Qstat, если время охлаждения стремится к бесконечности.
В качестве результатов расчета в данном разделе приводится величина теплового сопротивления между объектом и окружающей средой Rins, а также внутренний объем камеры ТСОТ.
Оптимизация, сортировка и просмотр вариантов
В результате расчета программа выводит список всех термоэлектрических модулей, с помощью которых можно обеспечить заданные требования к системе охлаждения, и их оптимальные характеристики. Задача подбора варианта для термоэлектрической системы охлаждения решается при одном из трех условий: при максимальном холодильном коэффициенте (COP max), при холодильном коэффициенте на 10% ниже максимального (COP–10%) или при минимальной стоимости модулей (COST min).
Основной чертой режима максимального COP является повышенная экономичность работы, но при этом требуется достаточно большое количество модулей. В режиме минимальной стоимости задача может быть решена при использовании меньшего количества модулей, однако значения холодильного коэффициента оказываются заниженными (рис. 24). Из группы графиков зависимости СОР от разности температур можно выделить три наиболее характерные области:
- область максимального холодильного коэффициента (1);
- область оптимального соотношения холодильного коэффициента и разности температур (2);
- область максимальной разности температур (3).
Рис. 24. Характерные области зависимости СОР от разности температур для различных задач построения ТСОТ
При любой выбранной оптимизации имеется возможность просмотреть варианты в том порядке, в котором они расположены в каталоге компании «КРИОТЕРМ» (Not sorted), либо отсортировать (Sorted) по оптимизируемому параметру (холодильному коэффициенту или стоимости модулей).
В зависимости от желания можно просмотреть первые 5, 10 или все варианты решения задачи охлаждения. Также предоставляется возможность вывести на экран и на печать произвольное количество вариантов. В этом случае необходимо задать начальную и конечную позиции списка решений. Использование несортированного списка позволяет просматривать отдельные группы модулей.
Варианты решения задачи охлаждения
Программа предлагает варианты применения всех термоэлектрических модулей компании «КРИОТЕРМ», которые могут соответствовать заданным условиям охлаждения (рис. 22).
Каждый модуль следует использовать в количестве n штук, причем для случаев оптимизации по холодильному коэффициенту и по минимальной стоимости модулей будут предложены различные значения n. В каждом варианте приводится значение холодильного коэффициента COP.
К каждому модулю необходимо прикладывать рабочее напряжение U (В), и через каждый модуль должен протекать рабочий ток I (А). W (Вт) — электрическая мощность, потребляемая модулем от источника питания.
Qh (Вт) — это тепловая энергия, выделяющаяся на горячей стороне термоэлектрического модуля. Для отвода этой энергии рекомендуется иметь на каждый модуль устройство теплообмена с тепловым сопротивлением ≤Rh (К/Вт).
Графики для выбора модулей
В разделе Choice of Modules программа KRYOTHERM предусматривает построение графиков, аналогичных тем, что используются в разделе Perfomance Graphs. Для каждого варианта могут быть построены стандартные и детальные графики.
Стандартные графики
Эти зависимости вычисляются исходя из параметров выбранного модуля. После перехода в этот раздел (рис. 25) пользователь получает графические зависимости Qc, U, COP от разности температур и вольтамперную характеристику, при этом все графики строятся при фиксированном значении температуры горячей стороны Th. Стандартные графики № 1–3 строятся при одном, фиксированном значении тока I, а стандартный график № 4 строится при одном, фиксированном значении разности температур между горячей и холодной сторонами модуля.
Рис. 25. Стандартные графики № 1–4 характеристик ТЭМ из раздела Choice of Modules
При нажатии на вторую закладку выводятся дополнительные графики № 5–8 зависимости холодильной мощности Qc и холодильного коэффициента СОР от прикладываемого к ТЭМ напряжения и протекающего через него тока (рис. 26).
Рис. 26. Стандартные графики № 5–8 характеристик ТЭМ из раздела Choice of Modules
Все характеристики, вне зависимости от того, сколько модулей предполагается использовать в ТСОТ, приведены для одного модуля.
