Введение

Процесс перемещения тепла из одного места в другое в контролируемых условиях.

Холодильное охлаждение – это любой из различных типов охлаждения пространства, вещества или системы для понижения и/или поддержания его температуры ниже температуры окружающей среды (при этом отводимое тепло отводится в место с более высокой температурой). Холодильное охлаждение – это искусственный, созданный человеком, метод охлаждения. Эта работа по передаче энергии традиционно обеспечивается механическими средствами (будь то лед или электромеханические машины), но также может быть осуществлена с помощью тепла, магнетизма, электричества, лазера или других способов. Холодильное охлаждение имеет множество применений, включая бытовые холодильники, промышленные морозильники, криогенику и кондиционирование воздуха. Тепловые насосы могут использовать тепловую энергию, выделяемую в процессе холодильного охлаждения, и также могут быть спроектированы как реверсивные, но в остальном они похожи на кондиционеры. Идея сохранения пищи восходит к доисторическим временам, но на протяжении тысячелетий возможности людей в этой области были ограничены. Они использовали вяление посредством засолки и сушки, а также использовали естественный холод в пещерах, погребах и зимой, но другие средства охлаждения были недоступны. В XIX веке они начали использовать торговлю льдом для создания холодовых цепей. В конце XIX – середине XX веков механическое холодильное охлаждение было разработано, улучшено и значительно расширило сферу своего применения. Увеличение источников продовольствия привело к большей концентрации сельскохозяйственных продаж, осуществляемых меньшим процентом ферм. Сегодня фермы производят гораздо больше продукции на человека по сравнению с концом XIX века. Китайский сборник текстов того периода, известный как «Спящие», описывает религиозные церемонии, связанные с заполнением и опорожнением ледяных погребов. Однако мало что известно о строительстве этих погребов и назначении льда. Следующим древним обществом, зафиксировавшим сбор льда, могли быть евреи в книге Притчей, где говорится: «Как прохлада снега во время жатвы, так верен посланник к тому, кто его послал». Историки интерпретируют это как то, что евреи использовали лед для охлаждения напитков, а не для сохранения пищи. Другие древние культуры, такие как греки и римляне, выкапывали большие снежные ямы, изолированные травой, шелухой или ветвями деревьев, для хранения холода. Как и евреи, греки и римляне использовали лед и снег не для сохранения пищи, а в основном для охлаждения напитков. Египтяне охлаждали воду путем испарения в неглубоких глиняных кувшинах на крышах своих домов ночью. Древние жители Индии использовали ту же концепцию для производства льда. Персы хранили лед в яме, называемой Яхчал, и, возможно, были первой группой людей, использовавших холодильное хранение для сохранения пищи. В австралийской глубинке, до появления надежного электроснабжения, многие фермеры использовали сейф Coolgardie, представляющий собой помещение с мешковинными (джутовыми) шторами, свисающими с потолка, пропитанными водой. Вода испарялась, тем самым охлаждая помещение, что позволяло хранить многие скоропортящиеся продукты, такие как фрукты, масло и вяленое мясо.

