История холодильников
Бастионы холода
Еще за 400 лет до нашей эры персидские инженеры умели сохранять летом в раскаленной зноем пустыне лед, привезенный зимой с близлежащих гор. Стены подземного хранилища под названием «якшаль» (рис. 1) имели толщину до двух метров и были сложены из блоков, в состав которых входили смешанные в определенной пропорции песок, глина, известь, зола и козлиная шерсть. Состав был абсолютно водонепроницаем и отличался великолепными теплоизолирующими свойствами. Пожалуй, столь капитальными в те времена были только фортификационные сооружения.
Рис. 1. Якшаль — хранилище льда в г. Керман (Иран)
Внушительными были и хранилища льда «сеогбингго», которые строились в средневековой Корее (рис. 2). Такие бастионы холода, сооруженные из более чем тысячи каменных блоков, до сих пор можно увидеть в археологических парках этой страны.
Рис. 2. Сеогбингго — средневековое корейское хранилище льда
Внушительные обороты набрала ледяная индустрия в XIX веке в США, где зимой для сбора льда использовались практически все замерзающие водоемы (рис. 3). Лед поставлялся даже в тропические регионы страны (естественно, в основном в дома богатых людей). «Холодильник», которым пользовались зажиточные американцы, представлял собой корпус из кедра, внутри которого помещался контейнер из металлических листов, изолированных от корпуса кроличьим мехом. Ящик имел два отделения: одно для охлаждаемых продуктов, второе — для льда. Разумеется, был предусмотрен и отвод талой воды.
Рис. 3. Рабочие ледяной отрасли (США, XIX в)
В XIX в. эти, как их называли, ледяные ящики («айс-боксы») пользовались большим спросом. Кстати, изобретатель этого устройства Томас Мур и ввел в оборот термин «холодильник» (англ. refrigerator).
Склады, на которых хранился лед, строились с размахом, под стать эпохе (рис. 4). Есть уникальное фото подобного склада после сильнейшего пожара, полностью уничтожившего его деревянные конструкции (рис. 5). В этой битве огня и льда, состоявшейся в 1912 г., победу одержал лед: на снимке видны штабеля закопченных ледяных блоков, возвышающиеся над обгоревшим остовом здания. Уже в следующем году был отстроен новый склад, способный вместить 100 000 тонн льда, с каркасом из стали и обшивкой из негорючих материалов.
Для развоза льда потребителям в середине XIX века появились повозки-рефрижераторы, в 1867 г. был запатентован первый железнодорожный вагон-холодильник, а как только на свет появился автомобиль, его незамедлительно пристроили к доставке льда (рис. 6).
Рис. 4. Склад льда (г. Ватсонвилль, США, XIX в.)
Рис. 5. Хранилище льда после пожара (США, 1912 г.)
Рис. 6. Автомобиль для доставки льда (США, 1910-е гг.)
Холод из машины
«Ледяная» индустрия процветала, но при этом не прекращались попытки создать устройство для получения искусственного холода.
Там, где до заснеженных гор было далеко, люди давно нашли иные способы устроить себе зиму круглый год. Для этого нужно было лишь подметить, что любая поверхность при испарении с нее жидкости охлаждается. Древние индусы добивались сбережения продуктов, выставляя на ветер обернутую влажной тканью емкость.
Веское слово в этом вопросе сказала средневековая Европа. Неугомонные алхимики обнаружили, что некоторые соли, в том числе селитры (натриевая, калиевая, аммиачная) при растворении в воде существенно уменьшают температуру окружающей их среды. При смешивании же селитры со льдом удавалось достичь температур ниже нуля. Это достижение стало, пожалуй, первым способом искусственного охлаждения. Любопытно, что он применяется до сих пор. У врачей и туристов популярны так называемые cold packs — герметические емкости с водой, внутри которых помещена ампула с аммиачной селитрой. Раздавив ее, можно охладить пакет на 10—15°С.
Но это был эффект кратковременного охлаждения. Создание аппарата, генерирующего холод постоянно — вот проблема, которая овладела умами ученых.
Решить проблему охлаждения продуктов на новом уровне удалось в 1748 г. профессору медицины из города Глазго Уильяму Каллену. В сконструированной им установке кипящий в вакууме диэтиловый эфир (физикам уже было известно о понижении температуры кипения жидкости при уменьшении давления) переходил в другую камеру, где конденсировался, отдавая холодильной камере тепло. Это был первый аппарат (правда, так и оставшийся только экспериментальным), который генерировал холод в замкнутом циклическом процессе. Именно по этому принципу работает большинство современных холодильников.