Детальные графики
Эти графики представляют собой набор зависимостей характеристик выбранного модуля при двух фиксированных параметрах. Фиксированными параметрами являются Tc, Th, Qc, W. В соответствии с возможным выбором двух параметров детальные графики подразделяются на следующие типы:
- тип № 1 — Qc = const, Th = const;
- тип № 2 — Qc = const, Tc = const;
- тип № 3 — Tc = const, Th = const;
- тип № 4 — Tc = const, W = const;
- тип № 5 — Th = const, W = const.
Выбор типа осуществляется в верхней части окна с детальными графиками. Значения параметров задаются в правом нижнем углу.
В каждом типе детальных графиков существует по четыре группы графиков, описывающих различные характеристики.
Как было уже отмечено в первой части статьи, крайне важно иметь в виду, что на некоторых графиках для большей наглядности зависимостей характеристик представлена информация в широком диапазоне, превышающем допустимый техническими условиями и спецификацией. Например, графики, иллюстрирующие изменение температуры холодной стороны от подводимого тока, напряжения и мощности на рис. 27, приведены для областей, где возрастающее джоулево тепло будет преобладать над эффектом Пельтье, и дальнейшее увеличение тока, напряжения и подводимой мощности не будет приводить к повышению разности температур (на графиках — справа от точки перегиба). Применение модулей в данных областях недопустимо. При окончательном выборе модуля следует проверить соответствие выбранных характеристик предельно допустимым условиям эксплуатации модуля. В остальном стандартные и детальные графики разделов «Графическое представление характеристик ТЭМ» и «Выбор модуля» программы аналогичны друг другу.
Рис. 27. Детальные графики, тип № 1 — Qc и Th = const из раздела “Choice of Modules”
Дополнительная информация
Дополнительная информация вызывается двойным нажатием левой кнопки мыши или нажатием кнопки Additional Information. В окне содержатся сведения по каждому варианту применения термоэлектрических модулей компании «КРИОТЕРМ» (рис. 28).
Рис. 28. Спецификация расчетных параметров ТСОТ
На экран выводится спецификация с блоками информации об исходных данных, введенных пользователем, режимом работы выбранного модуля (или модулей), параметрами тепловых потоков на охлаждаемой и горячей сторонах с указанием значения допустимого теплового сопротивления на каждой из сторон.
Так, в блоке Initial Data of Task and Temperatures приводятся исходные параметры задачи: температуры окружающей среды Ta и охлаждаемого объекта Tob, холодопроизводительность Qc, тепловое сопротивление Rc, а также вид охлаждения, режимы сортировки и оптимизации вариантов. На основе исходных данных вычисляются температуры горячей Th и холодной Tc сторон модуля, а также их разность.
В блоке Solution приводится название мо- дуля и номер его позиции в списке решений и оптимальное количество модулей n.
В блоке Thermoelectric Module Parameters приводятся оптимальные параметры для одного и для n модулей: холодопроизводительность Qc, потребляемая энергия, рабочий ток и рабочее напряжение, а также холодильный коэффициент COP.
В блоке Parameters for Heat Exchangers Design приводятся характеристики, необходимые для проектирования радиаторов. Выводятся значения теплового сопротивления на холодной стороне системы охлаждения в расчете на каждый и на все (n) модули. Дается рекомендация использовать на горячей стороне системы радиатор с определенной величиной теплового сопротивления. Приводится количество тепловой энергии, которую надо отвести (Heat Removal) с горячей стороны модулей, а также площадь модулей и плотность теплового потока (Heat Flux Density) на горячей поверхности. Выводится величина эффективного коэффициента теплоотдачи (Heat Emission Effective Coefficient). Эффективный коэффициент теплоотдачи численно равен величине коэффициента теплоотдачи, которую необходимо обеспечить, чтобы отвести тепловой поток с горячих поверхностей модулей.
