Wie spart das Abtauen Ihres Gefrierschranks Energie?

Question

Wie spart das Abtauen Ihres Gefrierschranks Energie?

Santropedro

Mir wurde gesagt, ich sollte meinen Gefrierschrank abtauen, um Energie zu sparen, Wiki , hier und hier zum Beispiel, aber keine der verlinkten Seiten ist ein Peer-Review-Papier, das erklärt, warum (der Wiki-Artikel hat nicht einmal Referenzen), und ich finde es nicht offensichtlich. Ich verstehe nicht, wie der Mechanismus funktioniert, und ich bitte Sie um eine gute Lektüre zu diesem Thema oder eine Erklärung.

Benutzer46925

Eis ist ein Isolator. Wenn Sie Kälte brauchen, wird die Wärme durch das Eis, das sich auf dem Kühlkreislauf befindet, nicht gut absorbiert und der Motor muss dann länger arbeiten

Bryce Wagner

Aus dem gleichen Grund können Sie ein Eisiglu bauen, um sich warm zu halten.

Antworten (5)

Wie spart das Abtauen Ihres Gefrierschranks Energie?

Eis ist ein Isolator. Wenn Sie Kälte brauchen, wird die Wärme durch das Eis, das sich auf dem Kühlkreislauf befindet, nicht gut absorbiert und der Motor muss dann länger arbeiten
Aus dem gleichen Grund können Sie ein Eisiglu bauen, um sich warm zu halten.

Gert · Answer 1

Kühl- und Gefrierschränke funktionieren, indem sie eine wirklich kalte Flüssigkeit durch Kühlrohre leiten, die in dem zu kühlenden Hohlraum angebracht sind. Dieser Strom (der Kompressor) wird bei Erreichen der eingestellten Temperatur abgeschaltet, je schneller die eingestellte Temperatur erreicht wird, desto weniger Energie verbraucht das Gerät.

Kalte Flüssigkeit bei $T_c$ läuft durch die Kühlrohre. Der zu kühlende Hohlraum liegt bei $T_f$ . Betrachten wir nun einen kleinen Bereich $A$ auf der Oberfläche eines Kühlrohres.

Wenn das Kühlrohr sauber (nicht vereist) ist , sagt uns das Newtonsche Kühlgesetz, dass der Wärmefluss (Menge an Wärme, die pro Zeiteinheit entfernt wird) $\dot{q}$ durch $A$ ist:

{\dot{q}}_{sauber} = h EIN (T_{f} - T_{c})

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

Wo $h$ ist der Wärmeübergangskoeffizient .

Aber wenn die Oberfläche mit porösem Eis überzogen ist, dann:

{\dot{q}}_{gefrostet} = u EIN (T_{f} - T_{c})

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

Es kann gezeigt werden, dass:

\frac{1}{u} = \frac{1}{h} + \frac{θ}{k} ⟹ u = \frac{h k}{k + h θ}

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

Wo $\theta$ ist die Dicke des frostigen Materials und $k$ die Wärmeleitfähigkeit des frostigen Materials.

Denn das frostige Material ist ein schlechter Wärmeleiter ( $k$ hat einen niedrigen Wert):

h > \frac{h k}{k + h θ}

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

( Beachten Sie, dass das frostige Material kein reines Eis ist, sondern hochporöses Eis, das viel eingeschlossene Luft enthält, wodurch die $k$ Wert des Frosts ). Und das bedeutet, dass unter sonst gleichen Bedingungen:

{\dot{q}}_{sauber} > {\dot{q}}_{gefrostet}

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

Multiplizieren Sie dies natürlich mit der Gesamtfläche der Kühlrohre. So führen saubere Kühlrohre die Wärme schneller ab, was dazu führt, dass der Kompressor kürzer läuft, um die eingestellte Temperatur zu erreichen. Das spart Energie, Beachten Sie auch, wie stark übereiste Gefrierschränke (höhere Reifstärke $\theta$ ) schlechter abschneiden.

