Достоверно никто не знает, кто первым пришел к мысли о том, что многие продукты питания хранятся значительно дольше в охлажденном состоянии. Хотя, наверное, подспудно это чувствовали еще в древности, естественно полагая, что жизнь и тепло – понятия если не эквивалентные, то очень близкие. Тот небольшой опыт хранения продуктов, который существовал, подсказывал, что оставленная в тени еда сохранялась дольше, чем на солнце, а зимой продукты оставались пригодными для питания существенно дольше, чем летом.
Причина такого чудотворного влияния низкой температуры на продукты заключается в том, что со снижением температуры замедляется скорость жизнедеятельности и размножения бактерий и других микроорганизмов, присутствующих в продуктах. А если понизить температуру достаточно сильно, то «жизнь» бактерий вообще можно остановить.
Как же наши предки боролись за сохранность продуктов? Долгое время единственно доступным способом охлаждения продуктов было использование естественных источников холода – люди собирали в морозную погоду лед с рек и озер и затаривали им погреба и ямы-ледники, а летом там сохраняли продукты. Этим нехитрым приемом мудрые китайцы пользовались еще за тысячу лет до нашей эры. Так же поступали и многие другие древние цивилизации, например, греки и римляне.
Египтяне, в силу жаркого климата лишенные возможности запасать лед, использовали специальные сосуды с водой, охлаждавшиеся по ночам. Воздух в пустыне остывает быстро, и его температура ночью может падать почти до 0°С.
В жарком климате Индии нашел применение другой способ, основанный на эффекте понижения температуры жидкости при испарении. Если заставить испаряться жидкость достаточно интенсивно, то можно понизить температуру объекта ниже окружающего воздуха. Зная это, индийцы выставляли на ветер сосуд, обернутый влажной тканью. Конечно, эффективность столь примитивного способа невелика, значительного охлаждения с его помощью достичь невозможно. Средневековое мороженое
Более технологичная и материалистически настроенная Европа искала иные способы понижения температуры. Как только мрачное Средневековье слегка приоткрыло возможность естественно-научных исследований, люди обнаружили, что некоторые соли, например, селитра, растворяясь в воде, поглощают большое количество тепла, вызывая значительное снижение температуры окружающей среды. Пользуясь терминами современной химии, можно сказать, что происходит эндотермическая реакция – реакция с поглощением тепла.
Эту возможность понижения температуры можно назвать первым способом искусственного охлаждения. Если смешать селитру не с водой комнатной температуры, а со льдом, то можно получить состав, способный охладить продукты или напитки до температуры значительно ниже нуля. Это открытие широко использовалось еще в XVI веке для охлаждения вина, получения, ставших тогда популярными, охлажденных напитков и соков и даже мороженого. К сожалению, из-за сравнительно высокой стоимости этот способ не получил широкого распространения среди населения и не нашел коммерческого применения. Однако, несмотря на свою дороговизну, это открытие используется и сейчас в современных, так называемых охлаждающих или гипотермических, пакетах («cold packs»), широко используемых врачами, учеными, туристами и спасателями при необходимости достичь быстрого охлаждения в полевых условиях.
Эти пакеты представляют собой мягкие герметичные емкости с водой, внутри которых «плавает» капсула с аммиачной селитрой. При необходимости охлаждения ударяют по пакету, разбивая капсулу. Селитра растворяется в воде, и пакет охлаждается на 10–15°С.Несколькими веками позднее в 1748 г. Уильям Каллен, профессор медицины университета Глазго, известный хирург и терапевт попытался использовать для охлаждения упоминавшееся выше явление охлаждения жидкости при интенсивном испарении.