Максимальные значения коэффициентов теплоотдачи могут быть приняты для естественной конвекции в воздухе примерно равными 10 Вт/(м 2 ·К), для вынужденной конвекции в воздухе — 100 Вт/(м 2 ·К), для вынужденной конвекции в воде — 3000 Вт/(м 2 ·К). Сопоставляя данные значения и величину эффективного коэффициента теплоотдачи, можно сделать вывод о возможности использования того или иного вида охлаждения. Необходимо учесть также тот факт, что площадь оребренной поверхности радиатора существенно больше площади основания радиатора и тем более больше площади рабочей поверхности модуля. Соответственно, реальная величина коэффициента теплоотдачи на оребренной поверхности может быть на порядок меньше расчетной величины эффективного коэффициента теплоотдачи.
Выбор радиатора для охлаждения горячей стороны следует делать исходя из двух характеристик — площади модулей и величины теплового сопротивления. Из каталогов поставщиков необходимо подобрать радиаторы с площадью, равной или несколько большей площади модулей, и из них выбрать те, которые имеют наименьшую величину теплового сопротивления.
Полученные результаты подбора модулей, а также соответствующие графики и варианты решений могут быть распечатаны.
Расчет термоэлектрической системы
Последовательность расчета термоэлектрической системы
Раздел программы Thermoelectric System Calculation предназначен для вычислений характеристик работы конкретной термоэлектрической системы охлаждения в стационарном режиме. Предполагается, что параметры конструкции системы уже заданы, и основная цель расчетов состоит в нахождении значения температуры охлаждаемого объекта, а также других значений температуры и энергетических характеристик системы (рис. 29).
Рис. 29. Главное окно раздела «Расчет термоэлектрической системы»
Любую термоэлектрическую систему можно условно разделить на три части: модули, холодная сторона, горячая сторона (пример изображения представлен на рис. 28). Такое разделение позволяет независимо рассматривать характеристики каждого элемента системы охлаждения, что существенно упрощает расчет конструкции.
В начале расчета необходимо задать тип и количество используемых модулей (при нажатии клавиши Select Modules открывается каталог модулей). Для несложных термоэлектрических систем достаточно использовать 1–2 модуля. Если выбраны несколько модулей, то, в зависимости от их количества, можно ввести схему их соединения. Также следует задать ток или напряжение источника питания для всей системы охлаждения, исходя из параметров модулей, их числа и схемы соединения.
Термоэлектрический модуль в системе охлаждения работает как тепловой насос, перекачивающий тепло от объекта в окружающую среду. Термоэлектрический модуль не является поглотителем тепла, так как на его горячей поверхности выделяется энергия, которая должна быть отведена с помощью теплообменника.
Передача тепла от объекта к холодной поверхности модулей и от горячей поверхности модулей к среде осуществляется с помощью теплообменников. Они характеризуются определенными тепловыми сопротивлениями. Для определения характеристик модуля в термоэлектрической системе необходимо задать параметры холодной и горячей сторон. Следует определить тип охлаждения и тепловые сопротивления горячей и холодной сторон. В программу включены следующие типы охлаждения: естественная конвекция (Natural) — охлаждение при помощи радиатора, вынужденная конвекция (Forced) — охлаждение при помощи радиатора и вентилятора и поток (Flow) жидкости или газа. Выбор осуществляется в разделах Calculate Rh и Calculate Rc, в которых производится определение параметров холодной и горячей сторон.
Под параметрами сторон, прежде всего, понимаются тепловые сопротивления теплообменников. Тепловые сопротивления горячей и холодной сторон Rh и Rc рассчитываются на один модуль и складываются из промежуточных тепловых сопротивлений (Rh2 и Rc2) и тепловых сопротивлений теплообменников на один модуль (Rh1 и Rc1). Программа позволяет ввести или рассчитать промежуточное тепловое сопротивление (Intermediate heat resistance), при этом учитываются особенности крепления модулей (через теплопроводную пасту и теплопровод). Также имеется возможность ввести или рассчитать тепловое сопротивление теплообменника (радиатора). Исходя из заданного количества теплообменников и модулей, программа рассчитает тепловые сопротивления Rh1 и Rc1 (рис. 30).
Рис. 30. Расчет параметров горячей стороны системы (закладка Calculate Rh)
Для случая потока (жидкости или газа) дополнительно должны быть введены расход и температура потока на входе, а также свойства потока (плотность и теплоемкость).