Ein etwas detaillierterer Ansatz:

{\dot{q}}_{sauber} = u_{1} EIN (T_{f} - T_{c})

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

{\dot{q}}_{gefrostet} = u_{2} EIN (T_{f} - T_{c})

$\dot{q}_\textrm{frosted}=u_2A(T_f-T_c)$ Hier kann gezeigt werden, dass:

\frac{1}{u_{1}} = \frac{1}{h_{1}} + \frac{θ_{1}}{k_{1}} + \frac{1}{h_{2}}

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

\frac{1}{u_{2}} = \frac{1}{h_{1}} + \frac{θ_{1}}{k_{1}} + \frac{θ_{2}}{k_{2}} + \frac{1}{h_{3}}

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

Aber auch hier, denn der Frost leitet die Wärme schlecht ( $k_2$ ist klein):

u_{1} > u_{2}

$u_1>u_2$

Damit saubere Rohre die Wärme unter sonst gleichen Bedingungen schneller abführen.

In diesem Abschnitt verwendete Symbole :

$h_1$ : Konvektionswärmeübergangskoeffizient, Kühlflüssigkeit auf Metall .

$h_2$ : Konvektionswärmeübertragungskoeffizient, Metall zu Luft .

$h_3$ : Konvektionswärmeübergangskoeffizient, Frost zu Luft .

$k_1$ : Wärmeleitfähigkeit, Metall .

$k_2$ : Wärmeleitfähigkeit, Frost .

$\theta_1$ : Dicke, Metall .

$\theta_2$ : Dicke, Reif .

+1, aber es gibt einen physikalischen Grund, den ich mit meinem eigenen Kühlschrank klären muss. Durch das Auftauen kann die Tür richtig im Rahmen sitzen
@count_to_10: Du bist viel zu praktisch für diese Seite! Normalerweise taue ich es auf, wenn ich nicht mehr an das Eis komme. Ich mache mir vor, dass die Anstrengung die zusätzliche Kalorienaufnahme ausgleichen wird.
Ich habe es versucht, als sogar Shackleton verzweifelt zurückgekehrt wäre. Aber eines Tages werde ich die Rohre mit dem Schraubenzieher und dem Hammer durchbohren, die ich benutze.
Keine Sorge, Sie können die Pumpe für ein bahnbrechendes Experiment verwenden!
Diese Antwort beantwortet fast die Frage, "dass das Abtauen eines Kühlschranks Energie spart", sollte aber den scharfsinnigen Kommentar von @igael enthalten, dass die Geldersparnis darauf zurückzuführen ist, dass der Kompressor in einem abgetauten Kühlschrank kürzer laufen muss Zeitraum, um den Inhalt des Kühlschranks auf Betriebstemperatur zu bringen. Es liegt also nicht daran, dass die "sauberen Kühlrohre mehr Wärme abführen", sondern daran, dass sie die Wärme schneller abführen und somit die Arbeitstemperatur schneller erreicht wird.
@Farcher: Änderungen vorgenommen, danke. Ungeschickte Formulierung meinerseits.
@count_to_10 Hinweis an andere Leser: Wer mit Hammer und Meißel einen Kühlschrank abtaut, macht generell etwas falsch, egal wie viel Spaß es macht... Wer es eilig hat, füllt Plastiktüten , oder Flaschen, oder einfach Tassen (verdunstender Dampf beschleunigt auch das Schmelzen) mit heißem Wasser und stellen Sie sie in den Kühlschrank, und der Frost schmilzt im Handumdrehen.
Dies ist nicht das vollständige Bild. Aus dem gleichen Grund wäre eine Fußbodenheizung ineffizienter als Heizkörper, was auch nicht stimmt. Wenn sich Eis im Gefrierschrank befindet, muss es auch gekühlt werden, was Energie verbraucht. Aber dann haben Sie viel Eis im Gefrierschrank, das den Gefrierschrank länger kalt hält! (So funktionierten Gefrierschränke vor zwei Jahrhunderten, legen Sie einfach Eis in eine isolierte Kiste oder einen Raum.) Sie müssen wirklich erklären, wie die Nachteile des Eises seine Vorteile überwiegen!
@Crowley, einige gute Punkte, aber es gibt immer noch eine große Lücke in der Erklärung.
Dies betrachtet nur den halben Kühlkreislauf. Ja, es bedeutet, dass die Wärme langsamer vom Inneren des Gefrierschranks auf die Kühlflüssigkeit übertragen wird. Dafür muss er aber weniger Energie aufwenden, um die Wärme aus dem Fluid an die Umgebung abzugeben. Nein?
@Hassassin Bei neueren Luftentfeuchtern wird die Pufferstufe zwischen der gekühlten Luft und dem Kühlkreislauf eingefügt. Dieser Puffer ist jedoch eine Flüssigkeit auf Glycerinbasis, die für eine hohe Dichte, Wärmekapazität und einen niedrigen Schmelzpunkt optimiert ist. Dieser Puffer hat nur einen Zweck – Steigerung der Effizienz durch Verlangsamung der Schaltgeschwindigkeit des Kompressors. Aber das Eis im Kühlschrank ist kein fester Kühlkörper, sondern ein ziemlich poröser Isolator. Der Kühlschrankkompressor muss länger mit mehr Ein- und Ausläufen laufen. Die Effizienz des idealen Kreislaufs wird nicht beeinträchtigt, aber die Effizienz des echten Kühlers leidet.
@Crowley, macht Sinn. Ich denke nur, dass diese Antwort unvollständig ist.

