Холодильник будущего. Тенденции и направления развития

Нужен ли компрессор и хладагент в бытовом холодильнике? В термоакустическом холодильничке используются звуковые волны для перекачки тепла. В магнитном варианте магнитное поле прикладывают к диску, чтобы нагревать и охлаждать попеременно. Каким будет холодильник будущего? Предлагаю познакомиться с тенденциями и направлениями развития бытового помощника.

Тенденции и направления развития холодильника будущего

В основном домашние кормильцы компрессионного типа. Их недостатки: сложность размещения охлаждающей системы, повышенный шум, высокое потребление электроэнергии и износ, применяемые хладагенты требуют специальной утилизации, низкий КПД (60%).

Поэтому учёные работают над созданием новых моделей. В стадии модернизации бытовых помощников исследователи предлагают обойтись без хладагента.

Традиционные холодильники используют химические соединения, которые поглощают и выделяют тепло. Хлорфторуглероды (ХФУ), такие, как фреоны, были предпочтительным ингредиентом на протяжении десятилетий, но повреждают озоновый слой.

Когда международное соглашение 1987 года, известное как Монреальский протокол, ограничило использование фреонов, производители переключились на гидрофторуглероды (ГФУ), которые убрали проблему озонового слоя. Но появилась новая проблема: ГФУ нагревают атмосферу со скоростью в 1000 раз быстрее, чем диоксид углерода.

Опираясь на термодинамическую науку, ведутся разработки холодильных устройств без использования ГФУ. Научно доказано, что полупроводниковые чипы также передают тепло. Достижения в области полупроводниковых технологий привели к созданию масштабируемых солнечных панелей и светодиодных лампочек. Возможно использование аналогичной технологии для создания энергоэффективного охлаждения.

Твердотельное охлаждение использует полупроводники, которые отбирают тепло и переносят в другое место. Без необходимости в компрессоре требуется меньше энергии, больше места внутри, стабильная температура и меньше шансов на неисправность.

Какие холодильники: твердотельные, магнитные, гелевые биохолодильники, термоэлектрические, интеллектуальные или «резиновые» найдут применение в будущем.

Каким будет холодильник будущего? Давайте познакомимся с некоторыми тенденциями и направлениями развития бытового ледника.

Влияние хладагентов на парниковый эффект

Исследования в области охлаждения направлены на то, чтобы убрать токсичные и загрязняющие газы. «Пластиковые кристаллы» открывают новые возможности для создания холодильных приборов только с твёрдыми компонентами.

Отработавшие холодильники и морозильники хранятся на мусорной станции. Газы из стандартных холодильничков портят окружающую среду.

Охлаждение существует 100 лет, но за это время не сильно изменилось. Путешественник во времени с начала 1900-х годов узнал бы большую коробку с охлаждённой едой на кухне. Но вскоре, по словам исследователей, новые материалы заменят охлаждение в том виде, в каком знаем, делая его адаптируемым, эффективным и экологичным.

Стандартные фабрики холода работают с использованием процесса, называемого компрессией пара. Компрессор увеличивает давление и температуру газа и толкает в конденсатор.

Горячий газ выделяет часть тепла и становится жидкостью. Когда эта жидкость возвращается в испаритель внутри холодильника, давление падает, а жидкость превращается в газ, поглощая тепло при кипении.

Эта система усовершенствована в течение столетия, но у неё есть проблемы. Проблема в том, что используемые газы являются опасными для окружающей среды, когда выходят.

Один килограмм типичного газообразного хладагента вносит в парниковый эффект столько же вреда, сколько две тонны углекислого газа. Это эквивалент работы автомобиля без перерыва в течение шести месяцев. Также хладагенты токсичны. Если кто-то с ними соприкасается, то получает проблемы со здоровьем.

Это побуждает исследователей разрабатывать другие материалы, которые изменяют температуру при воздействии давления, магнитных или электрических полей.