При задании потока по холодной стороне (закладка Calculate Rc) основной целью работы термоэлектрической системы является охлаждение потока от входной температуры Тсf0 до определенной температуры на выходе Тсf1. Степень охлаждения определяется эквивалентом потока Wc (Вт/K). Он характеризует количество теплоты, которое необходимо отвести от потока, чтобы охладить его на один градус.
В программе предусмотрен специальный алгоритм, позволяющий вычислить значение коэффициента теплоотдачи.
Остается задать температуру среды и мощность тепловыделений в объекте, и можно начинать расчет и подбор характеристик термоэлектрической системы. Для этого необходимо нажать на кнопку Calculate system, после чего появятся подробные результаты расчета: температурное поле в термоэлектрической системе и энергетические характеристики, соответствующие выбранным условиям.
Если получен результат расчета, который не соответствует ожидаемому (например, недостаточно низкая температура объекта), то расчет всегда можно повторить с измененными исходными данными. Необходимо проанализировать результаты расчета и определить, какой из элементов конструкции термоэлектрической системы следует улучшить прежде всего. Например, если разность температур между горячей поверхностью модуля и средой Th–Ta больше 25 К, то тепловое сопротивление по горячей стороне слишком велико и необходимо внимательно отнестись к выбору теплообменника.
При необходимости произвести наиболее точные расчеты программа KRYOTHERM предоставляет возможность ввести параметры керамики в рамке Heat conductor раздела расчета промежуточного теплового сопротивления. Значения тепловой проводимости стандартной керамики (ВК96), применяемой при производстве модулей, равно 25 Вт/м·К. В особых случаях применяется керамика, изготовленная из нитрида алюминия (AlN), имеющая теплопроводность 180 Вт/м·К.
Выбор модулей, схемы соединения и источника питания
Программа позволяет проводить расчеты систем охлаждения и термостатирования с использованием полупроводниковых термоэлектрических модулей. Программа KRYOTHERM дает возможность посмотреть, как поведет себя любой модуль в конкретной конструкции ТСОТ. Для выбора модуля необходимо нажать на кнопку Select Module и выбрать одну из закладок с типом модуля: микромодуль, стандартный, высокоэффективный или многокаскадный.
После того как выбран тип модуля, необходимо определить их количество. Для обычных термоэлектрических систем (например, автомобильные холодильники) достаточно использовать 1–2 модуля. Если планируется использовать модуль небольшой холодильной мощности или камера охлаждения имеет значительные размеры, то целесообразно установить большее количество термоэлектрических модулей. Это позволяет повысить эффективность термоэлектрической системы охлаждения.
Если выбрано несколько модулей, то в зависимости от их количества они могут быть соединены различными способами: последовательно, параллельно или последовательно-параллельно (рис. 31).
Рис. 31. Окно выбора схемы соединения ТЭМ
Выбор схемы соединения не влияет на характеристики модулей, но он бывает необходим, когда разработчику необходимо ориентироваться на определенный источник питания. Предположим, что в системе необходимо использовать два термоэлектрических модуля ICE-71. К каждому такому модулю обычно подается напряжение питания 12 В. Если имеется источник питания напряжением 12 В, то модули соединяются параллельно, а при использовании источника на 24 В модули следует соединять последовательно. В случае, если разработчик не ограничен параметрами источника питания, предпочтительным является параллельное соединение модулей.
Расчет теплового сопротивления изоляции
Для эффективной работы термоэлектрической системы (камеры охлаждения) особенно важно применять высококачественные теплоизоляционные материалы. Охлаждаемый объект должен быть окружен слоем теплоизоляции достаточной величины.
Если выбрано естественное (Natural) или вынужденное (Forced) охлаждение по холодной стороне, то с помощью программы KRYOTHERM можно рассчитать, какое тепловое сопротивление будет иметь заданная теплоизоляция. Тепловое сопротивление изоляции означает, какая разница температур между объектом и средой будет достигнута при определенной холодильной мощности термоэлектрических модулей. В случае, когда на холодной стороне задан поток (Flow) жидкости или газа, также необходимо использовать надежную теплоизоляцию. Однако программа не учитывает натекание тепла через изоляцию для этого режима. Предполагается, что тепловое сопротивление изоляции достаточно велико.