Fernseher · Answer 2

Der folgende Punkt wurde in den anderen Antworten nicht erwähnt. Die Effizienz eines Kältekreislaufs wird durch seinen Leistungskoeffizienten (COP) bestimmt, der wie folgt definiert ist:

C Ö P = \frac{| Q_{L} |}{| W |}

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

$Q_L$ ist die dem Gefrierschrank entzogene Wärme und $W$ ist die (elektrische) Leistung, die den Kreislauf antreibt, also die Kompressorleistung. Bei einem idealen reversiblen Kältekreislauf, wie z. B. einem Carnot-Kreisprozess, hängt der COP nur von den Temperaturen der Wärmespeicher ab, mit denen er Wärme austauscht:

C Ö P = \frac{T_{L}}{T_{H} - T_{L}}

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

$T_L$ ist die niedrige Temperatur (z. B. das Innere eines Gefrierschranks) und $T_H$ die hohe Temperatur (z. B. Umgebungsraumtemperatur).

In der Praxis gibt es auf beiden Seiten des Kältekreislaufs endliche Temperaturunterschiede zwischen dem Kältemittel und dem Wärmespeicher. Um dem Gefriergerät Wärme zu entziehen, muss das Kältemittel eine Temperatur haben $T_l < T_L$ , und umgekehrt auf der Kondensatorseite (Rückseite des Gefrierschranks), wo das Kältemittel eine höhere Temperatur als die Umgebung haben muss ( $T_h > T_H$ ). Dies begrenzt den COP auf:

C Ö P = \frac{T_{l}}{T_{h} - T_{l}} < \frac{T_{L}}{T_{H} - T_{L}}

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

Der durch die Eisbildung auferlegte thermische Widerstand erhöht die Differenz zwischen $T_l$ und $T_L$ und reduziert dadurch den COP noch weiter. Infolgedessen verringert die Eisbildung die Effizienz eines Gefrierschranks, was bedeutet, dass mehr elektrische Energie benötigt wird, um ihn anzutreiben.

Anmerkung

Natürlich haben echte Kühlsysteme aufgrund von Irreversibilitäten einen niedrigeren COP als der Carnot-Zyklus. Der obige Trend gilt jedoch auch für reale Systeme.

Crowley · Answer 3

Ergänzend zu der sehr netten Antwort von Gert möchte ich auf andere, nicht so wissenschaftliche Gründe hinweisen.