Холодильник будущего. Термоэлектрические холодильники

Термоэлектрические холодильники с использованием полупроводников не требуют движущихся частей, поэтому надёжны и компактны. Но стоимость производства относительно высока. Компании не хотят производить термоэлектрические устройства для получения прибыли.

Крупные компании по производству мороженого проводят пилотные испытания таких устройств. Клиентами термоэлектрических приборов являются больницы, которые используют для безопасного хранения образцов и лекарств.

В центрах обработки данных для охлаждения серверов и предотвращения перегрева также используются такие аппараты. Большим плюсом термоэлектрических устройств является то, что не требуют вентиляции, отдельной цепи питания и компактны.

Холодильники и морозильники питаются от небольшого твердотельного чипа. Это означает, что нет никаких компрессоров. Благодаря отсутствию движущихся частей, твердотельные системы требуют минимального обслуживания и предлагают длительный срок службы продукта и снижают эксплуатационные расходы до 30%.

Они без вибрации и бесшумные. Уровень шума менее 35 дБ. Твердотельные устройства всегда включены, колебание температуры составляет ± 0,5 °C. Это обеспечивает температурную стабильность.

Благодаря использованию только CO₂ холодильная система не токсична и не воспламеняется. Встроенные датчики регистрируют данные об использовании и производительности.

Пластиковые кристаллы охлаждают

При современных технологиях охлаждения происходит выброс парниковых газов и разрушение озонового слоя. Учёные стремятся приблизиться к решению экологической проблемы.

Новые материалы под названием «пластиковые кристаллы» изменяют температуру, когда подвергаются механическому воздействию под давлением. Когда сила приложена, молекулы в кристалле переключаются из неупорядоченной фазы на упорядоченную и температура повышается.

Это тепло отводится, и когда давление снимается, молекулы возвращаются к разупорядочению, и температура падает ещё ниже. Затем кристалл поглощают тепло из холодильного объёма, начиная цикл снова.

При применении высокого давления к пластиковым кристаллам происходят изменения на атомном уровне и получается охлаждающий эффект. Материал демонстрирует потенциал в качестве экологически чистой замены хладагентов, но имеет ряд недостатков.

Идея состоит в том, чтобы заменить парниковые газы твёрдыми материалами, которые используются не только в холодильниках и кондиционерах, но и в электронных устройствах. Международная группа учёных под руководством Бинга Ли из Китайской академии наук обнаружила, что кристаллы пластика, называемого неопентилгликолем, это делают.

Сжатие и декомпрессия молекул внутри кристалла вызывает охлаждающий эффект, сообщают в журнале «Nature Communications». «Один цикл приведёт к разнице с комнатной температурой 50 градусов Цельсия при низком давлении». Так сказал соавтор исследования Дехонг Ю. из Австралийской организации по ядерной науке и технике (ANSTO).

Дехонг Ю. продолжил: «Это пример того, где мы используем фундаментальные исследования, чтобы привести к реальной вещи, которая принесёт пользу повседневной жизни».

Пластический материал не только обладает охлаждающей способностью, но и дешевизна синтеза из легко доступных органических материалов, таких как водород, углерод и кислород. Но есть недостаток. Кристалл должен выдерживать большое количество циклов охлаждения.

Пластиковые кристаллы изменяют состояние под давлением, но не выдерживают большое количество циклов охлаждения. Они мягкие, поэтому не устойчивы.

Как работают пластиковые кристаллы?

Технология пластиковых кристаллов работает аналогично четырёхступенчатому паровому охлаждению, но на атомном уровне.

Вместо того чтобы превратить газ в жидкость, в новой технологии используется высокое давление, чтобы изменить структуру пластического кристалла. Пластиковые кристаллы требуют высокого давления 2500 бар по сравнению с 50-100 бар, используемыми в системах сжатия пара.

Пластические кристаллы состоят из молекул, которые находятся в симметричной решётке. Прежде чем они окажутся под давлением, атомы случайным образом вращаются вокруг точек внутри решётки.

