Физика и холодильник Эйнштейна
статья на тему

В общих чертах холодильник представляет собой камеру с испарителем внутри её. Жидкость или газ, циркулирующие в системе холодильника, называется хладагентом. Заправка агрегата хладагентом происходит при изготовлении и после капитального ремонта холодильника. Хладагент, как правило, имеет низкие температуры кипения и испарения. Сейчас в качестве хладагента применяются экологически чистые озонобезопасные вещества.

Именно хладагент активно испаряется в испарителе и охлаждает тем самым воздух внутри холодильника, затем он, конденсируясь, превращается обратно в жидкость и, проходя по системе трубопроводов на задней стенке холодильника, охлаждается (поэтому задняя стенка холодильника при работе ощутимо нагревается). После полного витка хладагента по системе цикл завершён.

Наступает время электроники: температурный датчик производит измерение температуры в камере и сравнение её с заданной. Если эти значения равны, то термостат прекращает цикл, если же нет, хладагент снова прогоняется через испаритель. Отличие двухкамерного холодильника состоит только в том, что сначала происходит охлаждение морозильной камеры, а потом холодильной.

Испаритель «плачущего» типа холодильной камеры в двухкамерных холодильниках имеет в своей конструкции ТЭН. ТЭН плачущего испарителя предназначен для оттаивания холодильной камеры и более быстрой заморозки продуктов. В качестве регуляторов расхода хладагента в холодильной системе двухкамерных холодильников применяется капиллярная трубка, устанавливаемая между конденсатором и испарителем и играющая роль клапана. В случае, если происходит засор капиллярного трубопровода, то необходимо подбирать точно такую же, иначе система не будет эффективно работать.

Изобретение Холодильника

До начала развития искусственного охлаждения в девятнадцатом веке, люди использовали множество средств для охлаждения и хранения пищи. Веками как главный охладитель использовался лед . Древние индусы и египтяне стали первыми, кто познакомился с техникой производства льда, которая потом стала основной для более современных устройств девятнадцатого века – испарением. Довольно быстрое испарение жидкости создает постоянно растущий объем газа . Чем больше объем пара, тем больше и его кинетическая энергия, а поскольку энергию газ берет из окружающей среды, то таким образом он охлаждается. Индусы и египтяне пользовались своим феноменом так – они выставляли на ночь широкие мелкие миски с водой, которая остывала и превращалась в лед. Благодаря этому простому методу появилась возможность набирать немалые емкости льда, где охлаждались продукты.

Используя более примитивные средства для приобретения льда, древние китайцы просто-напросто возили его с гор, позднее эту практику переняли греки и римляне. Чтобы сохранить сам лед, люди сохраняли его в ямах или пещерах, выложенных соломой и деревом – в таких помещениях лед мог храниться месяцами. У народов эпохи индустриализации лед был основным средством охлаждения пищи до начала девятнадцатого века, когда люди поместили блоки льда в отдельное помещение, вместе с едой, которую они хотели сохранить. Для некоторых народов даже на сегодняшний день лед остается единственным доступным аналогом холодильнику.
       Первая известная сегодня попытка создать холодильник имела место в Шотландии, в Университете Глазго. Здесь в 1748 году Вильям Кален ( William Cullen ) перенял индо-египетскую практику охлаждения жидкости путем испарения, но он ускорил этот процесс, нагревая этил в условиях частичного вакуума. Этил испаряется быстрее чем вода, но разработка Калена так и осталась экспериментом, как случилось и с холодильником Оливера Эванса, представленным в 1805 году. Устройство Эванса базировалась на закрытом цикле сжатого эфира и считается первой попыткой испарять более простую субстанцию, чем вода. Невзирая на то, что Эванс так и не пошел дальше прототипа механизма, в 1844 году американский доктор Джон Горри ( John Gorrie ) повторил его идею, сделав устройство, где хранился лед для госпиталя, где он работал. В машине Горри испльзовался сжатый воздух, который охлаждался при помощи воды. Охлажденный воздух направлялся в цилиндр, приобретая такую температуру, что производство льда не составляло труда.