Чтобы вычислить сопротивление изоляции (Insulation), прежде всего необходимо ввести размеры объекта (камеры охлаждения): длину Li, ширину Wi, высоту Hi для объекта в форме коробки или диаметр Di и высоту Hi для объекта цилиндрической формы (как в примере на рис. 32).
Рис. 32. Окно выбора параметров теплоизоляции
Затем следует выбрать из предлагаемого списка теплоизоляционный материал и ввести его толщину. Для бытовых холодильников с объемом от 10 до 40 л толщина изоляции 20–50 мм из пенополиуретана будет достаточной. Если в списке нужный теплоизоляционный материал отсутствует, можно самостоятельно ввести коэффициент его теплопроводности.
Теплопередача от среды к объекту осуществляется не только через слой изоляционного материала. Тепло передается путем естественной конвекции воздуха на внешнюю поверхность термоэлектрической системы. В опциях можно ввести соответствующий коэффициент теплоотдачи, и для обычных условий его можно принять равным 5–10 Вт/(м 2 ·K).
На основе исходных данных программа рассчитает тепловое сопротивление изоляции, а также объем объекта (камеры охлаждения), суммарный объем и площадь внутренней и внешней поверхностей камеры.
Расчет промежуточного теплового сопротивления
В термоэлектрических системах крепление модулей к теплообменникам обычно осуществляется с применением специального вещества, служащего для уменьшения контактного термического сопротивления (термоинтерфейс). Чаще всего это теплопроводная контактная паста, имеющая коэффициент теплопроводности около 0,8 Вт/(м·К) (рис. 33).
Рис. 33. Окно расчета параметров термоинтерфейса между радиатором и ТЭМ
Теплопроводную пасту равномерно наносят тонким слоем на поверхность модуля и теплообменника. Перед нанесением пасту желательно подогреть. В этом случае она заполняет все микронеровности контактирующих поверхностей. В термоинтерфейсе на слое пасты толщиной около 100 мкм перепад температур по горячей стороне может составить 2–4 К и более. Поэтому необходимо ответственно отнестись к операции нанесения пасты и использовать ТЭМ и теплообменники, поверхность которых имеет наилучшее сочетание плоскостности и параллельности. В случае применения нескольких ТЭМ, устанавливаемых на общий радиатор, они должны быть отшлифованы в одну высоту (обычно это выполняет предприятие-изготовитель). Следует помнить, что прямой контакт горячей поверхности модуля с радиатором всегда эффективнее, чем тепловой контакт через теплопроводящую пасту. С подробными рекомендациями по установке модулей можно ознакомиться на сайте компании «КРИОТЕРМ».
Между теплообменником и модулем может располагаться теплопровод (Heat Conductor). Он изготавливается из алюминия или другого металла и обычно устанавливается между холодной стороной термоэлектрического модуля и холодным радиатором, высота теплопровода определяется толщиной теплоизоляции. По холодной стороне плотность теплового потока и перепады температуры меньше, чем по горячей стороне (рис. 1. КиТ. 2010. № 8).
Программа KRYOTHERM позволяет учесть наличие теплопровода (Heat Conductor) и теплопроводной пасты (Thermal Grease) в термоэлектрической системе и рассчитать тепловые сопротивления пасты и теплопровода, которые в сумме дают промежуточное тепловое сопротивление: Rh2 по горячей стороне и Rc2 по холодной стороне.
Расчет теплового сопротивления теплообменника
Для передачи тепла от горячей поверхности термоэлектрического модуля к среде и от объекта к холодной поверхности модуля используют теплообменники. Теплообменники обычно представляют собой пластинчатые радиаторы, изготавливаемые из алюминия или меди.
Тепловое сопротивление радиатора (рис. 34) зависит от его габаритов (длины L, ширины L2, высоты ребра h и толщины основания h2), от количества ребер, толщины ребра th, коэффициента теплопроводности материала и коэффициента конвективной теплоотдачи к поверхности радиатора.
