Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Домашний холодильник

Замыкающий цепь домашний холодильник - устройство во многом специфическое. Первые его образцы появились после окончания первой мировой войны, а серийный выпуск начался в 1920 г. Однако массовое распространение домашние холодильники получили начиная с 30-х годов сначала в США, потом и в других странах.

Такой существенный сдвиг по времени по сравнению с промышленными холодильными установками объясняется тем, что требования к домашнему холодильнику намного жестче. Ведь в нем сочетаются и двигатель с холодильным агрегатом и изолированное помещение для охлаждения, замораживания и хранения продуктов. Он должен быть автоматизирован, не нуждаться в постоянном обслуживании, иметь надежную тепловую изоляцию, не создавать шума и вибрации и, наконец, соответствовать требованиям эстетики. Ко всему прочему он должен быть и "болваноустойчивым" - не выходить из строя при любых ошибках хозяйки (или хозяина), связанных с неумением обращаться с техникой. [Существует даже соответствующий международный термин на английском языке foolproof (fool - дурак, рrооf - устойчивый). ]

Первые домашние холодильники не могли полностью соответствовать этим требованиям. Только с появлением агрегатов, в которых компрессор вместе с двигателем заключен в герметичный кожух, задача была решена. Интересно, что идею герметичного агрегата предложил еще в 1905 г. человек, специальность которого очень далека от холодильной техники, - французский католический аббат Одифрен.

Был и другой очень соблазнительный вариант - сделать абсорбционные холодильники. Ведь в этом случае можно было бы обойтись вообще без компрессора и двигателя, а просто подогревать генератор электрическим током (или газовой горелкой). Однако эту прекрасную идею губила необходимость в насосе крепкого раствора - он хотя и проще и меньше компрессора, но все же машина с приводом.

Изобретатели давно мечтали создать безнасосную абсорбционную холодильную установку непрерывного действия. Еще в 1899 г. Г. Гепперт придумал очень остроумный принцип, позволяющий осуществить эту мечту. Он предложил включить в цикл кроме абсорбента и абсорбата третье вещество - нейтральный газ, который позволял бы иметь во всем цикле одинаковое общее давление, а расширение рабочего тела осуществлять изменением парциальных давлений компонентов смеси. Однако Гепперт не мог найти подходящим нейтральный газ. Предложенный им для этой цели воздух плохо диффундировал в аммиак (а это должно было происходить, как мы увидим, быстро). Только через четверть века, в 1925 г., Б. фон Платен и К. Мунтерс, предложившие для этой цели водород, создали такую холодильную установку на смеси NH₃, Н₂О и Н₂; она оказалась очень удобной и надежной. Появились и домашние холодильники с такой абсорбционно-диффузионной установкой и электронагревом генератора (типа "Север" и "Морозко"). Единственный (но существенный) недостаток таких холодильников - пока примерно вдвое больший расход электроэнергии по сравнению с компрессионными.

Рис. 6.7. Схема абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата: 1 - генератор; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4 - абсорбер; 5 -испаритель; NH₃; - Н₂О; - Н₂; - жидкость; - пар

Схема абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата представлена на рис. 6.7. Отметим, что в этом агрегате, в отличие от классической абсорбционной установки непрерывного действия (см. рис. 6.4), устанавливаются не два давления (высокое - в генераторе, дефлегматоре и конденсаторе и низкое - в абсорбере и испарителе), а одно и то же во всех аппаратах - около 1,6 МПа (16 ат). Меняются только парциальные давления отдельных компонентов - Н₂О, NН_З и Н₂. [Парциальным называется то давление, которое имел бы данный компонент смеси, занимающий тот же объем при тех же условиях, но в отсутствие остальных компонентов. По закону Дальтона общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов. Парциальные давления пропорциональны долям данного компонента. Если, например, в смеси 10°% водяного пара 70% водорода и 20% аммиака, а общее давление 1,6 МПа, то парциальное давление водяного пара будет 1,6·0,1 = 0,16 МПа, водорода 1,6·0,7 = 0,112 МПа и аммиака 1,6·0,2 = 0,32 МПа. ]

В генераторе посредством электрического или газового нагрева кипятится крепкий раствор аммиака. Пар, содержащий некоторое количество воды, поступает в дефлегматор, где вследствие охлаждения наружным воздухом пары аммиака освобождаются от воды и направляются в конденсатор, в котором переходят в жидкость. Тепло от конденсатора тоже отводится наружным воздухом. Далее жидкий аммиак сливается в теплообменник, где дополнительно охлаждается возвращающимся из испарителя холодным парообразным аммиаком. Таким образом, в этой части все процессы идут так же, как в обычной абсорбционной установке. Но дальше начинает работать идея Гепперта - происходит дросселирование аммиака, но без дросселя. Аммиак попадает в атмосферу находящегося в испарителе водорода, и его давление понижается до 0,4 МПа (4 ат) - остальные 1,2 МПа (12 ат) приходятся на водород. Поэтому аммиак исправно кипит, отводя тепло из холодильника. При этом он ведет себя в соответствии с законом Дальтона так, будто водорода вообще здесь нет. Дальше смесь парообразного аммиака и водорода отводится через регенеративный теплообменник к абсорберу, охлаждаемому наружным воздухом.