В 1856 году другой американец Александр Твиннинг (Alexander Twinning) начал продавать холодильные машины на базе того же принципа сжатого пара . Через три года Фердинанд Карре ( Ferdinand Carre ) усовершенствовал начальную концепцию, представив в качестве охлаждающего элемента аммоний. На то время аммоний считался шагом вперед, так как он распространялся быстрее, чем вода и впитывал больше тепла из окружающей среды. Карре ввел и серию других инноваций. Его холодильник работал циклично, охлаждающий пар (аммоний) в нем абсорбировался в жидкость (смесь воды и аммония). Эта смесь нагревалась, появлялся пар, который охлаждал и вновь конденсировался. В итоге холодильник Карре был не просто незаменим в свое время, а положил начало современному производству, усовершенствовав концепцию сжатого газа Эванса. Именно эти компоненты используются в производстве холодильников до сегодняшнего дня.

Сам по себе аммоний поставил перед человеком несколько проблем. В то время, как его эффективность, как охлаждающего вещества была очень высока, утечка его приводила к отравлениям, поэтому его пришлось быстро заменить в двадцатых годах ХХ века, когда появились соответствующие синтетические заменители. Самый известный из них – газ Дюпона – фреон, получаемый расщеплением молекулы метана на две молекулы хлора, две – флора и четыре – водорода. До семидесятых годов, фреон считался самым безопасным охлаждающим газом, но потом стал ясен наносимый им ущерб окружающей среде, и человечество вновь пустилось на поиски безопасного газа.

Холодильник без электричества

Мохаммед Бах Абба изобрел холодильник, которому не требуется электричество, в рамках Rolex Award, за что получил 100 тысяч долларов премии. Как же он работает? Маленький горшок помещается внутрь большого горшка, пространство между ними заполняется влажным песком, вся конструкция накрывается мокрой тканью.

AEG – это более века постоянного движения вперёд, изобретений, традиций, революционных инноваций. Всё началось с обычной электрической лампочки Эдисона, патент на которую в 1883 году приобрёл Эмиль Ратенау – основатель AEG.  Название AEG – Allgemeine Elictricitats Gesellschaft, - в переводе означает «Объединённое Электрическое Общество». Взглянув на портрет Эмиля Ротенау, трудно представить, что этот солидный, увешанный орденами господин в пенсне был человеком неуёмной энергии, отличался фантастическим воображением. Созданная им компания провела и установила электрическое освещение во многих театрах, ресторанах, банках, домах зажиточных граждан. Компания провела первые системы освещения улиц. Но Эмиля Ротенау уже захватила новая идея. На освещение зданий и улиц электроэнергия расходуется в основном ночью. Но как можно использовать вырабатываемую энергию днём? И Ротенау нашёл ответ: домашний труд, который в то время был обычно ручным, надо электрифицировать! В 1889 году компания AEG на выставке в Берлине предстала перед общественностью, продемонстрировав такие приборы, как щипцы для завивки волос, зажигалки, утюги, и чайники.  Отдельным предметом гордости AEG стало то, - и нам приятно подчеркнуть это, - что впервые в мире передача трёхфазного тока была осуществлена именно компанией AEG, под руководством нашего соотечественника - инженера Михаила фон Доливо-Добровольского.  Гениальный русский инженер изобрёл первые в мире трёхфазные асинхронный двигатель, генератор, трансформатор, способствуя тем самым развитию электротехники не только Германии, но и всего мира.

Каталог AEG за 1896 год содержал уже 80 различных наименований продукции, среди которых были электрические плиты, кофеварки и яйцеварки. Уже в то время технологии и дизайн были впечатляющими. В начале века AEG стала первой промышленной компанией, нанявшей на работу дизайнера. Им был архитектор Питер Беренс, который с 1907 года стал отвечать не только за проектирование для AEG новых заводов, но и бытовой техники.  В основе его идей лежало представление о том, что любая техническая работа может быть выполнена "на все 100" только в том случае, если она удовлетворит эстетическим представлениям человека. Беренс стал работать на AEG с 1907 года и за 7 лет разработал не только дизайн отдельных продуктов, таких, как лампа или кухонный комбайн, но и целого ряда моделей бытовой техники. Вершинами работ Беренса стали разработка проекта и строительство промышленных зданий, например, здания цеха по сборке турбин AEG в Берлине, а также фабрики по производству станков высокого напряжения. 