Рис. 34. Пример расчета параметров радиатора безотносительно к ТЭМ
Коэффициент теплоотдачи определяется типом теплопередачи (естественная или вынужденная конвекция) и средой (газ или жидкость). Программа KRYOTHERM позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи, когда теплопередача осуществляется вынужденной конвекцией или когда задан поток. Если теплопередача происходит путем естественной конвекции, то для воздуха коэффициент теплоотдачи следует задавать в диапазоне от 2 до 10 Вт/(м 2 ·К), а для воды — в диапазоне 200–600 Вт/(м 2 ·К).
На основе исходных данных программа рассчитает тепловое сопротивление оребренной поверхности теплообменника (пример приведен на рис. 34).
Кроме того, необходимо учесть передачу тепла от оребренной поверхности к термоэлектрическим модулям по основанию радиатора. Обычно площадь радиатора в несколько раз превышает площадь термоэлектрического модуля, поэтому по основанию радиатора существует заметная неравномерность температурного поля. Программа дает возможность ввести значение соответствующего коэффициента неравномерности. Данный коэффициент показывает, во сколько раз разность значений температуры среды и оребренной поверхности радиатора в центральной части (над местом крепления модуля) отличается от средней разности значений температуры среды и поверхности радиатора. Нахождение точного значения коэффициента неравномерности представляет собой сложную задачу, выходящую за рамки представленной программы. Однако в качестве первого приближения значение коэффициента можно задать равным 1,2. Его минимальное значение равно 1, а максимальное определяется отношением площадей радиатора и модуля.
Зная тепловое сопротивление оребренной поверхности радиатора, размеры основания и коэффициент неравномерности, можно определить тепловое сопротивление основания радиатора.
В сумме тепловые сопротивления основания и оребренной поверхности радиатора дают общее тепловое сопротивление радиатора по горячей или холодной стороне. Эта величина во многом будет определять эффективность работы термоэлектрической системы.
Следует отметить, что самостоятельные разделы третьей части программы могут быть использованы разработчиками для теплофизических расчетов безотносительно к термоэлектрическому охлаждению.
Расчет коэффициента теплоотдачи
Тепловое сопротивление теплообменника в значительной степени зависит от величины коэффициента теплоотдачи. С помощью программы KRYOTHERM (рис. 35) разработчик может рассчитать данное значение для случая теплопередачи путем вынужденной конвекции либо когда по любой из сторон задан поток.
Рис. 35. Окно расчета параметров тепловой эмиссии
Коэффициент теплоотдачи зависит от расхода и свойств жидкости или газа. Необходимо также определить место крепления нагнетателя. Нагнетателем может служить вентилятор (для воздуха и других газов) либо насос (для жидкостей). При креплении нагнетателя вверху теплообменника (On the top of the heat exchanger), например компактного осевого вентилятора, величина расхода делится на две части.
Скорость движения теплоносителя (Speed of flow) определяется расходом жидкости/газа и площадью поперечного сечения радиатора. Важную роль в процессе теплоотдачи играет определяющий размер (Characteristic dimension) — гидравлический диаметр, который вычисляется исходя из высоты ребер и зазора между ними. Одним из важных свойств теплоносителя является его вязкость (Kinematic viscosity).
Характер течения — ламинарный или турбулентный — определяется безразмерным числом Рейнольдса (Re), которое рассчитывается по следующей формуле:
Re = (Speed of flow) × (Characteristic dimension)/(Kinematic viscosity).
При значениях числа Рейнольдса менее 2000 наблюдается ламинарный режим течения. При ламинарном режиме жидкость или газ движутся слоями, без перемешивания. При повышении числа Рейнольдса (Reynolds number) начинается переходный, а затем и турбулентный режим течения. Они характеризуются интенсивным перемешиванием теплоносителя.
Интенсивность теплоотдачи определяется безразмерным числом Нуссельта, причем при турбулентном течении оно зависит от чисел Рейнольдса и Прандтля (Prandtl number), а при ламинарном определяется высотой ребра и зазором между ребрами.
Зная число Нуссельта (Nusselt number, Nu), можно рассчитать коэффициент теплоотдачи по следующей формуле:
Heat emission coefficient = Nu×(Thermal conductivity)/(Characteristic dimension).