Но с увеличением давления атомы становятся высокоупорядоченными и выстраиваются в кристаллическую структуру. Когда давление снимается, структура возвращается к пластической фазе, где атомы вращаются хаотично.

Охлаждающая способность обусловлена изменением энтропии между двумя состояниями. Степень беспорядка или случайности приводит к охлаждению.

В хладагенте газ конденсируется и превращается в жидкость, т.е. газ переходит от огромной степени свободы к более ограниченной в жидкости. Это делают пластиковые кристаллы, но в твёрдом состоянии.

По мнению исследователей, охлаждающий эффект в 10 раз эффективнее, чем у других типов твердотельных материалов, в которых для создания охлаждающего эффекта используются электрические или магнитные поля.

Охлаждающий эффект, продемонстрированный кристаллической технологией, был впечатляющим. Производительность охлаждения велика и сопоставима с тем, чего можно достичь с помощью газа в компрессионном холодильнике.

Диаграмма a показывает выравнивание молекул в двух фазах, b − молекулы становятся беспорядочными при приложении и снятии давления в четырёхстадийном цикле.

Твердотельные холодильники

Разрабатываются твердотельные устройства, в которых используются специальные материалы. Эти материалы изменяют температуру в ответ на магнитные поля.

Многие твердотельные материалы имеют проблему, называемую «Гистерезис», которая означает, что после повышения температуры материала, она не возвращается к первоначальной. Поэтому каждый цикл охлаждения становится менее эффективным.

Твердотельным технологиям будет сложно свергнуть традиционный прибор для холода. Сжатие газа компрессором дёшево, надёжно и длится долго. Теперь холодильная индустрия добилась улучшений в эффективности и воздействии на окружающую среду.

Но скоро в домах людей появятся твердотельные помощники. Эффективные технологии охлаждения способствуют разработке быстрых и компактных компьютеров и устройств.

Микрочипы в процессорах нагреваются, и когда нагреваются, то не работают должным образом. Но не получится установить холодильное устройство в умные часы или в iPhone.

В течение последнего десятилетия учёные изучают потенциал твердотельных систем, которые используют электрические или магнитные поля, или давление для создания охлаждающего эффекта.

Технология магнитного охлаждения. Магнитный холодильник

С 1917 года, когда Пьер Вайс впервые обнаружил магнитокалорический эффект, учёные и инженеры пытаются использовать для охлаждения. После ста лет исследований и разработок магнитные холодильники наконец начинают появляться на полках магазинов.

Haier дебютировал в 2015 году с магнитным кулером для вина, и другие компании, такие как GE и Whirlpool, также работают над подобной технологией.

По словам Винсента Делекорта из CoolTech, лидера отрасли в области технологии магнитного охлаждения, современные магнитные охлаждающие устройства по-прежнему имеют высокую первоначальную стоимость по сравнению с существующими компрессорными системами. Магнитный холодильник при низких потребностях в обслуживании и энергопотреблении экономит затраты и примерно через 3 года сравнится по стоимости с компрессорным устройством.

Помимо снижения производственных затрат, ещё одним способом сокращения срока окупаемости является повышение эффективности этих устройств. Открыты новые способы повышения эффективности существующей магнитнокалорической системы, называемой FeRh, которая состоит из элементов железа и родия.

Как и другие магнитокалорические материалы, цикл охлаждения/нагрева FeRh проявляет свойство, называемое гистерезисом, или «разрывом памяти». Этот «разрыв памяти» означает, что для изменения магнитного состояния материала требуется дополнительная энергия. Гистерезис необходим для создания устройств хранения данных, чтобы данные не стирались, но не хорош для создания эффективных магнитных холодильников.

Этот недостаток преодолевают, используя другие «калорийные» эффекты, обнаруженные в FeRh. К ним относятся эффекты охлаждения и нагрева, которые реагируют на электрическое поле (электрокалорическое), механическое напряжение (эластокалорическое) или давление (барокалорическое). Объединение их создаёт больший охлаждающий эффект.

