Холодильник будущего. Тенденции и направления развития.

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

Тенденции и направления развития холодильника будущего.

Тенденции и направления развития холодильника будущего.

В основном домашние холодильники 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 холодильников. В стадии модернизации бытовых холодильников 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 они 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 холодильников без использования ГФУ. Научно доказано, что полупроводниковые чипы могут передавать тепло. Достижения в области полупроводниковых технологий привели к созданию масштабируемых солнечных панелей и светодиодных лампочек. Возможно использование аналогичной технологии для создания энергоэффективного охлаждения.

Портативный складной холодильник с солнечной батареей.

Процесс, известный как 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 холодильника.

Тенденции и направления развития холодильника будущего-2.

Влияние хладагентов на парниковый эффект.

Исследования в области охлаждения направлены на то, чтобы убрать токсичные и загрязняющие газы. Так называемые «пластиковые кристаллы» могут открыть новые возможности для создания холодильников только с твёрдыми компонентами.

Отработавшие холодильники и морозильники хранятся на мусорной станции. Газы из стандартных холодильников могут испортить окружающую среду.

Охлаждение существует около 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 могут заменить охлаждение в том виде, в каком знаем, делая его адаптируемым, эффективным и экологичным.

Стандартные холодильники 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 в процессе кипения.

Это простая и эффективная система, которая была усовершенствована в течение столетия, но у неё есть проблемы. Основная проблема в том, что используемые газы являются опасными для окружающей среды, когда они выходят.

Один килограмм типичного газообразного хладагента может внести 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 могут быть проблемы со здоровьем.

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

Холодильник будущего. Термоэлектрические холодильники.

Холодильник будущего. Термоэлектрические холодильники.

Термоэлектрические холодильники с использованием полупроводников не требуют движущихся частей, поэтому надёжны и могут быть сделаны компактными. Но стоимость производства относительно высока. Не многие компании ищут термоэлектрические устройства для получения прибыли.

Крупные компании по производству мороженого в настоящее время проводят пилотные испытания таких холодильников. Клиентами термоэлектрических холодильников являются больницы, которые используют холодильники для безопасного хранения образцов и лекарств.

В центрах обработки данных для охлаждения серверов и предотвращения перегрева также используются такие холодильники.

Большим плюсом термоэлектрических устройств является то, что они не требуют вентиляции, отдельной цепи питания и компактны.

Холодильники и морозильники питаются от небольшого твердотельного чипа. Это означает, что нет никаких компрессоров для обслуживания. 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 почти бесшумные. Уровень шума менее 35 дБ. Твердотельные холодильники 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.

Твердотельный лабораторный холодильник Thermo Scientific TSX.

Пластиковые кристаллы могут охлаждать.

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 может отводиться, и когда давление снимается, молекулы возвращаются к разупорядочению, и температура падает ещё ниже. Затем кристалл может поглотить тепло из холодильника, 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 можно использовать 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, могут это сделать.

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

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

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

Пластиковые кристаллы могут значительно изменить состояние под давлением, но не смогут выдержать 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: около 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.

Так же, как в обычном хладагенте, где 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.

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

Диаграмма при приложении и снятии давления в пластиковых кристаллах.

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

Холодильник будущего. Твердотельные холодильники.

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

Многие твердотельные холодильные 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 холодильник. Сжатие газа компрессором дёшево, надёжно и длится долго. Теперь холодильная индустрия добилась значительных улучшений в эффективности и воздействии на окружающую среду.

Но скоро в домах людей появятся твердотельные холодильники. Эффективные технологии охлаждения могут способствовать разработке быстрых и компактных компьютеров и устройств.

Микрочипы в процессорах нагреваются, и когда они нагреваются, они не могут работать должным образом. Но вы не можете поставить холодильник в умные часы или в iPhone.

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

Phononic использует твердотельные технологии.

Технология магнитного охлаждения. Магнитный холодильник.

С 1917 года, когда Пьер Вайс впервые обнаружил магнитокалорический эффект, учёные и инженеры пытаются использовать его для охлаждения. После почти 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 многие 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 легко стирались, но он не хорош для создания эффективных магнитных холодильников.

Эту неэффективность можно преодолеть, 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 может создать больший охлаждающий эффект.

Используя различные калорийные эффекты, эта тактика многократного подхода может увеличивать 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 слишком большими для общего пользования, и не были эффективными, как обычные холодильники.

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.

В настоящее время он проходит бета-тестирование в трёх местах с использованием различных конфигураций. Также разрабатываются крупные промышленные системы с мощностью охлаждения 20 кВт.

Магнитное охлаждение основано на магнитокалорическом эффекте.

Холодильник будущего. Интеллектуальные холодильники.

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

Заглянуть внутрь, не открывая дверь.

