Холодильник

На севере с незапамятных времен пользовались и продолжают пользоваться до сих пор вечной мерзлотой для замораживания и хранения мяса, рыбы, жира и других продуктов. Там, где не было вечной мерзлоты, лед собирали зимой и хранили до лета в норах, вырытых в земле, пещерах или кучах, засыпанных сверху землей.
Сложнее было получить и сохранить холод в жарких странах, где не было ни льда, ни снега. Их можно было добыть лишь в горах на большой высоте. Несмотря на большие расстояния – сотни километров, лед доставляли к потребителю. Александр Македонский во время Персидского похода (330 г. до н. э.) при осаде города Петры велел сделать 30 погребов со снегом, в которых хранилось охлажденное вино для его воинов.
В Древнем Риме широко применялись привозимые с Альпийских гор снег и лед. Император Нерон приказывал охлаждать кипяченую воду, помещая сосуды в снег. Простые римляне просто смешивали напитки со снегом. Римский император Гелиогабал, правивший в III в. н. э., приказал насыпать в своем саду большие горы из снега, чтобы ветер в жаркую погоду разносил прохладу. Таким образом, Гелиогабал первым реализовал на практике кондиционирование воздуха. К этой идее вернулись спустя более чем 1500 лет – в XIX в., но лишь в закрытых помещениях.
В Средневековье использование льда, перевозимого на далекие расстояния, было популярно, несмотря на трудности. Халиф Махди в VIII в. организовал регулярную доставку льда на верблюдах из Ливана и с гор Армении в Мекку. Один из его наследников применил охлаждение своей резиденции, поместив лед между двойными стенками.
Для уменьшения потерь от таяния при перевозке льда и снега арабы придумали специальные двустенные ящики: промежуток между стенками заполнялся войлоком. Это были, по существу, первые образцы низкотемпературной тепловой изоляции. Многие столетия природный лед оставался основой для получения холода в теплое время года во всех странах, где можно было создать его запасы. Лед не потерял своего значения и сейчас, несмотря на последующее развитие средств охлаждения.
В начале XIX в. Томас Мур, инженер из американского штата Мэриленд, собственноручно построил прототип кухонного ледника. Томас Мур занимался поставкой сливочного масла в Вашингтон. Специального транспорта для этого не было, а доставлять масло в столицу надо было свежим. Тогда Мур соорудил для своего товара сосуд из тонких листов стали, обернул его кроличьими шкурками и поместил в бочку из кедровой клепки. Сверху он насыпал лед. Свое изобретение он назвал «рефрижератор», оформив заявку в патентном ведомстве.
Во второй половине XIX в. во многих домах в Америке, Европе и Австралии появились домашние ледники, имевшие вид кухонных шкафов. Теплоизоляцией служил уже не мех, а пробка и опилки. Над камерой для продуктов или под ней был отсек для льда. Талую воду через кран спускали в поддон. Проблема заключалась в том, что температура таяния льда О °С. Для хранения большинства продуктов, особенно скоропортящихся, этого маловато. Пользуясь древним рецептом, ко льду добавляли соль. Расход льда значительно увеличился. Его приходилось заправлять в домашние ледники по нескольку раз в неделю.
Сейчас использование природного льда из?за мощной конкуренции со стороны современной холодильной техники почти сошло на нет. Тем не менее, в странах, где зимой много льда, древняя технология еще живет и даже расширяется, ведь добывание, хранение и использование природного льда дешевле, а главное – экологически безвредно.
Параллельно с «пассивным» зародилось новое, «активное», направление в получении холода. Из первых удачных решений путем длительной эволюции и родилась современная низкотемпературная техника.
Поставка снега и льда на далекие расстояния была слишком дорогим удовольствием, доступным лишь очень узкому кругу богатых людей. Более важной, особенно в жарких странах, была потребность в охлажденной воде, получаемой на месте и без больших затрат. Для этого не годился пассивный способ охлаждения внешним холодом ввиду его отсутствия. Был необходим другой, активный способ охлаждения – без применения снега или льда. И он был придуман. Его идея состояла в том, чтобы заставить саму воду себя охлаждать.