Сбор льда

До 1830 года немногие американцы использовали лёд для охлаждения продуктов из-за отсутствия ледовых хранилищ и ледовых ящиков. По мере того как эти два вида стали более доступными, люди стали использовать топоры и пилы для заготовки льда для своих хранилищ. Этот метод оказался трудным, опасным и, конечно, не имел ничего общего с тем, что можно было бы воспроизвести в коммерческом масштабе. Несмотря на трудности заготовки льда, Фредерик Тюдор полагал, что сможет извлечь выгоду из этого нового товара, заготовляя лёд в Новой Англии и отправляя его на Карибские острова, а также в южные штаты. Поначалу Тюдор потерял тысячи долларов, но в конечном итоге получил прибыль, построив ледовые хранилища в Чарльстоне (Вирджиния) и в кубинском портовом городе Гавана. Эти ледовые хранилища, а также более хорошо изолированные суда помогли сократить потери льда с 66% до 8%. Это повышение эффективности побудило Тюдора расширить свой рынок льда на другие города с ледовыми хранилищами, такие как Новый Орлеан и Саванна. Этот рынок льда ещё больше расширился, поскольку заготовка льда стала быстрее и дешевле после того, как один из поставщиков Тюдора, Натаниэль Уайет, изобрел конный ледорез в 1825 году. Это изобретение, а также успех Тюдора вдохновили других заняться торговлей льдом, и ледовая промышленность выросла. К началу 1830-х годов лёд стал массовым товаром, и его цена упала с шести центов за фунт до полуцента за фунт. В Нью-Йорке потребление льда увеличилось с 12 000 тонн в 1843 году до 100 000 тонн в 1856 году. Потребление в Бостоне за тот же период выросло с 6000 тонн до 85 000 тонн. Заготовка льда создала «культуру охлаждения», поскольку большинство людей использовали лёд и ледовые ящики для хранения молочных продуктов, рыбы, мяса и даже фруктов и овощей. Эти первые методы холодного хранения подготовили почву для того, чтобы многие американцы приняли технологию охлаждения, которая вскоре охватит всю страну.

Исследования в области холодильного оборудования

История искусственного охлаждения началась в 1755 году, когда шотландский профессор Уильям Каллен спроектировал небольшую холодильную машину. Каллен использовал насос для создания частичного вакуума над ёмкостью с диэтиловым эфиром, который затем закипал, поглощая тепло из окружающего воздуха. Эксперимент даже создал небольшое количество льда, но в то время не имел практического применения. В 1758 году Бенджамин Франклин и профессор химии Джон Хэдли совместно исследовали принцип испарения как способ быстро охладить предмет в Кембриджском университете (Англия). Они подтвердили, что испарение легколетучих жидкостей, таких как алкоголь и эфир, может быть использовано для понижения температуры объекта ниже точки замерзания воды. Они провели эксперимент с колбой ртутного термометра в качестве объекта и использовали меха, чтобы ускорить испарение; им удалось понизить температуру колбы термометра до , в то время как температура окружающей среды составляла . Они отметили, что вскоре после пересечения точки замерзания воды на поверхности колбы термометра образовалась тонкая плёнка льда, и толщина ледяной корки составляла примерно при прекращении эксперимента. В 1805 году американский изобретатель Оливер Эванс описал замкнутый цикл компрессионного охлаждения для производства льда с использованием эфира под вакуумом. В 1820 году английский учёный Майкл Фарадей сжижал аммиак и другие газы, используя высокое давление и низкую температуру, а в 1834 году американский эмигрант в Великобританию Джейкоб Перкинс построил первую в мире действующую систему компрессионного охлаждения. Это был замкнутый цикл, способный работать непрерывно, как он описал в своем патенте: я могу использовать летучие жидкости для охлаждения или замораживания жидкостей, одновременно постоянно конденсируя эти летучие жидкости и возвращая их в цикл без потерь. Его прототип работал, хотя и не имел коммерческого успеха. В 1842 году аналогичную попытку предпринял американский врач Джон Горри, построивший рабочий прототип, который также оказался коммерчески неудачным. Как и многие медицинские специалисты того времени, Горри считал, что чрезмерное воздействие тропической жары приводит к умственной и физической дегенерации, а также к распространению таких заболеваний, как малярия. Он задумал использовать свою систему охлаждения для охлаждения воздуха в домах и больницах для обеспечения комфорта и предотвращения болезней. Американский инженер Александр Твининг в 1850 году получил британский патент на компрессионную систему, использующую эфир. Первую практическую систему компрессионного охлаждения построил Джеймс Харрисон, британский журналист, эмигрировавший в Австралию. Его патент 1856 года описывал компрессионную систему, использующую эфир, алкоголь или аммиак. Он построил механическую машину для производства льда в 1851 году на берегу реки Барвон в Рокки-Пойнт, Джилонг, штат Виктория, а в 1854 году последовала его первая коммерческая машина для производства льда. Харрисон также внедрил коммерческое компрессионное охлаждение на пивоварнях и мясокомбинатах, и к 1861 году дюжина его систем была в эксплуатации. Позже он включился в дебаты о том, как конкурировать с американским преимуществом в продаже неохлажденной говядины в Соединенное Королевство. В 1873 году он подготовил парусник "Норфолк" для экспериментальной отправки говядины в Соединенное Королевство, используя холодильную камеру вместо холодильной системы. Предприятие провалилось, так как лёд таял быстрее, чем ожидалось. Первая система газового абсорбционного охлаждения, использующая газообразный аммиак, растворенный в воде (известный как "аква-аммиак"), была разработана Фердинандом Карре из Франции в 1859 году и запатентована в 1860 году. Карл фон Линде, инженер, специализирующийся на паровозах и профессор инженерного дела в Технологическом университете Мюнхена в Германии, начал исследования в области охлаждения в 1860-х и 1870-х годах в ответ на спрос пивоваров на технологию, которая позволила бы осуществлять крупномасштабное производство лагера круглый год; он запатентовал улучшенный метод сжижения газов в 1876 году. Его новый процесс сделал возможным использование газов, таких как аммиак, диоксид серы (SO2) и метилхлорид (CH3Cl) в качестве хладагентов, и они широко использовались для этой цели до конца 1920-х годов. Таддеус Лоу, американский воздухоплаватель, владел несколькими патентами на машины для производства льда. Его "Компрессионная машина для производства льда" должна была произвести революцию в отрасли хранения в холоде. В 1869 году он и другие инвесторы приобрели старый пароход, на который они загрузили один из холодильных агрегатов Лоу и начали перевозить свежие фрукты из Нью-Йорка в район Мексиканского залива и свежее мясо из Галвестона, штат Техас, обратно в Нью-Йорк, но из-за недостатка знаний Лоу в области судоходства бизнес оказался убыточным.