К началу ХIХ в. на ведущие позиции в поисках искусственного холода вышел Новый Свет. Если в Европе исследования по получению холода проводились в университетах, то за океаном движущей силой открытий была коммерция.
Так, еще в 1805 г. американец Оливер Эванс спроектировал устройство для получения холода, подобное установке Уильяма Каллена. Однако свою машину Эванс не построил. Его идею в 1834 г. успешно осуществил Джейкоб Паркинс, создавший компрессионную машину замкнутого цикла, работающую на диэтиловом эфире, и получивший первый в США патент на технологию искусственного охлаждения.
Спустя 10 лет, основываясь на том же компрессионном цикле, Джон Гори создал агрегат, позволяющий производить лед для госпиталя и кондиционировать воздух в палатах. Успехи разработчиков компрессионных установок были очевидны, но параллельным курсом велись разработки альтернативных методов получения холода.
В 1810 г. Джон Лесли, профессор Эдинбургского университета, предложил абсорбционный способ охлаждения поверхности при пропускании сернистого газа через воду. Однако первого работающего холодильного устройства абсорбционного типа пришлось ждать более 50 лет. Лишь в 1862 г. Фердинанд Керри представил на выставке в Лондоне установку, производящую около 200 кг льда за час. Эффект был ошеломляющим.
Окончательным «приговором» для сборщиков натурального льда стали теплые зимы 1889—1890 гг., склонившие чашу весов в сторону новых технологий. Растущие как грибы после дождя заводы по производству искусственного льда явно опережали предприятия по сбору льда натурального, а вскоре и полностью вытеснили их. Правда, для населения это не имело принципиального значения, разве что теперь люди заполняли свои «айс-боксы» не натуральным, а искусственным льдом. Однако стало очевидно, что создание холодильных устройств для дома может быть очень прибыльным, и уже в 1910 г. в США появился первый домашний холодильник. Хотя, если выражаться точнее, это был еще не холодильник, а лишь механическая приставка к уже известному нам «айс-боксу». Конструкция была очень громоздкой, да и стоила машина больше 1000 долларов (цена по тем временам фантастическая — дороже двух автомобилей).
Конструкторы наперебой предлагали различные модели бытовых холодильников, но все они были очень неуклюжи: компрессор, как правило, приводился в действие ременным приводом от двигателя, который находился в подвале дома или соседней комнате. Наконец, в 1927 г. инженеры компании General Electric создали модель, все узлы которой размещались в одном небольшом шкафу, и снабдили ее терморегулятором. Эта конструкция легла в основу тех холодильников, которыми мы пользуемся сегодня.
Технологическим прорывом 1930-х гг. стала замена токсичного диоксида серы на практически инертные фтор- и хлоруглеродные хладагенты, названные фреонами. Холодильники на фреонах стоили гораздо дешевле и быстро вытеснили с рынка своих конкурентов.
Вскоре та же General Electric запустила в производство холодильник с морозильным и холодильным отделениями, а следом и двухкамерный холодильник с отдельной дверцей для морозильной камеры. Разработанная в 1950-е гг. технология No-Frost, устраняющая необходимость регулярного размораживания, упростила пользование холодильником и значительно снизила расход электроэнергии. На смену замкам-защелкам пришли более дешевые и надежные замки-магниты.
В нашей стране первый домашний холодильник ХТЗ-120 с морозильным отделением вверху был выпущен Харьковским тракторным заводом в 1939 г. Хладагентом служил сернистый ангидрид. После окончания войны, в 1945 г., Московский завод домашних холодильников приступил к выпуску малогабаритных абсорбционных холодильников, и лишь в 1951 г. были запущены в производство знаменитые ЗИЛ и «Саратов» с фреоновым хладагентом. Непритязательные внешне, эти модели отличались исключительной надежностью и простотой в обслуживании. В некоторых семьях холодильники ЗИЛ и «Саратов» служат до сих пор.
Горячее сердце холодильника
Что же происходит внутри холодильника? Как в нем образуется мороз?