В зависимости от устройства диапазон функций также включает в себя: управление или мониторинг с помощью смартфона или планшета во время движения, 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. Холодильник имеют электронное управление через монитор, расположенный на дверцах. Но топовая модель также поддерживает голосовое управление и может быть подключена к смартфону через специальное приложение.

Топовый холодильник Family Hub.

Этот интеллектуальный холодильник Samsung обладает большинством функциональных возможностей. Устройство, подключённое к Интернету, имеет несколько предварительно загруженных приложений, включая календарь, список покупок и доску.

Они появляются на 21,5-дюймовом сенсорном экране на одной из четырёх дверей. Сенсорный экран лежит в основе функциональности холодильника. Вы можете контролировать внутреннюю температуру отсюда, со своего телефона или даже с телевизора.

Внутри холодильника также есть камеры, которые могут делать снимки внутри холодильника в любое время и делать фотографию доступной для вас в любом месте. Вы можете быстро взглянуть на фото, пока ходите по магазинам за продуктами и т.д.

Холодильник также может взаимодействовать с некоторыми приложениями на телефоне, такими как Spotify, которые можно использовать для воспроизведения музыки на холодильнике.

Семейный холодильник Samsung 2.0.

Samsung использует компьютерное зрение, чтобы сказать вам, что в холодильнике. 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 холодильнике отлично подходит для потребителей, но оно также может иметь реальные бизнес-последствия для Samsung, поскольку оно использует преимущества присутствия Samsung в каждом доме.

По словам вице-президента, Samsung Юна Ли, устройства Samsung сегодня можно найти в 70 процентах семей в США.

Смарт-холодильник Samsung Family Hub. (видео)

Компьютерное зрение Bixby Vision в холодильнике Family Hub.

Официальная дата выпуска Bixby Vision для холодильников не запланирована. Сегодня это скорее концепция, чем функция. Легко представить себе далеко идущее влияние, которое компьютерное зрение внутри холодильника может оказать на жизнь пользователей.

Вы сможете сказать: «Bixby, у меня есть яблоки?», и компьютерное зрение сможет ответить на ваш вопрос. Это означает, что не придётся угадывать, сколько пива осталось или, когда молоко испортится.

Вы можете видеть в реальном времени ваш холодильник с помощью приложения Samsung SmartThings, но Bixby Vision открывает это для голосового взаимодействия без помощи рук.

В будущем вы можете себе представить, что, когда Bixby Vision определит, что у вас мало молока, новая упаковка будет заказана автоматически.

Другой способ, с помощью которого компьютерное зрение может быть практичным и полезным в холодильнике, заключается в том, что когда-нибудь вы сможете спросить: «Bixby, что я могу приготовить на ужин, основываясь на том, что у меня в холодильнике?».

Bixby уже может сказать, что вы можете сделать на обед, если предоставите ассистенту список ингредиентов. Если обнаружение пищи у вас автоматизировано, то холодильник может использовать дисплей, чтобы поделиться непрерывной информацией и вариантами питания.

Компьютерное зрение может быть полезным даже при приготовлении пищи для людей с диетическими ограничениями, такими как низкое содержание натрия, веган, здоровье сердца или беременность.

Могут быть даже предложения рецептов, которые отлично подходят для питания после тренировки, недорогих или особенных блюд.

Ещё одно преимущество, которое может дать передовое компьютерное зрение в вашем холодильнике, — это сокращение пищевых отходов. Это может удержать от необходимости выбрасывать еду, прежде чем получите возможность её приготовить.

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 холодильников.

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.

Гелевый холодильник Electrolux.

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

Холодильник Bio Robot от Юрия Дмитриева. (видео)

Холодильник будущего. «Резиновый» холодильник.

Учёные продемонстрировали холодильник, 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 можно применять леску, никель-титановую проволоку и швейную 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 холодильника никель-титановую проволоку, то она охлаждает температуру жидкости, в которой находятся провода. Никель-титановая проволока способна выдерживать до 1000 циклов раскручивания и скручивания.

Резиновое охлаждение.

В будущем холодильники нового типа могут вытеснить старые типы охлаждения. Холодильник будущего должен соответствовать таким принципам: повышенная энергоэффективность, не использовать хладон, не требуется герметизация и поиск утечек, миниатюрный размер.

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/

Оригинальный дизайн модульного холодильника.

Автор: Королёв Сергей

Поделиться ссылкой:

Комментарии 2

  • Интереснейшая статья про будущий домашний холодильник. Об этом ещё нигде не читал. Автору респект и уважуха.

  • Благодарю, Максим, за комментарий. Модернизация холодильников идёт быстро. Кто бы мог подумать, что корейцы выпустят новые виды компрессоров. А скоро может быть их и вообще не будет. Технологии твердотельных, умных, магнитных и резиновых холодильников совершенствуются. Может и пластиковые кристаллы помогут? Желаю успехов!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *