E-mail: 5405451@gmail.com

Одна из первых холодильных машин

Одна из первых холодильных машинВ 1844 году американцем Джоном Горри была использована идея Эванса для создания компрессионного холодильного устройства, предназначенного для хранения льда в госпитале, где он работал, а также кондиционирования воздуха в палатах. Сжатый воздух в его установке охлаждался с помощью воды, направляясь затем в специальный цилиндр, где его температуры было вполне достаточно для производства льда. Горри явился, таким образом, не только владельцем первого в США патента на модель холодильной компрессионной машины, полученного им в 1851 году, но и первооткрывателем технологии кондиционирования, заключавшейся в том, что предварительно сжатый и охлажденный за счет окружающей среды воздух расширялся в специальной машине – детандере; при этом происходило понижение температуры воздуха.

В 1823 году Майклом Фарадеем было сделано открытие, ставшее основным принципом работы холодильных машин – он впервые добился сжижения газа.

Фарадей заметил, что при сжатии паров аммиака они переходят в жидкое состояние с поглощением тепла. При испарении жидкости происходит выделение тепла в окружающую среду, т.е., иными словами, вырабатывается холод. Обеспечение непрерывности этого процесса сделало возможным появление первых холодильников. Первые холодильники, работающие по этому принципу, были созданы швейцарским изобретателем Карлом Линде в 1874 году и предназначались для охлаждения пива. В 1877 году в качестве хладагента им был использован аммиак, что явилось новой страницей в истории развития холодильных устройств.

В 1834 году американским инженером Перкинсом была изобретена паровая компрессионная система, использовавшаяся для получения льда из этилового спирта. Холодильная установка Перкинса включала в себя те же основные составляющие, что и современные компрессионные холодильники, такие как: резервуар, в котором происходило кипение жидкого эфира с отбиранием тепла из окружающей среды; насос, служащий для сжатия и последующего нагнетания в змеевик паров эфира; система охлаждения змеевика водой, приводящая к конденсации паров и их превращению снова в жидкость. Таким образом, принцип работы холодильных машин Перкинса, основанный на сжатии парообразных веществ, конденсации и кипении в жидком агрегатном состоянии, дает возможность считать эти устройства прототипом современных холодильников, а сами подобные машины называть компрессионными.

Эти первые холодильные компрессионные машины работали при давлениях ниже атмосферного. Использование других видов рабочих жидкостей, позволило создать компрессионные холодильные устройства, способные работать при давлениях выше атмосферного. В 1871 году инженером и изобретателем Телье была создана холодильная машина, работающая на метиловом эфире, в 1872 году Бойль запатентовал аммиачную холодильную установку, которая оказалась первой в своем роде, в 1874 году аммиачная холодильная машина была сконструирована немецким инженером Линде, в этом же году увидела свет холодильная машина, рабочим веществом которой являлся серный ангидрид (создатель – швейцарский физик Пикте), углекислотная машина, работающая при давлениях, доходящих до нескольких десятков атмосфер, была построена в 1881 году одновременно двумя изобретателями – Линде и Виндхаузеном.

В 1884 году был запатентован принцип пароэжекторной холодильной машины: образовавшийся при низкой температуре пар отсасывался и сжимался за счет энергии струи пара того же вещества. Первая пароэжекторная холодильная машина была сконструирована Лебланом в 1910 году.

Доступность натурального льда в США не способствовала развитию и внедрению новых разработок в области холодильной техники. В Австралии же, где привозной лед обходился в астрономические суммы, создание холодильных устройств было актуальной проблемой. Поэтому, неудивительным оказалось побуждение британского журналиста Джеймса Харрисона, посетившего эту страну в 1837 году, создать свою компрессионную холодильную машину. Начав свои разработки в Австралии, Харрисон завершил их, вернувшись в Англию, и в 1855 году он привез в Австралию уже готовую модель компрессионного холодильника, появление которой вызвало почти ажиотажный спрос. Востребованность холодильного устройства Харрисона дала ему возможность использовать свое изобретение в коммерческих целях: он заключил контракт на постройку холодильника для пивоварни, что можно считать первым оправдавшим себя опытом коммерческого использования устройств искусственного охлаждения.

