Истории получения холода

Истории получения холода.

Естественным и  искусственным холодом человечество пользуется с древнейших времен для  увеличения срока сохранения пищевых  продуктов. Источниками его являлись снег, лед, холодная вода. Искусственными холодильными устройствами служили  примитивные хранилища в виде ям, погребов, пещер, ледников

Над созданием холодильных  машин работали многие ученые. Английский физикохимик Бойль и немецкий физик Герике еще в конце XVII в. установили, что вода в разреженном пространстве испаряется при низких температурах. В 1777 г. Нерн открыл, что в условиях вакуума вода замерзает, если удалять образующиеся водяные пары (поглощение серной кислотой). Эти наблюдения помогли англичанину Лесли построить в 1810 г. первую ледоделку.

Практическое применение холодильные машины нашли только тогда, когда вместо воды были найдены  другие более эффективные рабочие  вещества. В 1834 г. английский врач Перкинс построил холодильную машину, работавшую на этиловом эфире. Эту машину можно считать прообразом современных холодильных машин, так как в нее были включены все наиболее характерные для этих машин части: сосуд, где происходило кипение жидкого эфира путем отнятия тепла от окружающей среды, в результате чего вода замерзала, 
превращаясь в лед, насос, сжимающий пары эфира и нагнетающий их в змеевик, охлаждаемый водой, отчего пары снова обращались в жидкое состояние.

Весь процесс  в первых холодильных машинах  протекал при давлении ниже атмосферного, так как Перкинс и его последователи не решались поднимать давление в системе выше. Эти машины, основанные на сжатии парообразных тел, их конденсации и последующем кипении в жидком состоянии, получили название компрессионных.

Впоследствии конструкторы создали новые компрессионные машины, работающие на других рабочих веществах, при давлении выше атмосферного. Так, в 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфире, в 1872 г. Бойлю был выдан первый патент на аммиачную холодильную машину, 1874 г. швейцарский физик Пикте создал машину, работавшую на серном ангидриде, а немецкий физик-инженер Линде сконструировал аммиачную машину. В 1881 г. Линде, одновременно с Виндхаузеном, построил углекислотную машину, в которой давление доходило до нескольких десятков атмосфер

В 1845 г. американец Горри изобрел воздушную холодильную машину, работа которой была основана на том, что при расширении предварительно сжатого воздуха температура его понижается. Несколько позже появились абсорбционные холодильные машины (Карре, 1862 г.). Работа абсорбционной машины основана на поглощении парообразного вещества, например аммиачных паров, слабым водоаммиачным раствором и последующем выпаривании аммиака из раствора различными теплоносителями (горячие газы, пар и др.).

Крупный вклад в  дело получения искусственного холода внесли русские ученые. Так, академик Браун в 1759 г. в Санкт-Петербурге впервые провел опыты по замораживанию  ртути с помощью холодильных  смесей; академик Ловец в конце XVIII столетия предложил различные холодильные  смеси, позволившие получить температуру -50"С. 
Ведущая роль в развитии ледяного и льдосоляного охлаждения принадлежит российским ученым. Академик Крафт в 1733 г. определил физические и механические свойства льда. В 1860 г. на рыбных промыслах в Приазовье (в Мариуполе и Таганроге) было осуществлено замораживание рыбы с помощью смеси льда с солью.

В 1862 г. в России впервые были построены вагоны-ледники. Холодильная (воздушная) машина появилась  в России в 1888 г. на водном транспорте. В следующем году некоторые пивоваренные заводы и шоколадные фабрики были оборудованы стационарными холодильными установками. В 1895 г. в Белгороде  был построен первый заготовительный  яичноптичный холодильник. 
Перед Первой мировой войной в эксплуатации было мало холодильников, но во время войны построили еще несколько холодильников для хранения резерва продуктов В 1917 г. в стране насчитывалось всего 58 холодильников общей емкостью 57 000 т, оборудованных в основном импортными низкооборотными горизонтальными компрессорами и малоинтенсивной аппаратурой Многие из этих холодильников находились в неудовлетворительном состоянии. 
Внедрение искусственного холода в широких масштабах началось в нашей стране в тридцатых годах. Емкость холодильников особенно быстро росла в послевоенные годы.

Холод, являющийся эффективным консервирующим средством, препятствующим развитию микроорганизмов, в настоящее время широко используют во всех отраслях пищевой промышленности. В мясной, птицеперерабатывающей, рыбной и плодоовощной промышленности охлаждают, замораживают и хранят продукты при  низких температурах; в молочной промышленности холод используют при охлаждении и хранении молока, масла и молочных продуктов, а также при созревании сыра и его хранении, в кондитерском производстве охлаждают сырье, ёпасту и готовую продукцию. Холод применяют также при ведении технологических процессов в пивоварении и виноделии. Чтобы сохранить качество продуктов на пути от производства к потребителю во всех странах, в том числе и в России, создана и действует непрерывная холодильная цепь. Непрерывной она должна быть потому, что даже при одноразовом и кратковременном повышении температуры скоропортящегося продукта происходит снижение качества настолько, что в дальнейшем его восстановление становится невозможным.

Непрерывная холодильная  цепь — совокупность средств холодильной  техники и технологии, обеспечивающих необходимый охлаждающий режим  на всем пути движения скоропортящихся  продуктов. Отдельными звеньями холодильной  цепи могут являться в различном  сочетании и последовательности стационарные холодильники, холодильный  транспорт, торговое холодильное оборудование и бытовые холодильники. В непрерывной  холодильной цепи важная роль принадлежит стационарным холодильникам, представляющим собой специальные капитальные сооружения, на которых осуществляется охлаждение, замораживание, хранение, холодильная обработка и отпуск пищевых продуктов. На многих холодильниках вырабатывают искусственный лед, мороженое, замораживают плоды, ягоды, овощи.

История создания холодильника

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.

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.