Das Eis ist im Allgemeinen nicht als festes, hohlraumfreies Eis ausgebildet, aber es ist ziemlich porös. Diese Porosität führt zu noch geringerer Wärmeleitfähigkeit und geringerer Wärmekapazität ( $J/K\ m^3$ ).
Wenn wir davon ausgehen, dass die Kondensations-/Desublimationsrate proportional zur Oberfläche ist, können wir davon ausgehen, dass die Rate mit dem Frosten des Gefrierschranks zunimmt. Wenn sich Eis bildet, gibt es Wärme ab $h_{evap}$ und $h_{melt}$ und diese zusätzliche Wärme muss "gekühlt" werden.
Wenn festes Eis gebildet wird, befindet sich der Gefrierschrank aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit (Oberflächenschicht wird durch kondensierten Dampf geschmolzen und fließt dort nach unten, wo es gefriert) und kann als Kühlkörper fungieren, normalerweise in einem Zustand, in dem das Eis eine ordnungsgemäße Abdichtung verhindert.
Es gibt wahrscheinlich einen einfachen Regelkreis, der den Kompressor schaltet und somit die Temperatur im Bereich von beispielsweise -10 bis -11 ° C hält. Wenn Sie Eispuffer nur auf der Kühlseite haben, müssen Sie das Eis in der Nähe der verursachenden Wände "vorkühlen". Der Gefrierschrank arbeitet im Bereich von beispielsweise -9,5 bis -11,5 ° C, da Ihr Regelkreis leicht verlangsamt ist. Wenn der Temperatursensor auch bedeckt ist, ist Ihr Regelkreis viel zu langsam und Sie können problemlos im Bereich von -5 bis -15 C arbeiten.
Eine richtig ausgelegte Pufferschicht (hohe Kapazität, gute Isolierung, hohe Leitfähigkeit) erhöht den Wirkungsgrad ziemlich effektiv. Aber eisiger Schaum und poröses Eis, das sich im Gefrierschrank bildet, hat weder eine hohe Wärmekapazität (in Bezug auf sein Volumen), noch eine gute Leitfähigkeit.

Andererseits nimmt Eis beim Schmelzen auch viel Wärme auf, was den Gefrierschrank länger auf 0 Grad hält als ohne Eis (beim Schmelzen).
Die Wärmekapazität von Wasser ist enorm, wenn sie pro Masse gemessen wird, aber in der frühen Phase des Zuckergusses sollten wir an die Kapazität pro Volumen denken, die ziemlich niedrig ist. Ein weiterer Punkt ist, dass das Schmelzwasser dann wieder gefrostet wird und genau die gleiche Wärmemenge abgibt, die es zuvor aufgenommen hat. In beiden Fällen wird die Wärme auf den Radiator des Kühlers übertragen. Ohne Eis geht es schneller und, wie Gert bewiesen hat, effektiver.

Gert · Answer 4

Anderes Modell:

Eine Spule oder Serpentine, durch die Kältemittel fließt, hat eine Gesamtlänge $x=L$ . Der Hohlraum ist perfekt isoliert. Die Temperatur $T_f(t)$ innerhalb des Hohlraums wird nur als zeitabhängig betrachtet (gleichmäßige räumliche Temperaturverteilung).

Die Temperatur der Spule/Serpentine ist sowohl zeit- als auch positionsabhängig: $T_c(x,t)$ .

Für ein unendlich kleines Serpentinenelement $dx$ bei $x$ ein infinitesimaler Wärmefluss ist gegeben durch:

d \dot{q} = u d EIN [T_{f} (t) - T_{c} (x, t)] = u p [T_{f} (t) - T_{c} (x, t)] d x

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

p

$p$ ist der Umfang des Rohres (zB

2 π r

$2\pi r$ , im Fall eines zylindrischen Rohrs), so

d A = p d x

$dA=pdx$ .

Wärmeaufnahme verursacht einen verschwindend geringen Temperaturanstieg:

d q = d m c_{p . c} d T_{c} (x, t)

$dq=dmc_{p.c}dT_c(x,t)$ Und mit

\frac{d m}{d t} = \dot{m}

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

d \dot{q} = \dot{m} c_{p, c} d T_{c} (x, t)

$d\dot{q}=\dot{m}c_{p,c}dT_c(x,t)$ Das Kombinieren beider Ausdrücke und das Integrieren ergibt:

T_{c} (x, t) = T_{f} (t) + [T_{c, 0} - T_{f} (t)] e^{- a x}

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

a = \frac{u p}{\dot{m} c_{p, c}}

$\alpha=\frac{up}{\dot{m}c_{p,c}}$ Zum

x = L

$x=L$ :

