Холодильник. История изобретения и современные устройства

До разработки холодильных технологий люди использовали различные средства для охлаждения и сохранения продуктов питания.

Холодильник

Холодильник

В течение столетий основным хладагентом служил лед. Древние индейцы и египтяне использовали основное свойство льда — испарение, которое послужило концептуальной основой для создания первых «современных» холодильников, разработанных в течение девятнадцатого века. Относительно быстрое испарение жидкости создает большой объем расширяющегося газа. При этом по мере роста водяного пара его кинетическая энергия резко увеличивается. Индейцы и египтяне воспользовались этим явлением: они устанавливали широкие мелкие чаши, наполненные водой, во время прохладных ночей. Часть воды быстро испарялась, а оставшаяся вода охлаждалась, образуя лед. С помощью этого метода удалось получать значительные куски льда, которые затем можно было бы использовать для охлаждения пищи.

Как сохраняли продукты наши предки

Древние китайцы использовали более примитивные средства для получения льда. Они просто вывозили его из гор, чтобы охладить свою пищу. Эту практику переняли древние греки и римляне. Чтобы сохранить лед, люди хранили его в ямах или пещерах, изолированных соломой и деревом. Такой метод позволял поддерживать запас льда в течение нескольких месяцев. В промышленно развитых странах в 19 веке использование натурального льда служило основным методом охлаждения продуктов питания: громадные блоки льда помещались в изолированные шкафы наполненные едой, которую нужно было сохранить. Сегодня этот способ сохраняется во многих развивающихся странах, где лед остается единственным доступным хладагентом.

Первая известная попытка создания холодильника состоялась в Шотландии в Университете Глазго. В 1748 году Уильям Каллен возродил старую индийско-египетскую практику замораживания жидкости путем испарения, хотя он ускорил процесс путем кипячения этилового эфира в частичном вакууме (спирт испарялся быстрее, чем вода). Каллен проводил просто эксперименты, но американец Оливер Эванс воплотил это в жизнь: он разработал холодильник в 1805 году. Машина Эванса, основанная на замкнутом цикле сжатого эфира, представляла собой первое устройство, использовавшее пар вместо испарений. В 1844 году американский врач по имени Джон Горри построил машину, чтобы обеспечить льдом больницу, в которой он работал. Машина Горри сжала воздух, который затем охлаждался водой. Охлажденный воздух направлялся в цилиндр двигателя, и, расширялся настолько, что его температура опускалась до того уровня, когда возможно было образование льда.

В 1856 году другой Александр Твиннинг начал продажи холодильного устройства, основанную на том же принципе сжатия пара. Дизайн этой машины был усовершенствован австралийцем Джеймсом Харрисоном, у которого возникла необходимость сохранения мяса и пива в больших объемах. Три года спустя Фердинанд Карре улучшил базовую концепцию, лежащую в основе всех предыдущих холодильников: он ввел аммиак в качестве хладагента. Аммиак расширяется быстрее, чем вода, поэтому он может поглощать больше тепла из окружающей среды. Карре также стал автором и других инноваций. Его холодильник работал а таком цикле, где пары хладагента (аммиака) абсорбировались в жидкости (смесь аммиака и воды), которая впоследствии нагревалась. Внешний шкаф и дверь были изготовлены из листового металла, части которого приваривались или скреплялись между собой. Некоторые производители до сих пор используют листовой металл для изготовления внутреннего шкафа, но большинство используют пластик для внутренних вкладышей, который изготавливается путем вакуумного формования.

Машина Карре настолько хорошо продавалась, что вскоре было открыто промышленное производство современного холодильного оборудования. Компоненты, составлявшие основу холодильника тех времен, остаются актуальными и для множества нынешних холодильников. Но аммиак доставлял несколько проблем. Он служил очень эффективной охлаждающей жидкостью, но был ядовитым. Поэтому его место вскоре заняли синтетические альтернативы, разработанные в течение 1920-х годов. Наиболее известный из них фреон, были создан путем химического изменения молекулы метана, где были заменены два атома хлора и два атома фтора на четыре атома водорода. Полученный газ (дихлорфторметан) был сразу принят на вооружение в холодильном производстве, потому что его низкая температура кипения, поверхностное натяжение, вязкость делали его идеальным хладагентом. Позже, в 1970-х годах, ученые поняли, что фреон несет проблемы для окружающей средой. Был начат немедленный поиск новых агентов для использования в холодильной технике.