Это сделали древние египтяне еще за 2500 лет до н. э. На сохранившихся фресках того времени изображены рабы, которые большими веерами обмахивали сосуды с питьевой водой. Если использовать для этого обычные кувшины, то нельзя получить воду, более холодную, чем окружающий воздух. Однако сосуды были пористыми. Часть воды, просачиваясь через поры, испарялась на поверхности кувшинов, охлаждая ее. Обдувание сухим воздухом ускоряло этот процесс. В результате, оставшаяся в сосудах вода охлаждалась ниже начальной температуры. Этот способ подсказал, по?видимому, повседневный опыт: увлажненная поверхность тела на ветру охлаждается.
В Индии вплоть до XX в. использовалось испарительное охлаждение, но в сочетании с другим процессом, делавшим его еще эффективнее. Плоские керамические открытые сосуды, напоминающие по форме большие сковороды, наполнялись водой и помещались на соломенные подстилки, уложенные на дне неглубоких траншей, вырытых в грунте. В ночное время при ясном небе вода в плоских сосудах настолько охлаждалась, что иногда покрывалась коркой льда. Частично охлаждение объяснялось испарением воды, но главная причина была в тепловом излучении с поверхности воды.
Несколько позже, чем испарительное охлаждение, был изобретен и другой способ охлаждения – посредством смешения, точнее, его можно назвать растворением. Первое краткое упоминание об открытии, лежащем в его основе, содержится в индийской рукописи «Панкатантрам». Оно гласит: «Вода охлаждается, если в нее добавляется соль». Основанный на этом способ получения льда описан арабским писателем Ибн?Аби?Усабия в XIII в.
К XVI в. в Европе было уже широко известно растворение селитры в воде для охлаждения напитков. В частности, охлажденной таким способом водой поили рабов?гребцов на галерах. В 1550 г. вышло даже специальное научное сочинение испанского врача Блазиуса Виллафранка. Это первое из известных практических руководств по холодильной технике. В его названии были слова «Methodus refrigerandi» (методы охлаждения). Там, в частности, сказано, что такой способ охлаждения воды и вина широко известен и применяется горожанами в домашнем хозяйстве. Вскоре был сделан и следующий шаг: было установлено, что смешение селитры со снегом позволяет получать значительно более низкие температуры. Впервые этот способ был описан в труде неаполитанца Баптисто Порта «Madia Naturalis» (1589 г.). Неаполитанский врач Латинус Танкредус в 1607 г. писал о быстром замораживании воды в сосуде, помещенном в такую смесь.
Охлаждающие смеси в дальнейшем сыграли существенную роль в развитии исследований в области низкотемпературной физики и техники. По существу, они вплоть до середины XIX в. оставались основным средством охлаждения в экспериментальных работах.
Говоря о развитии холодильной техники, необходимо вспомнить, как люди научились получать искусственный лед.
Первое исторически достоверное известие о полностью искусственном получении льда из воды относится к 1775 г., когда В. Гюллен, откачивая насосом пар из?под стеклянного колпака, внутри которого находился сосуд с водой, получил в последнем лед.
В XVIII в. были открыты два различных способа получения низких температуры – сначала для замораживания воды, а впоследствии и для холодильных машин общего назначения. Первый из них связан с испарением жидкости, второй – с расширением воздуха, сопровождаемым производством внешней теплоты. Сначала оба эти способа развивались независимо друг от друга. Так было примерно до 60?х годов XIX в., когда холодильные машины стали выпускать массово и для разнообразных целей.
О первых попытках создать воздушные холодильные машины, работающие на сжатом воздухе, сохранились лишь отрывочные сведения. Так, в 1755 г. немец Хоэль в Хемнице (Австро?Венгрия) получил охлажденный воздух в результате его расширения. Примерно такие же исследования провел в 1771 г. в Швеции уроженец Мекленбурга Вильке.
Одновременно шло изучение охлаждения воздуха и других газов при расширении. Этим вопросом занимались Эразм Дарвин (дед Ч. Дарвина), Д. Дальтон и Гей?Люссак. Наконец в 1824 г. Сади Карно ввел понятие об обратном (холодильном) газовом цикле. Изучение этого вопроса продолжали Д. Гершель в 1834 г., а затем В. Сименс и А. Кирк в 50–60?е годы XIX века.