Уровень развития техники в 19 веке был еще недостаточным для создания мощных и компактных компрессоров, являющихся основой холодильных установок компрессионного типа. Существующие в то время модели холодильников были громоздкими и далеко не бесшумными, что причиняло серьезные неудобства при их эксплуатации. Поэтому разрабатывались и альтернативные способы получения холода. Так, в 1810 году профессором Эдинбургского университета Джоном Лесли было предложено использование для охлаждения технологии на основе абсорбции, т.е. поглощения, газа водой. Однако само абсорбционное холодильное устройство было создано лишь в 1850 году во Франции Эдмондом Карре и усовершенствовано впоследствии его братом Фердинандом Карре (в 1859 году), использовавшим водно-аммиачную смесь. Созданный им холодильный агрегат производительностью до 200кг льда в час был представлен им на проведенной в 1862 году выставке, где произвел фурор среди собравшихся.

Первые модели холодильных установок, как компрессионных, так и абсорбционных и пароэжекторных, помимо больших габаритов, высокого уровня шума и немалой стоимости, содержали в качестве хладагентов токсичные жидкости, утечка которых представляла собой опасность для здоровья окружающих.

Назревшая к концу 19 века потребность в домашних холодильных устройствах, привела к появлению первых бытовых холодильников. Первым опытом создания такого холодильника, как мы уже говорили, было создание в 1874 году немецким инженером Карлом фон Линде бытового компрессионного холодильного устройства, хладагентом в котором был метиловый эфир. Однако огнеопасность эфира заставила искать другие, более безопасные виды хладагентов, одним из которых стал аммиак. Тем не менее и модель с использованием аммиака, увидевшая свет в 1876 году, ввиду своей громоздкости, для домашних условий применения оказалась неприемлемой и нашла свою нишу использования, в основном, в промышленности.

Прорывом в попытках создания надежного и эффективного холодильного агрегата преимущественно бытового назначения послужила конструкция французского физика Марселя Одифрена, отличавшаяся оригинальной конструкцией и обладавшая функциями машинного охлаждения и автоматического управления. Холодильный агрегат, запущенный в производство под названием «Одифрен» в 1911 году, выделялся среди своих многочисленных предшественников высокой эффективностью теплообмена, отсутствием клапанов и сальников, удобством и простотой эксплуатации. Смазывать подшипники и менять приводные ремни приходилось не чаще 1-2 раз в течение года. Компания «Дженерал Электрик» выпускала эти холодильники в течение 17 лет вплоть до 1928 года.

Многие другие компании также занимались разработкой и выпуском быстро набиравших популярность холодильных устройств как бытового, так и промышленного назначения. Развитие экономических связей между странами, также способствовало конкуренции между изобретателями холодильных устройств и их комплектующих, а, следовательно, прогрессу в холодильных технологиях. Например, необходимость сохранности мяса при его транспортировке из стран-производителей, таких как Аргентина и Новая Зеландия, отличающихся жарким климатом, вызвала необходимость создания надежных холодильных машин, специально предназначенных для оснащения торговых судов. Разработкой новых компрессоров, позволяющих холодильному оборудованию судов работать стабильно, эффективно и с высокой степенью надежности в течение длительного времени, которое занимали в то время межконтинентальные перевозки, вплотную занялись многие передовые умы того времени, в том числе и Шарль Теллье.

Изобретение в 1873 году электромотора, приведшего к появлению у компрессоров нового приводного механизма, явилось следующей эволюционной ступенью в развитии не только компрессоров, но и всей холодильной техники. Однако компрессоры с электроприводом производили много шума.

Начиная с 1925 года выпуск холодильников с машинным охлаждением в США стал массовым. Только в течение года выпускалось 64 тысячи холодильных агрегатов, пользовавшихся все возрастающим спросом. И это несмотря на то, что первые холодильники с машинным охлаждением отличались своей громоздкостью: объем всего агрегата был в пять раз больше объема камеры для хранения продуктов. Размещение такого холодильника требовало не менее 1 квадратного метра пола. Толщина стенок холодильника составляла около 140мм, что было сопоставимо с толщиной танковой брони в те времена. Использование ядовитых веществ в качестве хладагентов, таких как аммиак и сернистый ангидрид, утечка которых могла привести к серьезным проблемам, также было крупным недостатком первых бытовых холодильников. Что касается компрессора, то его вращение обеспечивалось отдельным электродвигателем с ременной передачей, подшипники которого приходилось смазывать не реже одного раза в неделю.

Для создания безопасного и надежного холодильного компрессионного устройства требовались кардинальные перемены в конструкции компрессора. В 1926 году датским инженером Стинструпом была предложена идея совершенно новой конструкции холодильника, которая получила название «Монитор Топ». Новая конструкция отличалась абсолютной герметичностью. Это сделало холодильник практически бесшумным, предотвратило утечки токсичных хладагентов, увеличило срок службы агрегата. Инновации коснулись и конструкции корпуса, которая также претерпела существенные изменения. Холодильник приобрел вид цельнометаллического шкафа, состоящего из вставленных друг в друга двух сварных стальных корпусов, с уложенной между ними теплоизоляцией. Герметичность и компактность позволили холодильнику приобрести вид, напоминающий современные холодильные устройства.

В Европе серийный выпуск бытовых холодильных устройств начался несколько позже – в 1926 году компанией «А-Тевес». Развитие холодильного производства шло быстрыми темпами: чуть ли не каждый год появлялись новые модификации холодильников с улучшенными техническими возможностями. Благодаря разработкам немецких конструкторов были запущены в производство инновационные типы компрессионных холодильников под названиями «Аутополяр» и «Аутофригор», обладавшие большей компактностью, чем широкоизвестные американские холодильные агрегаты «Монитор Топ». Несмотря на это, немецкие модели широкого распространения не получили по ряду причин.

В 1923 году появились бытовые электрические холодильники, созданные шведскими инженерами Бальцером фон Платеном и Карлом Мунтерсом. Дальнейшие разработки в области холодильных машин привели к появлению в 1929 году более компактного холодильника с гораздо меньшим уровнем шума и использующим в качестве хладагента фреон. Использование в качестве хладагента фреона можно назвать революционным прорывом в холодильных технологиях. Начиная с середины 30-х годов 20 века фреон, являющийся одним из соединений фтора, стал постепенно вытеснять основной хладагент того времени – хлорметил. Фреон химически неактивен и не токсичен. Температура кипения его в жидком состоянии составляет – 32,8 градусов Цельсия.

30-е годы 20 века являются периодом бурного развития холодильной промышленности, вызвавшего к жизни множество самых разнообразных технических решений, одним из которых является использование в герметичных холодильных устройствах капиллярной трубки, как органа регуляции. Эта техническая инновация позволила усовершенствовать компрессор, являющийся базисной частью любого компрессионного устройства, его «сердцем». Благодаря применению капиллярной трубки отпала потребность в сложном и малоэффективном поплавковом вентиле с ресивером, а также разгрузочном приспособлении в компрессоре. Выравнивание давления в системе обеспечивалось простым перетеканием хладагента через капиллярную трубку при остановке компрессора. Использование в конструкции холодильных машин капиллярной трубки значительно упростило конструкцию агрегата, сделало его более надежным.

Дальнейшее развитие технологий, применение новых материалов для испарителей и конденсаторов, усовершенствование их конструкций, использование новых теплоизоляторов, электроники, привело к появлению современных холодильных машин, таких, какими мы привыкли их видеть.

 

Сфера применения искусственного холода охватывает значительное число отраслей народного хозяйства: в машиностроении искусственный холод используется для низкотемпературной закалки металлов, в химической промышленности – при производстве удобрений, спирта и различных синтетических материалов, в строительстве – для охлаждения бетона и замораживания грунта, в цехах промышленных предприятий, общественных и административных зданиях, бытовых помещениях – для кондиционирования воздуха, в горной промышленности – при проходке неустойчивых грунтов. Установки, производящие искусственный холод, незаменимы и в спорте, например, при создании катков. Однако основной областью применения по-прежнему остается охлаждение и замораживание продуктов питания с целью их сохранения. И если вначале акцент делался на производстве холодильных машин промышленного масштаба для использования в мясной, рыбной, молочной и других отраслях пищевой промышленности, создании холодильного транспорта, то развитие машиностроения и приборостроения сделало возможным серийное производство малых автоматизированных холодильных агрегатов, в том числе и для бытового использования. В настоящее время преимущественно используются холодильные машины компрессорного типа.

По способу производства холода современные холодильные установки делятся на компрессионные и абсорбционные, различающиеся по способу обеспечения циркуляции хладагента: в компрессионной холодильной установке циркуляция хладагента осуществляется с затрачиванием механической энергии, а в абсорбционной – тепловой. Компрессор является основным рабочим узлом компрессионной холодильной установки и предназначен для сжатия и перемещения паро- и газообразных рабочих веществ.