Основополагающим принципом AEG всегда было стремление подарить своим клиентам ощущение свободы, красоты и гармонии при работе с бытовой техникой. Кухня с «помощниками» от AEG из помещения для готовки пищи превращается в объект дизайна и чётко отражает индивидуальность своей хозяйки. Встраиваемые и отдельно стоящие холодильники и морозильные камеры  AEG – это идеальное качество хранения продуктов, помноженное на оригинальный дизайн внутреннего пространства и внешнего облика.

История изобретения холодильника

Для того чтобы дольше сохранить пищу свежей, в древние времена люди прибегали к естественным источникам получения низких температур, таких как: холодная вода, лед и снег. Наши предки знали и искусственный способ создавать холод, при помощи растворения селитры в воде. Еще, одним из древнейших изобретений считается — погреб. Он выглядит как небольшое подземное помещение со стенами из толстого кирпича либо камня.

Первым прооброзом холодильника был простой шкаф их дерева, в который помещали лед. Прежде чем были созданы холодильники, морозильники и другие машины для охлаждения продуктов, вначале был произведен определенный ряд научных открытий учеными.

В конце 17 века английский физик Роберт Бойль, а также его немецкий коллега Отто фон Герике установили, что при низких температурах вода в разряженном пространстве испаряется. А в 1823 году Майкл Фарадей определил, что превращение пара в жидкость сопровождается выделением в окружающую среду тепла, а обратный переход происходит с поглощением. На основе данных открытий создавалась примерная схема холодильника, где действует: рабочее вещество, которое циркулирует в замкнутом контуре, далее оно доводится до кипения при низком давлении, а затем испаряясь, отнимает тепло у помещенного в охлаждаемый объем тела.

Практическое применение такая схема получила, когда воду стали заменять более эффективными хладагентами.

В 1834 году англичанин Джекоб Перкинс создал первую холодильную установку, которая работала на этиловом эфире. Весь процесс в ней проходил при давлении ниже атмосферного, а по конструкции она была похожа на современные компрессионные машины. Уже в 1871 году произвели установку, которая работала на метиловом эфире, а в 1872-м году на аммиаке, в 1874-м их заменили на серный ангидрид. Но широкое применение искусственного охлаждения было получено только в 1877 году, когда швейцарский изобретатель Карл Линде создал первую промышленную модель компрессионной холодильной машины, где под действием парового насоса испарялся и конденсировался аммиак.

В 1887 году впервые на Всесоюзной выставке в Париже появился абсорбционный холодильник, который выглядел как громоздкий шкаф с маленьким холодильным отделением. Тогда еще не было опыта в поддерживании температуры на постоянном уровне. Но даже такая новость, что продукты в данном холодильнике могли не портиться около двух суток, очень сильно впечатлила присутствующих.

Уже в 1910 году появились домашние холодильники с машинным охлаждением в США; в Европе же их выпуск начался в 1926-м году. А в России первый холодильник появился только ближе к 1935 году. В г. Харьков тракторный завод выпустил первую пробную партию холодильных машин в 1939-м году.

Фреоны, которые выполняли функцию хладогентов были также придуманы в Америке, это помогло им уже в тридцатых годах прошлого века начать выпуск более совершенных холодильников в технологическом плане. Российское производство холодильников с маркой «ЗИЛ», которые работали на фреоне, наладилось только к 1951 году на Московском автомобильном заводе им. И.А.Лихачева.

В 1929 году была разработана технология глубокой заморозки Кларенсом Бердзай. Через несколько лет замороженные продукты стали появляться на прилавках зарубежных продовольственных магазинов. Крупные производства, которые занимались выпуском «заморозки», появились в Соединенных Штатах уже после второй мировой войны, а в Европе образовались в середине 1950-х.

На данный момент наивысшей ступенью развития холодильной техники считается оборудование для шоковой заморозки. Мгновенное охлаждение до -30 ... -35 градусов С является лучшим из уже созданных способов сохранения пищевой ценности свежих продуктов.

Конструкторы холодильников AEG очень хорошо знают стиль жизни, привычки и потребности своих клиентов. Возможности управления и использования холодильника максимально отвечают индивидуальным нуждам людей, привыкших к комфорту. Уже в середине XIX  века были известны принципы конструкции холодильника.  Но только уже упомянутое выше изобретение Михаила фон Доливо-Добровольского – трехфазный мотор - позволило AEG произвести первые холодильники. Произошло это в 1911 году, и это был революционный для своего времени агрегат. Хотя отметим, что в то время не каждый мог позволить себе обзавестись холодильником - двухкамерный агрегат от AEG стоил 1750 марок; примерно за те же деньги можно было купить дом в сельской местности.