Работы по созданию действующих образцов воздушных холодильных машин между тем продолжались и вышли на уровень, позволяющий применить их на практике. Есть сведения, что изобретатель паровых машин англичанин Р. Тревитик в конце 20?х годов XIX в. сделал несколько образцов машин, предназначенных для охлаждения воды и превращения ее в лед. Принцип их действия заключался в том, что сжатый и затем охлажденный до температуры окружающей среды воздух выпускался в воду и, расширяясь там, охлаждал ее до выделения льда. Однако дальше опытов дело не пошло.
Первую действующую холодильную установку создал американский врач Дж. Горри. Он работал врачом в г. Апалачикола (штат Флорида). Жаркий климат этого района побудил Горри заняться холодильными делами. Видя своих пациентов, мучающихся от жары в помещениях больницы, он думал о том, как им помочь. Лед позволил бы создать в палатах совсем другой климат, но его не было. Горри решил сконструировать холодильную машину, позволяющую получать лед в количестве, достаточном для этой цели. В 1845 г. это ему удалось.
Модель установки Горри до сих пор хранится в патентном ведомстве США. «Льдоделательная» машина состояла из цилиндра диаметром около 200 мм, воздух в котором посредством поршня сжимался до 0,2 МПа. Тепло, выделяющееся при сжатии, отводилось посредством впрыскивания воды. Сжатый воздух поступал в цилиндрический горизонтальный ресивер, тоже охлаждаемый водой, пропускаемой по уложенным внутри трубкам. При последующем расширении воздуха в поршневом детандере в его цилиндр впрыскивалась соленая вода, которая при этом охлаждалась расширяющимся воздухом. Она и использовалась для получения льда.
Машина исправно работала, и Горри захотел сделать свое изобретение доступным всем, кто в нем нуждался. В мае 1851 г. он получил патент на свою машину.
Из приложения к патенту видно, что Горри усовершенствовал свою машину, заменив впрыск соленой воды погружением в соленую воду. С современной точки зрения, схема машины почти безупречна. Компрессор и детандер в этой машине конструктивно несовершенны, но в то время не было почти никакого опыта создания воздушных компрессоров, а тем более расширительных машин – детандеров. Можно было использовать только идеи и конструктивные элементы из опыта создания паровых двигателей. Тем не менее, Горри, не имевший ни инженерного образования, ни практики, сумел разработать эти машины и на их основе создать вполне работоспособный агрегат.
Не понятый своими современниками и разочарованный цепью неудач, Горри заболел и скончался в возрасте 52 лет. Планы его не осуществились. Соотечественники в конце концов оценили его заслуги: через 44 года после смерти Горри фирма, выпускавшая холодильные машины, воздвигла памятник в городе, где он работал. В памятном зале Капитолия в Вашингтоне («Зале славы»), где каждый штат устанавливает памятник своему самому выдающемуся гражданину, Флориду представляет Горри.
Идея Горри послужила основой для дальнейшего развития холодильников. В 1857 г. В. Сименс, немецкий техник, переселившийся в Англию, опубликовал труд, в котором критически рассматривал машины Горри. Отдавая должное достоинствам, Сименс отметил и недостатки. Но, критикуя, он также искал пути устранения этих недостатков.
В замечаниях Сименса сказано, что воздух, который выходит из цилиндра детандера и расходуется на охлаждение соленой воды, недостаточно охлаждается, если его подавать непосредственно в воду, как сделано у Горри. Он предложил этот воздух не выпускать, а направлять в специальный теплообменный аппарат противотоком к сжатому воздуху, идущему в детандер. Это предложение было им запатентовано.
Открытие регенерации тепла произвело подлинный переворот и в дальнейшем нашло широкое применение не только в низкотемпературной технике, но и во многих областях энергетики.
Другим достижением стала воздушная машина шотландского инженера А. Кирка. Она была уже вполне пригодна для промышленной эксплуатации, многие ее образцы использовались в различных устройствах, нуждающихся в холоде.