В отличие от индийцев он использовал не ветер и смоченную ткань, а диэтиловый эфир, кипящий в вакууме. Использование вакуума позволило понизить температуру кипения эфира ниже комнатной (к тому времени физики уже знали, что с понижением давления температура кипения жидкости понижается, поэтому при достаточном разрежении некоторые вещества могут кипеть даже при отрицательных температурах). В хитроумной установке Уильяма, испаряясь, эфир в виде газа переходил в другую емкость, где, конденсируясь при комнатной температуре, отдавал в атмосферу отобранное в холодильной камере тепло. Таким образом, был сконструирован аппарат, показавший на практике возможность постоянной генерации холода в циклическом процессе.На основе данной технологии работает большинство современных бытовых холодильников. 1748 год можно считать годом рождения технологии искусственного охлаждения. К сожалению, практического применения в то время открытие искусственного охлаждения не нашло, оставшись только экспериментом.
XIX век – время «ледяных королей»
К началу XIX в. все большую силу стал набирать Новый Свет, все настойчивее претендующий на ведущие роли. Однако в отличие от академической Европы, где проблема охлаждения решалась в Университетах, за океаном основной движущей силой и побудительным мотивом для любого действия была прибавочная стоимость. Поэтому как только появился намек на потребность в охлаждении, эта потребность моментально была удовлетворена. Естественно, единственно известным и очевидным тогда способом.Зимой 1799 г. в США впервые на коммерческой основе начался сбор льда с поверхности озер и рек.
Со временем этот бизнес развился до таких масштабов, что были налажены поставки льда с севера даже в тропические регионы. В 1890 г. экспорт льда из США составил 25 млн. т. Наиболее удачливые коммерсанты, например, Фредерик Тюдор или Натаниэль Уайен, известные тогда как «ледяные короли», стали миллионерами. Ф. Тюдор стал знаменит тем, что в 1805 г. отправил 130 т льда из Америки в тропическую Мартинику. Но из-за отсутствия склада, подходящего для хранения такого непривычного для тропиков груза, почти весь лед растаял. Тюдор понес убытки в размере 3500$, огромную сумму в ценах того времени. Однако уже через год были подготовлены склады с необходимой теплоизоляцией. Впрочем, чтобы сделать торговлю льдом прибыльной, ему пришлось потратить целых 15 лет, преодолевая немалые трудности – в 1812–1813 гг. он даже провел некоторое время в долговой тюрьме.Во времена «ледяных королей» в Америке не было практически ни одного водоема, с которого зимой не снимали бы «урожай» льда. Конечно, в Австралии или на Карибских островах, куда лед доставлялся за тысячи километров, покупали его лишь богатые люди, но в США к середине XIX в. многие семьи каждое утро получали свежий лед для своих «холодильников».
Само название «холодильник» (англ. «refrigerator ») было впервые предложено в 1800 г. Томасом Муром, инженером и личным другом президента Джефферсона, а также одним из соучредителей Национального Сельскохозяйственного общества.Корпус его «холодильника» был из кедра, внутри находился контейнер из металлических листов, изолированных от корпуса кроличьим мехом. В XIX в. такие устройства, быстро распространившиеся с развитием «ледяной» индустрии, чаще называли «айс-боксами» (ледяными ящиками). Как правило, они представляли собой деревянные ящики, обшитые внутри свинцом или оловом и имевшие два изолированных с помощью пробкового дерева, опилок или сушеных водорослей отсека: один – для охлаждаемых продуктов, другой – для льда, заменяемого по мере необходимости. Устройство было снабжено сборником талой воды, который необходимо было каждый день опорожнять. А служащих, занимавшихся доставкой льда, называли «айс-менами» (ледяными людьми).В сороковых годах XIX в. появились и повозки-рефрижераторы, работавшие по тому же принципу и предназначенные для перевозки скоропортящихся продуктов, таких как молоко, масло или морепродукты. А в 1867 г. был запатентован железнодорожный вагон-рефрижератор с отсеками для льда в начале и в конце вагона и системой циркуляции охлаждающего воздуха. Первый такой вагон использовался для перевозки клубники на Иллинойской железной дороге.
