Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, является второе начало термодинамики. Охлаждающее рабочее тело (хладагент) в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основной вклад в передачу теплоты вносит изменение термодинамического состояния хладагента не в цикле Карно, а в фазовых переходах — испарении и конденсации хладагента. В принципе, возможно применение в холодильном цикле только цикла Карно, но при этом для достижения высокой хладопроизводительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь теплообмена в охлаждающем и нагревающем теплообменниках.

Основными составляющими частями холодильника являются:

• компрессор, создающий необходимую разность давлений;
• испаритель, забирающий тепло из внутреннего объёма холодильника;
• конденсатор, отдающий тепло в окружающую среду;
• терморегулирующий вентиль, поддерживающий разность давлений за счёт дросселирования хладагента;
• хладагент — вещество, переносящее тепло от испарителя к конденсатору.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его (при этом температура хладагента повышается) и нагнетает в конденсатор, где хладагент конденсируется в жидкость отдавая теплоту конденсации во внешнюю среду.

В бытовых холодильниках используются герметичные поршневые мотор-компрессоры. В таких компрессорах электродвигатель располагается внутри корпуса компрессора, что позволяет предотвратить утечки хладагента через уплотнение вала. Для поглощения вибраций применяется упругая подвеска мотор-компрессора. Подвеска мотор-компрессора может быть наружной, когда на пружинах подвешивается весь корпус мотор-компрессора, или внутренней, когда подвешен только электродвигатель компрессора внутри корпуса.

В современных бытовых холодильниках наружная подвеска не применяется, так как она хуже поглощает вибрации компрессора и сильно шумит. Для смазки трущихся частей компрессора и электродвигателя применяют специальные рефрижераторные масла, обладающие низкой температурой застывания. Масло и хладагент хорошо растворяются друг в друге.

В конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и при этом конденсируется, то есть превращается в жидкость, поступающую в капилляр.

В бытовых холодильниках чаще всего применяются ребристо-трубные конденсаторы, в качестве оребрения применяется стальная проволока или стальной перфорированный лист. Отвод тепла от конденсаторов обычно естественный — за счёт конвекции и теплового излучения, в высокопроизводительных и промышленных холодильниках применяется принудительное охлаждение конденсатора вентиляторным воздухом или водой.

Жидкий хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или терморегулируемый расширительный вентиль) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, отбираемая теплота расходуется на теплоту кипения жидкости, за счёт чего происходит охлаждение холодильного пространства холодильника, где и находится испаритель.

Испарители бытовых холодильников чаще всего листотрубные, сваренные из пары алюминиевых листов с внутренними каналами для прохождения хладагента. Испаритель морозильной камеры часто и является её корпусом, в то время как испаритель холодильной камеры (в холодильниках с двумя испарителями) располагают на задней стенке камеры.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.

Терморегулируемый расширительный вентиль необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объём испарителя кипящим хладагентом. Пропускное сечение вентиля изменяется по мере снижения теплового потока в испарителе, при понижении температуры в холодной камере расход циркулирующего хладагента уменьшается.

В бытовых холодильниках чаще всего вместо терморегулируемого расширительного вентиля используется капилляр. Он не меняет своё сечение, а дросселирует определённое количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра, длины и типа хладагента.

Большое значение имеет чистота хладагента: вода и примеси могут засорить капилляр или повредить компрессор. Примеси могут образовываться в результате коррозии внутренних стенок трубопроводов холодильника, а влага может попасть при заправке холодильника, либо проникнуть через неплотности (особенно в холодильниках с открытым компрессором). Поэтому при заправке тщательно соблюдается герметичность, перед заправкой хладагентом циркуляционный контур вакуумируется. В каждом холодильнике имеется фильтр-осушитель, который устанавливается перед капилляром.

Обычно также применяется простейший противоточный теплообменник, снижающий температуру жидкого хладагента от конденсатора перед подачей в испаритель. В результате в испаритель поступает уже охлаждённый жидкий хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из испарителя, подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить тепловой КПД и производительность холодильника, а также предотвратить попадание жидкого хладагента в компрессор