Холодильный агрегат Кирка отличался от машин его предшественников прежде всего тем, что работал по замкнутому циклу с использованием регенерации тепла. В ней постоянно циркулировала порция воздуха. Идея регенерации тепла, изложенная в этом патенте, давала огромные преимущества. Отработанный холодный воздух, сохранивший достаточно низкую температуру, не выбрасывается бесполезно, а возвращается в систему и используется для того, чтобы предварительно охладить сжатый воздух, направляемый на расширение. В этом случае на вход в детандер воздух поступает более холодным, на выходе он тоже понижает температуру. Таким образом, при тех же затратах получается большее охлаждение. По существу, после введения регенеративного теплообмена окончательно были установлены «три кита», на которых стоит вся классическая низкотемпературная техника: это детандер (или дроссель), регенеративный теплообменник и компрессор.
Регенерацию тепла впервые ввел в технику шотландский пастор Р. Стирлинг, когда в 1816 г. изготовил и запатентовал свой воздушный тепловой двигатель.
Осушка воздуха в нем производилась посредством сосуда с концентрированной серной кислотой, смещенного в нагнетательной линии. В компрессоре влага, содержавшаяся в воздухе, поглощалась кислотой. В дальнейшем кислота нужна была только для того, чтобы удалять влагу, поступавшую с наружным воздухом через неплотности в коммуникациях.
Кроме перехода на замкнутый процесс Кирк ввел еще одну новинку: регенерация тепла происходила в его агрегате не в обменнике, где два потока газа движутся навстречу друг другу (противоточный теплообменник), а в регенераторе. Он представлял собой трубу, заполненную металлической стружкой или мелкими осколками камня, через которые свободно проходил воздух. Когда через регенератор пропускался теплый воздух, насадка нагревалась. Затем теплый воздух отключался, и в противоположном направлении пропускался холодный, который, охлаждая насадку, нагревался сам. Затем снова пропускался теплый воздух, который охлаждался, нагревая насадку, и т. д. В результате тепло, так же как и в теплообменнике, передавалось от теплого потока к холодному, но не через стенку, а посредством насадки. Регенератор по устройству проще теплообменника и может передать больше тепла на единицу объема, чем теплообменник.
Усовершенствования, сделанные Кирком, привели к достижениям, намного превышающим результаты, полученные его предшественниками. Сначала он добился, чтобы температура на выходе из детандера была равной –13 °C, а затем, после доработки, ему удалось даже заморозить ртуть. Это означало, что впервые в холодильной машине удалось получать непрерывно температуру ниже –40 °C.
Стоит отметить, что Кирк уже вышел за пределы чисто познавательного мышления, и его машина могла производить холод в довольно широком интервале низких температур от –3 до –40 °C.
Машины того времени требовали от 1,5 до 1,75 кг топлива (угля) и мощности, равной лошадиной силе в час. Расчет по углю, а не по электроэнергии, вполне понятен, если вспомнить, что в то время не было электростанций и электросетей. Каждая холодильная установка имела свой индивидуальный привод от паровой машины и представляла единый агрегат, состоящий из двух машин: холодильной и паровой. Сравнительно невысокий КПД холодильной машины Кирка был существенно выше, чем у паровой машины, приводящей ее в движение.
В дальнейшем Кирк разработал другие, еще более совершенные варианты своей машины. Если в первой машине Кирка давление воздуха составляло едва 0,2 МПа, то в новых машинах оно достигало уже 0,6–0,8 МПа. Одна из первых больших машин новой модификации была установлена в 1864 г. на фабрике по производству масла «Юнг, Мелдрум и Винни». Она работала круглосуточно 10 лет и останавливалась на текущий ремонт только на 1–2 суток через каждые 6–8 мес. Число выпущенных Кирком машин было невелико, но они сыграли важную роль не только в развитии, но и в распространении холодильной техники.
Воздушные холодильные машины в дальнейшем совершенствовались американцем Л. Алленом и немцем Ф. Виндхаузеном.
Таким образом, к 60?м годам XIX в. уже вполне сложились схемы воздушных холодильных установок.
К 70?м годам XIX в. воздушные холодильные машины были довольно широко распространены. П. Гиффорд представил такую машину на Парижской выставке в 1877 г. С 1880 г. их начали выпускать в Англии, широко используя для транспортировки охлажденной рыбы.