Используя калорийные эффекты, эта тактика многократного подхода увеличивает эффективность в будущих конструкциях охлаждающих устройств. Сама идея магнитного охлаждения сама по себе не нова. Впервые эта технология стала доступной для общественности. Предыдущие машины были большими для пользования, и не были эффективными, как обычные холодильнички.

Магнитный холодильник Cooltech MRS400

Первая коммерческая система Cooltech, MRS400, имеет мощность охлаждения 400 Вт, поддерживая внутреннюю температуру от 2 °C до 5 °C, что находится в пределах рекомендуемых уровней для безопасного хранения продуктов. Его первые применения будут в коммерческом секторе, для использования в холодильных витринах, винных погребах и медицинских учреждениях.

Cooltech, MRS400 проходит тестирование в трёх местах с использованием конфигураций. Также разрабатываются крупные промышленные системы с мощностью охлаждения 20 кВт.

Интеллектуальные холодильники

Некоторые производители предлагают холодильники с интеллектуальными возможностями и подключением к интернету через специальное приложение. Это позволяет спросить у кормильца, что на ужин и узнать, как люди относятся к еде. Сетевые холодильные устройства имеют интеллектуальный счётчик или блок управления.

В зависимости от устройства диапазон функций также включает в себя: управление или мониторинг с помощью смартфона или планшета при движении, получение push-сообщений в случае неисправности, получение руководств пользователя в виде слова, изображения или видео.

Для примера приведу модель интеллектуального холодильника Family Hub фирмы Samsung. Разработчик предлагает «объёмный обдув», который отвечает за равномерное охлаждение. Холодильная установка имеют электронное управление через монитор, расположенный на дверцах. Но топовая модель также поддерживает голосовое управление и подключается к смартфону через специальное приложение.

О 3 лучших смарт-холодильниках в этом видео:

Топовый холодильник Family Hub

Этот интеллектуальный холодильник Samsung обладает большинством функциональных возможностей. Устройство, подключённое к Интернету, имеет загруженные приложения, включая календарь, список покупок и т.д.

Приложения появляются на 21,5-дюймовом сенсорном экране на одной из четырёх дверей. Сенсорный экран лежит в основе функциональности фабрики для холода. Вы контролируете внутреннюю температуру отсюда: с телефона или телевизора.

Внутри холодильничка также есть камеры, которые делают снимки внутри холодильного объёма в любое время, а фотографии доступны в любом месте. Можете быстро взглянуть на фото, пока ходите по магазинам за продуктами и т.д.

Домашний ледник также взаимодействует с некоторыми приложениями на телефоне, такими как Spotify, которые используются для воспроизведения музыки на холодильном шкафу.

Samsung использует компьютерное зрение, чтобы сказать, что в холодильничке. Bixby Vision в Family Hub автоматически помечает продукты в холодильнике, не давая пользователям делать это вручную, используя сенсорный экран на передней панели.

Компьютерное зрение в холодильной установке подходит для потребителей, но также имеет реальные бизнес-последствия для Samsung, поскольку использует преимущества присутствия Samsung в каждом доме. По словам вице-президента Samsung Юна Ли, устройства Samsung найдёте в 70 процентах семей в США.

О смарт-холодильнике Samsung Family Hub в этом видео:

Компьютерное зрение Bixby Vision в холодильнике Family Hub

Официальная дата выпуска Bixby Vision не запланирована. Сегодня это скорее концепция, чем функция. Легко представить себе далеко идущее влияние, которое компьютерное зрение внутри холодильного объёма оказывает на жизнь пользователей.

Сможете сказать кормильцу: «Bixby, у меня есть яблоки?», и компьютерное зрение ответит на вопрос. Это означает, что не придётся угадывать, сколько пива осталось или, когда молоко испортится. В реальном времени увидите помощника по хранению пищи с помощью приложения Samsung SmartThings, но Bixby Vision открывает это для голосового взаимодействия без помощи рук.

В будущем, когда Bixby Vision определит, что мало молока, то новая упаковка будет заказана автоматически. Другой способ, с помощью которого компьютерное зрение практично и полезно, заключается в том, что сможете спросить: «Bixby, что я могу приготовить на ужин, основываясь на том, что у меня в холодильнике?».

Bixby уже скажет, что можете сделать на обед, если предоставите ассистенту список ингредиентов. Если обнаружение пищи автоматизировано, то устройство использует дисплей, чтобы поделиться непрерывной информацией и вариантами питания.

Компьютерное зрение полезно при приготовлении пищи для людей с диетическими ограничениями, такими как низкое содержание натрия, веган, здоровье сердца или беременность. Компьютерный помощник предложит рецепты, которые отлично подходят для питания после тренировки, недорогих или особенных блюд. Ещё одно преимущество, которое даёт передовое компьютерное зрение, — это сокращение пищевых отходов. Это удержит от выбрасывания еды.

Холодильник будущего. Биохолодильник

Уменьшить углеродный след в атмосфере и внести изменения в будущее мира помогает биохолодильник, изготовленный из пластика на основе биополиуретанового изоляционного материала и биокомпозитов на основе пищевых остатков.

Это нововведение открывает ряд вдохновляющих возможностей для будущего дизайна кормильцев.

Фирма Electrolux представила гелевый биохолодильник — холодильник будущего. Он миниатюрен, не имеет дверей, передняя панель — плотный слой биогеля. Биогель прослужит долго. Продукты хранятся дольше в таком холодильничке. Биогель не прилипает и не тянется.

А главное, что такому биохолодильнику не нужна электроэнергия. Пока есть много проблем по выпуску данной модели домашнего ледника.

О гелевом биохолодильнике Electrolux в этом видео:

«Резиновый» холодильник

Учёные продемонстрировали холодильный прибор, в котором используются эластичные спирали из полиэтилена, металла и резины. Если скручивать материал, а затем распрямить спирали, то вырабатывается холод. Способность материалов охлаждаться при закручивании используется в новой технологии.

Вместо резины применяется леска, никель-титановая проволока и швейная нить. Растяжение или скручивание цепей резины или других материалов приводит к упорядоченному состоянию. Выделяется тепло в резине и окружении.

При возвращении в первоначальное состояние возникает беспорядок в состоянии. Материал поглощает тепло, в состоянии хаоса резина и окружение охлаждаются.

Если раскручивать внутри холодильного пространства никель-титановую проволоку, то охлаждает температуру жидкости, в которой находятся провода. Никель-титановая проволока способна выдерживать до 1000 циклов раскручивания и скручивания.

В будущем фабрики для холода нового типа заменят старые типы охлаждения. Холодильник будущего соответствует таким принципам: повышенная энергоэффективность, не использовать хладон, не требуется герметизация и поиск утечек, миниатюрный размер.

О холодильнике LG GC-Q22FTBKL в этом видео:

Поживём — увидим!

Использованные материалы:

1. Холодильник будущего. Обзор. http://www.holodilnik.info/articles/guests-from-the-future/
2. Магнитный холодильник. https://ubiblue.com/
3. Магнитокалорический эффект. Тонкие пленки FeRh. https://www.nature.com/articles/ncomms11614
4. Био-холодильник Zero-energy. https://inhabitat.com/zero-energy-bio-refrigerator-cools-your-food-with-future-gel/#popup-127238
5. Холодильник на солнечной энергии. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/forecast-energy-efficient-cooling-just-got-bit-sunnier/
6. Холодильники будущего могут использовать свойства резины. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/twistocaloric-cooling/
7. Пластиковые кристаллы. https://www.abc.net.au/news/science/2019-03-28/plastic-crystals-could-keep-us-and-the-planet-cool-in-the-future/10943796#lightbox-content-lightbox-9
8. Термоэлектрические холодильники Phononic. https://www.phononic.com/solid-state-inspiration/sustainability-story/

Автор: Королёв Сергей