«Искусственный» холод – первые шаги
Несмотря на бурный расцвет процесса сбора натурального льда, попытки создать устройство для получения холода продолжались. Уже в 1805 г. американец Оливер Эванс, инженер, известный своими разработками в области совершенствования паровых двигателей, создавший первую самоходную машину-амфибию на паровом ходу, предназначенную для чистки доков в Филадельфии, спроектировал охлаждающую установку, принцип действия которой был основан на эффекте, продемонстрированном Калленом. Хладагентом в установке должен был быть диэтиловый эфир. Чтобы создать простую и эффективно работающую холодильную машину, он предлагал использовать замкнутый, позволяющий легко управлять процессом, компрессионный цикл: компрессор сжимает под давлением пары хладагента, повышая этим его температуру кипения и позволяя сконденсироваться в охлаждаемом воздухом конденсаторе, из конденсатора через регулировочный вентиль хладагент попадает в вакуум-испаритель, где он закипает и испаряется, отбирая затрачиваемое на это тепло в окружающей среде и вновь втягивается компрессором в конденсатор. Таким образом, разницу давлений в испарителе и конденсаторе, и, соответственно, температуру охлаждения, достигаемую в испарителе (а она зависит от глубины вакуума), можно регулировать всего лишь открывая или закрывая регулировочный вентиль.
Свою установку Эванс так и не построил.Первым человеком, воплотившим эти теоретические изыскания в жизнь, стал Джэйкоб Перкинс, в 1834 г. создавший компрессионную установку, работавшую на эфире. Он получил первый в США патент на технологию искусственного охлаждения. Впрочем, этот патент не был единственным для него. Перкинс был известным инженером-изобретателем. На его счету, например, разработка нового метода изготовления и копирования печатных форм, позволившая значительно повысить защиту денежных знаков от подделки и начать печатание почтовых марок массовыми тиражами. Он также усовершенствовал паровую машину, создал станок для изготовления гвоздей одной операцией и многое другое.Через 10 лет в 1844 г. американский врач Джон Гори создал основанную на компрессионном цикле установку, позволяющую производить лед для госпиталя и кондиционировать палаты.
Таким образом, он стал пионером в технологии кондиционирования воздуха. В его планы входило начать серийное производство своих установок. Более того, в 1851 г. он получил первый в США патент на модель холодильного агрегата, однако в 1855 г. он скончался, так и не дождавшись начала производства своего детища. Надо отметить, что дешевизна и доступность натурального льда в США в то время никак не способствовала коммерческому внедрению новых достижений в данной области. Другое дело Австралия. Здесь привозной американский лед был воистину на вес золота, и, возможно, именно это побудило британского журналиста Джеймса Харрисона, приехавшего в Австралию в 1837 г., начать создание своей компрессионной машины. Он не смог на месте завершить ее создание, но вернувшись в Англию, нашел помощников для окончания работ и в 1855 г. вновь приехал в Австралию с работающим холодильником. Здесь его машина оказалась более чем востребованной, и вскоре он заключил контракт на постройку холодильного устройства для пивоварни.
Это было первое коммерчески успешное использование искусственного охлаждения.
Техника против «ледовых» урожаев
Тем временем, несмотря на очевидные успехи разработчиков компрессионных установок, параллельно шли разработки и альтернативных методов получения холода. Примерно в то же время в 1810 г. в Великобритании профессор Эдинбургского университета Джон Лесли предложил использовать для охлаждения технологию, основанную на процессе абсорбции (поглощения) сернистого газа водой. Достоинством данного процесса является то, что его можно осуществить без использования движущихся частей, а в качестве источника энергии использовать обогрев с помощью обычной, тогда угольной, топки. Последнее было немаловажным фактором в XIX в., когда уровень развития техники затруднял создание достаточно мощных и компактных компрессоров, необходимых для работы холодильной установки компрессионного типа.Однако первое работающее холодильное устройство абсорбционного типа было создано только сорок лет спустя в 1850 г. французом Эдмондом Карре.
Его брат Фердинанд Карре усовершенствовал эту установку и в 1859 г. представил охлаждающее устройство, работавшее на основе абсорбции с использованием водно-аммиачной смеси. А в 1862 г. на выставке в Лондоне он представил свою машину, производившую до 200 кг льда в час. Эти первые образцы холодильных машин были очень громоздки и дорогостоящи, а используемые в них хладагенты (эфир, аммиак, сернистый газ) и образующаяся при растворении в воде серная кислота – ядовиты, едки либо огнеопасны. Все это тормозило практическое применение холодильных установок.В конце XIX в., как это часто бывает, свою историческую роль в движении инженерной и научной мысли сыграла гражданская война.