T_{c} (L, t) = T_{f} (t) + [T_{c, 0} - T_{f} (t)] e^{- a L}

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

d q = - C d T_{f} (t)

$dq=-CdT_f(t)$

\frac{d q}{d t} = - C \frac{d T_{f} (t)}{d t}

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

C = \sum_{1}^{n} m_{ich} c_{p, ich}

$C=\displaystyle \sum_1^nm_ic_{p,i}$ Wir nehmen an

t = 0

$t=0$ ist der Moment, in dem die Pumpe eingeschaltet wird und der Thermostat so eingestellt ist, dass er eine eingestellte Temperatur erreicht

T_{s}

$T_s$ (die Pumpe schaltet dann ab):

T_{c} \leq T_{s} \leq T_{f} (0)

$T_c\leq T_s\leq T_f(0)$ Unter Verwendung der obigen Ausdrücke können weitere abgeleitet werden:

1. Zeit $t_s$ benötigt, um zu erreichen $T_s$ :

t_{s} = \frac{1}{1 - e^{- a L}} \frac{C}{\dot{m} c_{p, c}} \frac{T_{f, 0} - T_{s}}{T_{c, 0} - T_{s}}

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

Dies bestätigt die Rolle des Wärmeübergangskoeffizienten $u$ , weil als $u$ erhöht den Faktor $\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}$ nimmt ab . Hohe Werte von $u$ dadurch verkürzt sich die Pumpzeit $t_s$ .

2. Zeitentwicklung von $T_f$ :

T_{f} (t) = \frac{β T_{c, 0} t - T_{f, 0}}{β t - 1}

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

\frac{1}{β} = \frac{1}{1 - e^{- a L}} \frac{C}{\dot{m} c_{p, c}}

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

3. Endtemperatur des Kühlmittels:

T_{c} (L, t_{s}) = T_{s} + [T_{c, 0} - T_{s}] e^{- a L}

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

Wieder der Einfluss von $u$ ist klar: höher $u$ senkt $T_c(L,t_s)$ .

Anmerkungen:

Ich hatte gehofft, dass ein detaillierteres Modell es ermöglichen würde, die Bedenken von Hassassin und Turion in Bezug auf den „zweiten Teil des Zyklus“ anzusprechen. Das Argument lautet, dass die Pumpzeit zwar verkürzt wird, dies jedoch nichts über die Energie aussagt, die zum Zurückkühlen des eluierten Kühlmittels erforderlich ist $T_{c,0}$ . Dieses Modell klärt diese Frage nicht wirklich.

Dies kann zum Teil darauf zurückzuführen sein, dass Kühl-/Gefrierschränke nicht wirklich so funktionieren, wie in diesem einfachen Modell beschrieben. Stattdessen wird eine niedrigsiedende Flüssigkeit durch die Serpentine gepumpt und Wärme als latente Verdampfungswärme des Kühlmittels abgeführt. Die Temperatur der Serpentine sollte daher ungefähr konstant sein. Die Effizienz der Wärmekraftmaschine des Kühl-/Gefrierschranks kann der Schlüssel zum besseren Verständnis dafür sein, warum saubere Geräte weniger Energie verbrauchen.

Muze · Answer 5

Das Abtauen spart nur Energie, da der innere Teil vereist sein kann, wodurch der Luftstrom eingeschränkt wird, wodurch der Lüfter härter arbeitet. Je mehr Material Sie in Ihrem Gefrierschrank haben, desto weniger Luft muss nach dem Öffnen und Schließen gekühlt werden.

@Turion Ja, der eingebaute, der die Luft hinter der Verkleidung bewegt. All das wird auch vereist, was man nicht sieht.

Wie spart das Abtauen Ihres Gefrierschranks Energie?

Santropedro

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Bryce Wagner

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Gert

Benutzer108787

Gert

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Gert

Färcher

Gert

Hyde

Turion

Crowley

Turion

Hassassin

Crowley

Hassassin

Fernseher

Anmerkung

Crowley

Turion

Crowley

Gert

Muze

Turion

Muze

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