Развитие промышленности и производства в XX веке происходило очень быстро. И к 50-м годам, компания AEG представляла собой огромный промышленный концерн, выпускающий самолеты, лифты, электроинструмент, электродвигатели, имеющий собственные разработки в области самых разных передовых технологий от жидкокристаллических дисплеев до военных систем слежения.

С 1950 года новый завод AEG в Касселе приступил к выпуску своей основной продукции – холодильников и морозильных камер.  Многие интересные идеи и успешные инновации берут начало на этом заводе, от первого встроенного холодильника, выпущенного на рынок в 1953 году и первой встроенной морозильной камеры в 1963 году. В 1984 году AEG совершает очередной прорыв, выпустив модель холодильника со скрытым испарителем, сократив тем самым потребление агрегатом электроэнергии на 20%. В 1987 году  AEG представляет первые холодильники с улучшенной конструкцией холодильной системы, что позволило сохранить ещё больше электроэнергии. Уступая требованиям природозащитных организаций,  в целях защиты озонового слоя, в 1988 году AEG сократила уровень содержания CFC (фреона) в холодильниках на 50%. Не останавливаясь на этом, инженеры компании добились того, что в 1993 году AEG выпустила холодильники, где фреон отсутствовал полностью. Заслуженной наградой тому стало получение компанией в 1996 году сертификата экологического соответствия EMAS EC-Eco-Audit. Фабрики AEG, производящие холодильники, удостоились этой награды первыми.

В 2001 году компания AEG представляет совершенно новый улучшенный модельный ряд холодильников.  Оставаясь  законодателями мод в мире технологий и дизайна холодильной техники, в последних моделях  разработчики AEG применили принцип «прозрачности», - прозрачные, легко перемещаемые полки, перевешиваемые дверцы, прозрачные держатели для бутылок и даже прозрачные коробочки для мелочей, подчёркивая тем самым индивидуальность подхода  к каждому клиенту. Одновременно каждый холодильник AEG – это современный электроагрегат, насыщенный разнообразными «электропомощниками».  Например, неизменно присутствующая в современных холодильниках AEG функция COOLMATIC, позволяющая быстро охладить одновременно большое количество напитков либо салатов, если Вы ожидаете прихода гостей, - сильно облегчит жизнь любой хозяйке. Экспресс-замораживание свежих продуктов питания осуществляется при помощи функции FROSTMATIC; она же предохраняет уже замороженные продукты от нежелательного повышения температуры в морозильном отделении. Оптимальной ёмкостью для хранения овощей и фруктов является низкотемпературное отделение, в котором поддерживается температура 0 С. Низкая температура замедляет размножение бактерий, способствуя лучшему сохранению вкусовых качеств и питательных свойств продуктов. А функция контроля влажности позволяет сохранить естественную влагу овощей и фруктов.

Несколько вариантов и систем крепления дверцы встраиваемого холодильника или морозильника, - ещё одна свежая разработка AEG.  Теперь монтаж двери холодильника может быть осуществлён по следующим параметрам: скользящее крепление, при котором дверь холодильника двигается на салазках; жёсткое крепление, когда дверь прибора жёстко крепится к мебельной панели; и уникальное дизайнерское решение – декоративная панель, которую можно скрепить в жёсткую, но вместе с тем, плоскую конструкцию с дверью холодильника.

Для инженеров AEG не существует мелочей, когда речь идёт об удобстве эксплуатации: например, надежность фиксации на дверной полочке холодильника обеспечивается специальным хромированным держателем. Сами же полки в холодильнике можно разместить под углом, - так намного удобнее хранить продукты и бутылки нестандартной формы. Забота о мелочах проявляется также в наличии специального перевешиваемого прозрачного бокса для небольших предметов, таких, как косметика или лекарства, который по Вашему желанию может крепиться к дверце, или находиться внутри холодильника.  В верхнем отсеке морозильной камеры располагается специальный лоток для заморозки ягод и грибов, так что при замораживании плоды сохраняют не только вкус, но и форму. Контроль влажности осуществляется при помощи специального устройства с прорезями, установленного на нижней стеклянной полке в холодильном отделении. Температура и влажность в отсеке регулируются простым открытием или закрытием прорезей.