Одним из результатов начавшихся военных действий стали перебои, а затем и полное прекращение поставок льда с Севера в штаты Конфедерации на Юг страны. В это же самое время на Севере массовое распространение получило пивоварение, ставшее первой отраслью, в которой начала массово применяться система охлаждения продуктов. Пионером стала абсорбционная машина, запущенная бруклинской пивоварней S.Liebermann’s Sons Brewing Company в 1870 г. Далее область применения холодильных установок начала стремительно расширяться. Упоминавшийся ранее Фердинанд Карре, продвигая свое детище, в 1877 г. спроектировал холодильную установку для судна «Парагвай», первого корабля-рефрижератора, предназначенного для транспортировки замороженного мяса из Аргентины во Францию.Кроме очевидных успехов технологии получения искусственного льда сильнейшим стимулом к распространению холодильной техники стали теплые зимы 1889-1890 гг., ударившие по «льдоуборочной» индустрии, и загрязнение рек и озер промышленными и бытовыми стоками, ставшее результатом интенсивного индустриального развития конца XIX в. Заводы по производству искусственного льда вскоре начали конкурировать с предприятиями по сбору натурального льда, а затем и вовсе вытеснили их. Однако в быту обычных жителей никаких изменений не произошло – просто теперь вместо натурального льда для своих «айс-боксов» они покупали искусственный.
XX век – холодильник приходит в дом
К началу XX в. ни у кого не вызывало сомнений, что создание холодильного устройства для дома сулит большие дивиденды.Первую попытку создать бытовое холодильное устройство сделал немецкий инженер и ученый Карл фон Линде. В 1873 г. он создал компрессионный холодильник с использованием в качестве хладагента метилового эфира, но вследствие его высокой огнеопасности в 1876 г. перешел на использование аммиака. Однако и эта модель еще была достаточно громоздка и не годилась для домашнего использования. Она нашла применение главным образом в промышленности. Через некоторое время в 1895 г., используя свои разработки в области искусственного охлаждения, Карл фон Линде спроектировал крупную фабрику по производству сжиженного воздуха, а шестью годами позже первым разработал технологию выделения чистого жидкого кислорода из воздуха – разработка, позволившая усовершенствовать многие промышленные технологии, в первую очередь в металлургии.Холодильник, предназначенный для домашнего использования, впервые появился лишь в начале XX в. в 1910 г. в Форт Уэйн, США.
Фактически это был еще не полноценный холодильник, а механическая приставка к «айс-боксу», монтировавшаяся на его верхней части, разработанная компанией General Electric на основе предложенной и запатентованной еще в 1894 г. французским монахом Марселем Одифреном конструкции. Холодильники производились по контракту с компанией Одифрена American Audiffren Co. и стоили первоначально более 1000 $, в два раза дороже автомобиля. А в 1915 г. там же, в Форт Уэйн, Альфред Меллоуз разработал модель, уже представлявшую собой автономную конструкцию с компрессором, находившимся в нижней ее части. В 1916 г. была организована компания по производству холодильников – Guardian Refrigerator Company, выпустившая свой первый холодильник 17 августа 1916 г. Однако из-за сложного финансового положения и ориентации на качественную, но дорогую продукцию за два года компания выпустила лишь 40 холодильников. В 1918 г. президент General Motors В.Дюран приобрел компанию Guardian и дал ей имя Frigidaire, что благодаря мощностям и технологиям General Motors стало поворотной точкой и началом широкого производства и распространения ее холодильных агрегатов.
Холодильник приобретает современный вид.