Помимо коэффициента теплоотдачи, программа позволяет также оценить гидравлическое сопротивление (Hidraulic resistance) теплообменника. Знание этой величины необходимо для подбора вентилятора или насоса, который смог бы обеспечить заданный расход теплоносителя.
Окружающая среда и тепловыделение в объекте
Для того чтобы проводить вычисления любой термоэлектрической системы, необходимо задать значение температуры окружающей среды. В программе предустановлена температура среды (Ta) +20 °С, однако имеется возможность задавать другие значения, в том числе и отрицательные (рис. 29).
Часто разработчик сталкивается с необходимостью охлаждения объекта, внутри которого выделяется тепло. Это может быть объект любой природы — электронная схема, по которой течет ток, электрическая лампочка, биологический объект, сосуд, в котором происходит экзотермическая реакция, и т. д. Для того чтобы учесть данное свойство объекта, программа KRYOTHERM позволяет ввести значение выделяющейся тепловой мощности (Object heat rejected-Wob, Вт).
Если в системе охлаждения нет подобных объектов, то величину тепловыделения следует задавать равной нулю.
Программа учитывает выделение тепла только в том случае, когда по холодной стороне задано естественное или вынужденное охлаждение. При потоке программа не учитывает тепловыделение. Такие системы встречаются крайне редко.
Результаты вычислений термоэлектрической системы
Основной результат
Основной целью и результатом вычислений является определение температуры объекта Тob в конкретной ТСОТ. При охлаждении потока основной целью вычислений является определение температуры Тcf1. Это температура потока на выходе из холодной стороны термоэлектрической системы.
Температурное поле
В качестве результатов расчета приводится распределение температурного поля в системе охлаждения (рис. 29 — Temperatures, Temperature differences). В обычной термо-электрической системе самая высокая температура — это температура горячей поверхности (горячих спаев) термоэлектрического модуля Тh, самая низкая — температура холодной поверхности (холодных спаев) модуля Тс.
Разность температур dT = Th–Tc, развиваемая термоэлектрическим модулем, состоит из трех составляющих:
- перепада температур по горячей стороне Th–Ta;
- охлаждения объекта относительно среды Ta–Tob;
- перепада температур по холодной стороне Tob–Tc.
Однокаскадные модули разработки и производства компании «КРИОТЕРМ» позволяют достигать разности температур до 76 К, однако из-за наличия тепловой нагрузки Qc рабочая разность температур на сторонах модуля несколько меньше и обычно равна 50–60 К. В бытовых термоэлектрических устройствах охлаждение объекта относительно среды, как правило, составляет 20–30 К, перепад температур по горячей стороне — 15–25 К, перепад температур по холодной стороне — 10–15 К.
При задании потока по горячей или холодной стороне вычисляется температура потока на выходе Thf1 или Tсf1 при известном значении температуры потока на входе (Thf0 или Tсf0). Предполагается, что изменение температуры потока жидкости или газа носит экспоненциальный характер по отношению к длине радиатора. Программа позволяет найти среднее значение температуры потока Thfa и Tcfa по его длине.
Энергетические характеристики
Помимо распределения температур, программа позволяет вычислить характеристики работы модулей в ТСОТ. Этими характеристиками являются: ток через модуль I (А), напряжение на модуле U (В), электрическая мощность, потребляемая модулем, W = I×U (Вт), холодопроизводительность Qc (Вт) и тепловая мощность, выделяющаяся на горячей поверхности модуля Qh = Qc+W (Вт).
При желании данные характеристики можно посмотреть как для одного модуля (per module), так и для всей термоэлектрической системы охлаждения (per system).
Как было уже отмечено ранее, одним из наиболее важных показателей работы термоэлектрической системы является холодильный коэффициент COP. Он характеризует экономичность работы термоэлектрической системы и численно равен мощности охлаждения (Вт) при потреблении энергии 1 Вт:
Заключение
Программа размещена для свободного копирования на сайте компании, по мере появления новых модулей в нее вносятся соответствующие дополнения.