Более совершенной была машина, разработанная Дж. Големаном. Она отличалась от других тщательно отработанной конструкцией, большей безопасностью эксплуатации и нашла в то время широкое распространение. В машине Големана впервые были использованы для регулировки дроссель на паропроводе паровой машины и термостат, установленный в охлаждаемом помещении.
В машине применялся противоточный регенеративный теплопроцесс, в котором воздух, возвращающийся из холодильной камеры, охлаждал сжатый в компрессоре и идущий на детандер воздух.
Эти машины были уже довольно крупными, их мощность достигала 221 кВт. Многие английские фирмы выпускали эти машины и в дальнейшем. Несмотря на это, воздушные холодильные установки к 70–80?м годам XIX в. почти полностью сошли со сцены.
Идея паровой компрессионной холодильной машины зародилась, по существу, уже тогда, когда впервые вода была охлаждена под колпаком при откачке воздуха насосом. Однако до машины как таковой было еще далеко, так как производилось лишь однократное, а не непрерывное охлаждение. Но при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало трудности. Чтобы его уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. Систематическое исследование получения холода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала Т. Кавалло в 1781 г. и позже А. Маре в 1813 г.
В 1805 г. О. Эванс опубликовал описание машины «для охлаждения жидкостей», где предлагалось использовать для этой цели испарение этилового спирта.
Описанная им идея включала почти все принципиально важные для холодильной машины процессы: испарение эфира при низком давлении (в вакууме), откачку пара насосом (т. е. компрессором) в другой сосуд и конденсацию этого пара холодной водой, отводящей от него тепло. Здесь не хватало только одного важного элемента, позволившего бы замкнуть цикл и вернуть жидкий эфир в сосуд, где он мог бы испаряться, охлаждая или замораживая воду.
Для этого был только единственный путь – заставить эфир циркулировать в замкнутом контуре. Эта на первых порах малоперспективная идея тоже содержала рациональное зерно, которое позже дало начало абсорбционным холодильным машинам.
Первым, кто изучил этот путь и подготовил все условия для использования этой идеи, был англичанин Я. Перкинс. В августе 1834 г. Перкинс получил патент на «аппарат производства холода и охлаждения жидкостей». В патенте он предложил собирать испарившееся вещество, затем сжимать его газовым насосом (компрессором) и после этого снова конденсировать холод, т. е. осуществлять полный цикл, непрерывно получая такое же количество легколетучего эфира. Перкинс не ограничился описанием идеи, а сделал инженерную разработку.
В изолированном сосуде находится охлаждаемая жидкость. Был предусмотрен бак с легкокипящим испаряющимся веществом (в качестве такого вещества Перкинс рекомендовал этиловый эфир, поскольку он дешев и обладает невысоким давлением пара). Пары поступают по трубопроводу в паровой насос (т. е. компрессор) и после сжатия подаются по трубопроводу в конденсатор, помещенный в ванне с холодной водой (погружной конденсатор). Здесь пар при давлении, близком к атмосферному, конденсируется, и жидкость через дроссельный клапан возвращается в испаритель. Здесь были полностью предусмотрены все части парокомпрессионной холодильной установки. Она исправно работала при условии полного удаления воздуха из системы.
Перкинсу не пришлось увидеть свою машину «в металле». Довольно несовершенная опытная машина по его идее была создана уже после его смерти. Ее устройство полностью повторяло эскиз Перкинса, но ручной насос был заменен механическим компрессором. Испаритель выполнен в виде двух соединенных полушарий. В верхний помещалась замораживаемая вода, а в междустенном пространстве – испаряющийся хладагент.
А. Твиннинг практически осуществил идею Перкинса. С 1848 г. он стал использовать в качестве хладагента эфир. В 1850 г. он получил английский, а потом и американский патент. Одна такая машина работала в Кливленде и давала 50 кг льда в час.
Большого успеха в развитии паровых холодильных машин достиг англичанин Дж. Гаррисон. В 1837 г. он переехал в Австралию и в 1850 г. занялся процессом получения холода. В то время существовала огромная потребность в заморозке мяса, экспортируемого из Австралии в Англию. В 1856–1857 гг. Гаррисон получил два английских патента на машины с этиловым эфиром в роли хладагента. В то время он уже обдумывал возможность применения других рабочих веществ, в частности аммиака.