В течение нескольких лет множество фирм, таких как Kelvinator, Servel, Gibson, та же General Electric разработало и предложило на рынок свои модели бытовых холодильников. Компрессор в них, как правило, приводился в действие ременным приводом от двигателя, находившегося в подвале дома или в соседней комнате. И лишь в 1927 г. конструкторы General Electric во главе с датским инженером Кристианом Стинстрапом создали модель, все составные части которой были помещены в небольшом шкафу, а также снабдили его терморегулятором – конструкция, с небольшими вариациями используемая и сейчас. Одной из важных разработок, позволившей в 30-е годы прошлого века начать действительно массовое производство бытовых холодильников, стало создание хладагентов хлорфторуглеродов, заменивших наиболее распространенный тогда токсичный и едкий диоксид серы. За эту задачу взялся в 1926 г. Томас Мидгли, известный также как первооткрыватель способа повышения октанового числа бензина с помощью его этилирования. Вместе со своими коллегами Хеном и МакНели он синтезировал дихлордифторметан, названный фреоном-12 – неогнеопасное, нетоксичное, практически инертное вещество с температурой кипения, идеально подходящей для компрессионных холодильных машин, а затем и другие хлорфторуглероды.
На презентации своего творения Мидгли продемонстрировал его безопасность весьма впечатляющим способом: вдохнул пары фреона и выдохом потушил горящую свечу. Фреоны считались абсолютно безопасными до середины семидесятых, когда было обнаружено их негативное воздействие на озоновый слой.Но и за прошедшие с тех пор почти тридцать лет озоноразрушающие вещества и технологии заменены безопасными не полностью, этот процесс продолжается. В основном это касается сложных промышленных производств и установок, поскольку в подавляющем большинстве бытовых холодильников, выпускаемых в настоящее время, уже используются другие хладагенты. Но в тридцатые годы после того, как было объявлено о создании фреонов (а это произошло лишь в 1930 г.), они быстро стали наиболее популярным хладагентом, вскоре практически вытеснившим в бытовых моделях все остальные. Это позволило фирмам-изготовителям упростить и удешевить производство бытовых холодильников и в итоге снизить цены на свои изделия. В результате в 30-е годы в домах американцев их насчитывалось уже несколько миллионов. В 1930 г. компанией Electrolux был выпущен первый встроенный холодильник. А в 1939 г. опять таки General Electric запустил в массовое производство двухтемпературную модель – с холодильным и морозильным отделениями, хотя модель двухкамерного холодильника была разработана Frigidaire еще в 1930 г. В 1947 г. General Electric первым выпустил двухкамерный холодильник с морозильной камерой в двухдверной комбинации – до этого морозильная камера занимала часть пространства холодильной. Еще одним значительным шагом для потребителей стала разработка в 50-е годы технологии No Frost, позволяющей обходиться без регулярного размораживания холодильной камеры, что упрощает пользование холодильником и снижает расход электроэнергии. Примерно в то же время встроенные в дверь холодильного шкафа магниты стали заменять замки-защелки, делая конструкцию более дешевой и надежной.В СССР первый бытовой холодильник изготовили лишь в 1939 г. на Харьковском тракторном заводе. Эта модель – ХТЗ-120 – работала на сернистом ангидриде, причем холодильный агрегат располагался в верхней части конструкции. Но в военные годы было не до бытовой техники.
Вскоре после окончания войны Московский завод им.С. Орджоникидзе начал выпускать эту же модель под названием ЭКД-120, однако за прошедшие годы изделие морально устарело и массовым его производство не стало. В 1945 г. небольшие газовые абсорбционные холодильники начал выпускать Московский завод домашних холодильников (бывший завод «Газоаппарат»). Разработкой новой, современной модели под руководством Г. Д. Свидерского занялись и конструкторы московского завода имени Лихачева. В результате новый фреоновый компрессионный холодильник ЗИЛ был запущен в серийное производство в марте 1951 г. В том же году в Саратове началось производство малогабаритных компрессионных холодильников «Саратов». Но действительно массовым производство домашних холодильников стало, пожалуй, только в 60-е годы, и лишь тогда это техническое достижение стало доступным средней советской семье. И хотя модели советских холодильников вначале отличались непритязательным дизайном и небогатой функциональностью, зато были исключительно надежны и просты в обслуживании.