Одновременно в абсорбер поступает из генератора слабый раствор, поглощающий аммиак, и полученный крепкий раствор возвращается в генератор. Водород туда попасть не может - ему мешает гидравлический затвор в абсорбере, образованный раствором; поэтому водороду ничего другого не остается, как возвратиться в испаритель и снова разбавлять аммиак, снижая его парциальное давление.

Все аппараты абсорбционно-диффузионного агрегата находятся вне холодильной камеры; внутрь помещен только испаритель. Возникает вопрос: почему, хотя общее давление внутри системы одинаковое, ее содержимое исправно циркулирует по описанному маршруту? Это объясняется очень просто: жидкий раствор в абсорбере и трубопроводах тяжелее, чем парожидкостная смесь в генераторе, состоящая из жидкости и пузырьков пара. Поэтому она по мере испарения все время втекает в генератор. Этот принцип естественной циркуляции ("термосифон") широко используется в испарительных установках. Современные домашние холодильники, как компрессионные, так и абсорбционные, обычно имеют две (а некоторые модели и три) камеры, одна из которых холодильная, а другая (или другие) - морозильные. В зависимости от температуры в морозильнике холодильники маркируются звездочками (символическими снежинками):

	t, °С
*(одна звездочка)	-6
** (две звездочки)	-12
*** (три звездочки)	-18
**** (четыре звездочки)	-24

Здесь так же, как у коньяка, - чем больше звездочек, тем качество выше!

Морозильная камера позволяет в домашних условиях не только месяцами хранить готовые замороженные продукты, но и производить в случае необходимости замораживание самых разнообразных продуктов - от фруктов до теста.

Таким образом, домашний холодильник - универсальный агрегат, который постоянно совершенствуется на базе последних достижений холодильной техники. Это относится и к самому холодильному агрегату, и к тепловой изоляции, автоматике. Появляются холодильники с программируемым температурным режимом и даже такие, которые приятным женским (или по желанию потребителя мужским) голосом указывают хозяйке (хозяину) на его неверные или ошибочные действия при обращении с холодильником и дают советы, как поступить в том или ином случае. В перспективе можно ожидать и такое высказывание холодильника: "Что же ты, бабуся, кладешь в меня валокордин и кардиамин - ведь это лекарства с эфирными маслами. Они от холода теряют свои свойства. Лучше положи в меня кекс и пирог, оставшийся от праздника, - они будут свежими и к следующему". Так или иначе, в обозримой перспективе именно домашним холодильником, независимо от того, каким станет его искусственный интеллект, будет замыкаться "холодильная цепь".

В заключение нужно отметить, что уже современные возможности холодильного хранения и транспорта позволяют в любое время года, в любом месте земного шара иметь круглый год в нужном количестве свежим любой вид продовольственных товаров - мясо, рыбу, молочные продукты, овощи и фрукты.

Из сказанного можно сделать вывод, что холодильная техника позволяет свести к нулю (или к минимуму) потери пищевых продуктов на пути от производителя к потребителю. Увы, это далеко не так. Возможность и действительность здесь (как и во многих других случаях) далеко не совпадают. В мире теряется в связи с этим, по данным Международного института колода, около миллиарда тонн продовольствия в год. Это составляет в среднем 20% общего количества вырабатываемых сельскохозяйственных продуктов. К сожалению, наша страна занимает по части таких потерь далеко не последнее место.

Вопрос о том, в какой степени в каждом случае дело связано с недостаточным количеством холодильной техники, относительно малой вместимостью холодильников в цепи или организационными, экономическими и другими факторами, выходит за пределы нашей книги. Очевидно лишь одно: стоимость потерь продуктов для общества намного превышает те затраты, которые необходимы для создания и эксплуатации "холодильной цепи". Более того, по мере совершенствования холодильной техники и технологии эти затраты (в частности, на энергию и материалы) могут быть существенно снижены.

Следующая страница: 6.3. Применение холода в пищевых технологиях