Конструкция современных холодильников, материалы

Современные холодильники состоят из нескольких основных компонентов: внешнего шкафа и двери, внутреннего шкафа или вкладыша, изоляционной вставки между ними, системы охлаждения, хладагента и светильников. Корпус и дверь изготовлены из алюминия или стального листового металла. Внутренний шкаф выполнен из листового металла или из пластика. Изоляция, заполняющая зазор между внутренним и внешним шкафами, состоит из стекловолокна или пенопласта. Компоненты системы охлаждения (компрессор, конденсатор, катушки, ребра) изготовлены из алюминия, меди или сплавов. Трубка обычно делается из меди, ввиду высокой пластичности металла. Фреон остается популярным хладагентом. Внутренние светильники изготовлены из вакуумного пластика.

Современный холодильник основан на двух основных законах физики:
1. тепло течет от более теплого материала к более холодным материалам, не возвращаясь обратно;
2. уменьшение давления газа снижает его температуру.
Хотя с тех пор, как Карр представил свою модель в конце девятнадцатого века, были сделаны серьезные усовершенствования, тем не менее эти основные работают в современных холодильниках. Рефрижератор удаляет тепло из внутренних отсеков, выводя его наружу. Фреон нагреваясь, начинает выделять тепло внутри холодильника. Поглощая это тепло, фреон затем направляется в конденсатор компрессором. При помощи медных катушек (обычно устанавливаемые сзади или на дне холодильника) фреон возвращается в жидкое состояние, передавая тепло во внешний воздух. После охлаждения фреон возвращается в испаритель, где цикл начинается снова.

Проблемы окружающей среды

В середине 70-х годов ученые стали понимать, что, поскольку газы, включающие фреон, относятся к группе хлорфторуглерода, то они имеют свойство подниматься вверх в стратосферу (верхний слой атмосферы), где они постепенно разлагаются, высвобождая атомы хлора. Проблема заключается в том, что каждый атом хлора может разрушать десятки тысяч молекул озона. Озон — защитный слой в стратосфере, поглощающий много солнечного ультрафиолетового излучения, наносящего вред жизни на земной поверхности. Формула озона представляет собой трехатомную форму кислорода. Как только исследователи разных стран поняли, что выбросы усугубляют дыру в озоновом слое над Антарктическим континентом, то предали эти сведения правительствам разных стран. В 1987 году представители стран подписали соглашение-протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, в котором они согласились прекратить производство химических веществ, которые разрушают озоновый слой, включая фреон. К сожалению, хлорфторуглероды до сих пор присутствуют в пенополистироле, который некоторые производители используют в качестве изолятора между внешним корпусом и внутренней облицовкой своих холодильников. Но усилия по сокращению выбросов хлорфторуглеродов из холодильников в настоящее время продолжаются на двух фронтах, так как производители пытаются найти альтернативы фреону, а также изоляционному полистиролу.

Холодильники в будущем

1. В последнее время предприняты несколько промежуточных шагов для минимизации выброса хлорфторуглеродов. Ученые ищут безопасные альтернативы хладагенту.
2. Улучшены конструкции холодильников с тем, чтобы уменьшить количество необходимого фреона.
3. Установлены системы обнаружения утечек.
4. Хладагент восстанавливается и перерабатывается по мере возможности. Изучаются долгосрочные замены фреона. До сих пор наиболее перспективным среди них является ГХФУ-22, который, хотя и по-прежнему является хлорфторуглеродом, но содержит дополнительный атом водорода, который уменьшает мощность разрушения озона молекулы на 95 процентов. Хотя его стоимость в 3-5 раз больше, чем у фреона. ГХФУ-22 в настоящее время проходит испытания для определения его токсичности.

Метки страницы: , , ,