В 1875 г. Гаррисон посетил Лондон, где обсуждал проблемы охлаждения с Фарадеем и Тиндалем. Наладив производство холодильных машин, Гаррисон занялся непосредственно замораживанием мяса для экспорта в Англию. Однако сначала он попробовал замораживать мясо на берегу в стационарных условиях. В 1873 г. он провел эксперимент в Мельбурне, заморозив при помощи своей машины мясо, рыбу и тушки птицы. Через 6 мес. был проведен осмотр и проверка качества. После удачного окончания опыта в 1873 г. Гаррисон решился на широкомасштабный эксперимент. Он погрузил на судно «Норфолк», оборудованное его холодильной установкой, 20 т баранины и говядины, заморозил груз на борту, после чего судно отправилось в Англию. Однако Гаррисон потерпел неудачу: по дороге машина вышла из строя, и по прибытии в Лондон покупателя на привезенное мясо не нашлось. Гаррисон понес убытки, был вынужден оставить коммерческую деятельность и занялся научной работой. Умер он в 1893 г. Машины Гаррисона, работающие на эфире, продолжали несколько лет выпускаться в Лондоне.
Независимо от Гаррисона, в 1857 г. француз Ф. Каре разработал паровые холодильные машины, работавшие не только на этиловом эфире, но и на сернистом ангидриде. Одна из установок, построенных по этому патенту, была смонтирована в южной Франции на заводе по производству соли и использовалась при получении сернокислого натрия (глауберовой соли) из морской воды. Кроме того, Каре придумал способ получения искусственного холода за счет абсорбции аммиака. Это был остроумный способ, который, правда, забыли лет на сорок. В начале XX в. в Москве появилась фирма П. Вортмана. Коммерсант предлагал москвичам огромный агрегат с названием «Эскимо», в котором использовался принцип Фернана Каре.
Он был бесшумным и универсальным. Топливом для него могли служить дрова, уголь, спирт, керосин. За один цикл работы «Эскимо» намораживал 12 кг льда.
Такую ледоделательную машину могли себе позволить лишь богатые покупатели или предприниматели, применявшие лед, например, в торговле мороженым, кондитерскими товарами, мясом, рыбой, пивом и другими продуктами.
Большую роль в получении домашнего и промышленного холода сыграл К. фон Линде. Он изобрел промышленный способ сжижения газов. В 1879 году фон Линде создал холодильную машину с компрессором, работавшем на аммиаке. Благодаря ей и началось производство льда в больших масштабах.
Холодильные машины Линде устанавливались на мясных бойнях и пищевых фабриках. Ими оснастили вагоны, речные и морские суда. Позже уменьшенная машина Линде стала сердцем домашних холодильников.
В изобретении Линде холодный рассол или аммиак циркулировал по разветвленной системе труб, охлаждая помещения с продуктами. Появились большие торговые и промышленные холодильные склады.
В 1893 году американец Элайя Томсон оснастил компрессионный холодильник электроприводом. Но такой аппарат был очень далек от совершенства. Он имел приводные ремни и производил много шума. Из?за утечек газа – аммиака или сернистого ангидрида – в помещении стоял неприятный запах. Холодильные шкафы обычно помещали в подвалы, чтобы избавиться от шума и вони.
Отцом современных холодильников можно считать датского инженера Стинструпа. В 1926 году он накрыл компрессор и его электродвигатель герметичным колпаком. Это сделало домашний холодильник бесшумным, безвредным и долговечным. Патент на агрегат Стинструпа приобрела корпорация «General Electric».
Теперь требовалось найти другой носитель холода, чтобы избавиться от аммиака и сернистого ангидрида. На смену им пришел фреон, открытый и изученный бельгийцем Свартом. В жидком состоянии фреон кипит при – 32,8 °C, химически пассивен и неядовит.
Теперь холодильники стоят в каждом доме или квартире. Они стали привычными, и вряд ли их владельцы знают о труде тысяч изобретателей и инженеров, работавших над идеей развития обычного бытового прибора.