Специально разработанное и запатентованное изобретение от AEG — поддон для встраиваемых под столешницу холодильников. Эта уникальная деталь выполняет целый ряд функций: благодаря специальной форме поддона осуществляется свободная циркуляция воздуха, при разморозке морозильного отделения вода не выливается на пол, при желании поддон можно полностью вынуть и пропылесосить либо помыть пространство под холодильником.

Современную бытовую технику невозможно представить без  цифрового интерфейса. Новый LCD-дисплей и кнопочный пульт управления AEG позволяют своевременно получать информацию и вносить изменения в  режимы  работы холодильника. Электроника подаёт звуковые сигналы при нарушениях или изменениях в данных режимах, делая эксплуатацию агрегата ещё более удобной.

С 1994 года подразделение AEG входит в состав известного шведского концерна "Электролюкс". Во всем мире бытовая техника AEG ассоциируется с такими понятиями, как немецкое качество, долговечность и престиж.

История современных холодильников

В начале XIX века инженер и продавец из штата Мэриленд Томас Мур собственноручно изготовил предшественника кухонного ледника. Для доставки свежего масла ему необходимо было транспортировать его в емкости, хранящей холод, то есть иметь нечто, напоминающее современный холодильник. Для достижения этой цели Мур сконструировал такое устройство: сосуд из стальных листов, обернутый мехом кролика расположил в бочке из кедра с насыпанным поверх льдом, а назвал свое изобретение рефрижератором. Данная конструкция, несколько модифицированная, но все еще очень смутно напоминавшая холодильник, имела успех в Европе, Австралии, Америке. Теперь вместо кроличьей шкуры использовались опилки и пробка, что обеспечивало лучшую теплоизоляцию и доступность; существовала камера для льда, а талая вода спускалась через кран. Но данное устройство прослужило не долго, оно и понятно: во-первых, даже при добавлении соли ко льду, температуры не хватало; во-вторых, не хватало льда.

В России также делались попытки изобретения холодильных агрегатов. В Москве в начале XX века появилось устройство под названием Эскимо, которое было основано на принципе Фернана Каре. Главные достоинства такой установки были универсальность, бесшумность и неплохая производительность (12 кг льда за цикл работы). В качестве топлива использовались спирт, керосин, дрова, уголь. Главным недостатком являлась слишком высокая стоимость. Но прародителем домашнего холодильника стал Немец Карл фон Линде, благодаря изобретению промышленного способа сжижения газов и изобретению на его основе агрегата с компрессором. В 1893 году Элайя Томпсон холодильник снабдил электроприводом.

В США в 1925 году уже было налажено производство холодильников с машинным охлаждением. Такие агрегаты были очень объемными: занимаемая ими площадь на полу составляла около одного квадратного метра, толщина стен достигала 14 см. Еще одним недостатком являлась необходимость частого обслуживания, а также плохая экология, вследствие того, что применялись небезопасные газы: сернистый ангидрид и аммиак. По этим причинам встал вопрос о принципиально новом устройстве холодильников, в которых не было всех этих минусов.

И в 1926 году Кристиан Стинструп, инженер из Дании, разработал такую машину – компрессионный агрегат, принципиальное отличие ее в том, что она была абсолютно герметична. Еще одной важной модификацией, которая ускорила крупносерийное производство холодильников, стала замена диоксида серы на новые полученные хладагенты. В 1926 году Томас Мидгли синтезировал фреон, а позже другие хлорфторуглероды, которые оптимально подходили по своим свойствам для компрессионных холодильников. Но позднее установили их воздействие на озоновый слой. Благодаря использованию фреонов холодильники стали проще, дешевле и доступнее.

Далее развитие холодильной техники шло семимильными шагами. Уже в 1930 году на рынок поступил встроенный холодильник. В 1939 году потребители могли приобрести агрегат с морозильной камерой. И уже в 50-е годы стала доступна технология No Frost – технология с принудительной циркуляцией воздуха с необмерзающими стенками. В 60-е годы совершенствование холодильников идет дальше. Снижается температура, увеличивается вместимость, вместе с тем снижается цена, благодаря появлению новых материалов, разработке новых компрессоров и других новшеств. В Советском Союзе первый домашний холодильник был разработан в 1939 году, а средний потребитель смог пользоваться агрегатами лишь в 60-е годы.