Сердце холодильника — компрессор (рис. 7), который заставляет циркулировать по замкнутому контуру хладагент. Это вещество на своем пути меняет агрегатное состояние то с жидкого на газообразное (при этом отнимая тепло у окружающего пространства), то снова становится жидким, отдавая тепло. Оба фазовых превращения происходят в специальных теплообменниках: тот, где идет испарение (и связанное с ним охлаждение) называется испарителем, а тот, где хладагент конденсируется в жидкую фазу и выделяет тепло, — естественно, конденсатором.
Рис. 7. Компрессор бытового холодильника (герметичный корпус разрезан)
В современных моделях холодильников испаритель (рис. 8) обычно не виден: этот оребренный теплообменник прячется за облицовкой морозильной или холодильной камеры. То, что испаритель спрятался за пластиковую облицовку морозильной камеры, позволяет реализовать популярный сегодня принцип No Frost — «без инея». Имеющийся в камере вентилятор гонит холодный воздух со всей содержащейся в нем влагой туда, за стенку, где она и намерзает на ребрах испарителя. Именно там, а не на продуктах или стенках камеры. Это значит, что в камере не образуется «шубы» из инея, которую вам нужно периодически оттаивать. Все, что намерзло на испарителе, регулярно плавится специальным электрическим нагревателем, а в морозильной камере всегда чистота и порядок.
Рис. 8. Теплообменник-испаритель
Другой теплообменник контура циркуляции хладагента — расположенный на задней стенке шкафа конденсатор (рис. 9) — сейчас тоже не часто увидишь: его стали закрывать листом пластика. Да оно и к лучшему. Конденсатор с его развитой поверхностью является местом скопления пыли, а, положа руку на сердце — часто ли вы отодвигаете от стены холодильник и очищаете конденсатор пылесосом?
Рис. 9. Теплообменник-конденсатор
А надо бы…
Первые модели холодильников представляли собой цельный агрегат с испарителем в верхней части шкафа — там, в зоне максимального холода, находилось морозильное отделение. Но скоро стало очевидным, что совмещение функций замораживания и охлаждения представляет значительные неудобства с чисто практической точки зрения из-за необходимости частого размораживания. Поэтому на свет появились двухкамерные холодильники с отдельными испарителями для каждой из камер.
Камеры холодильника могут располагаться одна над другой. Если морозильная камера сверху — то это так называемая конфигурация Top mount (рис. 10), а если снизу — то это популярная сегодня конфигурация Combi (рис. 11). В больших «американских» холодильниках класса Side-by-side камеры находятся не одна над другой, а рядом (рис. 12).
Рис. 10. Холодильник Snaige FR 275 с классическим расположением морозильной камеры над холодильной
Рис. 11. Холодильник Indesit BH 18 с морозильной камерой внизу (компоновка Combi)
Рис. 12. Холодильник Side-by-side (Teka)
Многообразие представленных на рынке моделей не ограничивается перечисленными вариантами компоновки. Например, в линейке холодильников Nord есть трехкамерная модель Nord Comfort 184c (рис. 13), а компания Samsung недавно представила четырехдверный холодильник RM 25 KGRS с системой охлаждения Quatro Cooling, каждая из четырех камер которого охлаждается и контролируется независимо (рис. 14).
Рис. 13. Трехкамерный холодильник Nord Comfort 184c
Рис. 14. Четырехкамерный холодильник RM 25 KGRS с системой охлаждения Quatro Cooling (Samsung): 1 — в режиме максимального объема морозильной камеры, 2 — в режиме максимального объема холодильной камеры
Современные холодильники, особенно агрегаты с большим объемом шкафа, могут иметь два компрессора — один для холодильной камеры, другой для морозильной. Впрочем, есть и другое конструктивное решение — холодильник снабжается электромагнитным клапаном, который перенаправляет поток хладагента то в одну камеру, то в другую. Компрессор в таком холодильнике только один, поэтому ему приходится заниматься совместительством, работая и на охлаждение, и на замораживание продуктов.
Кроме перечисленных элементов, конструкция холодильника включает в себя ряд других очень важных узлов — например, капиллярную трубку, на преодоление которой хладагент теряет запас давления, приданного ему компрессором, и благодаря этому легко испаряется (вспомним машину Каллена с эфиром под вакуумом), а также термостат — устройство, поддерживающее необходимую температуру в камерах холодильника. Впрочем, для общего знакомства с принципом работы холодильника этого вполне достаточно. Гораздо интереснее посмотреть, что предлагают нам сегодня производители…