Что же такое компрессор? Слово компрессор произошло от латинского comрressio, что означает «сжатие». Т.е. компрессор представляет собой устройство для сжатия и создания давления воздуха и других газов.

Сжатый воздух, также как и электричество, является одним из самых применяемых в настоящее время энергоносителей. Естественным компрессором можно назвать легкие человека. Разжигая огонь, древний человек дул на трут. Воздух, выдыхаемый при этом, был сжат в легких.

Необходимость создания высоких температур (до 1000 градусов), требуемых для добычи металлов из руды, привела к созданию воздуходувных труб, доставляющих воздух к месту переработки руды, что позволяло существенно увеличить температуру. Однако устройство было слишком несовершенным и достаточная эффективность достигалась лишь при небольших количествах металла. Подобное устройство используется и в настоящее время ювелирами.

Первым механическим компрессором послужили самые обычные ручные мехи, появившиеся в середине третьего тысячелетия до н.э. и лишь спустя полтора тысячелетия их сменили более мощные ножные мехи, использовавшиеся для производства бронзы, т. е. сплавления меди и олова, которое в то время достигло апогея своего развития. Именно это время можно назвать началом использования сжатого воздуха в том виде, как мы его понимаем сегодня.

Первым гидравлическим механизмом, использовавшим энергию сжатого воздуха для гашения вибраций, явился механизм, построенный Ктесибием (приблизительно 285 – 222 века до н. э.). Способность сжатого воздуха сохранять энергию получила свое воплощение в катапульте, созданной Ктесибием. Энергия сжатого в цилиндре катапульты воздуха позволяла вырабатывать мощность, сопоставимую с мощностью реактивного двигателя.

Еще в 1 веке до нашей эры древнегреческим архитектором Хероном был изобретен способ автоматического открывания дверей, заключавшийся в использовании свойства расширения нагреваемого постоянно поддерживаемым пламенем воздуха вытеснять воду из одного сосуда в другой.

В1810 году сжатый воздух использовался для движения поездов.

Пневматические устройства стали незаменимым атрибутом технологий бурения. В 1861 году для бурения горных пород при строительстве тоннеля через Мон-Сени был использован ударный забойный двигатель с пневмоприводом, сжатый воздух к которому поставлялся от компрессоров, расположенных по обе стороны тоннеля.

Современные компрессоры являются основным технологическим оборудованием в химической, нефтехимической, газовой, горнодобывающей, угольной, пищевой промышленности, используются при производстве минеральных удобрений, пластмасс, при добыче, транспортировке и переработке природного газа и нефти, в машиностроении, криогенной технике и т. д. Так, в современных машиностроительных предприятиях до 30 процентов всей расходуемой мощности приходится на выработку сжатого воздуха.

Компрессоры для металлургической и коксогазовой промышленности, предназначенные для интенсификации процессов горения путем подачи сжатого воздуха, устанавливаются в специальных помещениях, называемых воздуходувными станциями. Для выполнения строительных работ, в геологоразведке, бурении скважин и т. д. используются передвижные компрессорные установки.

Компрессоры отличаются принципом действия, производительностью, конструктивными особенностями.

В настоящее время компрессоры в зависимости от вида движения рабочих частей подразделяются на:

-поршневые, характеризующиеся возвратно-поступательным движением поршней в цилиндрах;

-ротационные, винтовые, спиральные и центробежные – с вращательным движением рабочих частей.

По принципу действия компрессорные машины делятся на объемные, динамические и струйные. В объемных компрессорах, к которым относятся поршневые, винтовые и роторные компрессоры, передача энергии от двигателя к газу происходит в рабочей камере, объем которой периодически меняется в связи с перемещением двигателем привода одной или нескольких ее стенок. В процессе изменения объема рабочая камера попеременно бывает соединена с областями низкого и высокого давления газа и в течение определенного промежутка времени отсоединена от обеих областей. Полный период изменения объема камеры включает в себя перемещение газа из области низкого в область высокого давления. При этом двигатель совершает работу по перемещению стенок камеры.

Принцип действия динамических или турбокомпрессорных машин состоит в непрерывной передаче энергии к газу во вращающемся рабочем колесе, оснащенном лопатками и возникновении при этом подъемной силы, вызывающей увеличение скорости и давления газового потока. Центробежные, диагональные, осевые и вихревые компрессоры – все это динамические компрессоры.