Коммерческое использование

В 1842 году Джон Горри создал систему, способную охлаждать воду для производства льда. Хотя это был коммерческий провал, он вдохновил ученых и изобретателей по всему миру. Француз Фердинанд Карр был одним из вдохновленных, и он создал систему производства льда, которая была проще и меньше, чем у Горри. Во время Гражданской войны такие города, как Новый Орлеан, больше не могли получать лед из Новой Англии по прибрежному ледоторговому пути. Система охлаждения Карра стала решением проблемы с льдом в Новом Орлеане, и к 1865 году в городе было три машины Карра. В 1867 году в Сан-Антонио, штат Техас, французский иммигрант по имени Эндрю Мюль построил машину для производства льда, чтобы обеспечить растущую говячью промышленность, прежде чем перенести ее в Уэйко в 1871 году. В 1873 году патент на эту машину был приобретен компанией Columbus Iron Works, которая затем была выкуплена W. C. Bradley Co., и та начала производство первых коммерческих льдогенераторов в США. К 1870-м годам пивоваренные заводы стали крупнейшими потребителями природного льда. Хотя к началу XX века добыча льда значительно возросла, загрязнение и сточные воды начали проникать в природный лед, что стало проблемой в пригородных районах. В конечном итоге пивовары стали жаловаться на некачественный лед. Общественное беспокойство по поводу чистоты воды, из которой формировался лед, возросло в начале 1900-х годов с развитием теории микробов. Многочисленные СМИ опубликовали статьи, связывающие такие заболевания, как брюшной тиф, с потреблением природного льда. Это привело к тому, что добыча льда стала незаконной в некоторых районах страны. Все эти обстоятельства увеличили спрос на современные холодильные установки и искусственный лед. Машины для производства льда, подобные машинам Карра и Мюля, рассматривались как средство производства льда для удовлетворения потребностей продуктовых магазинов, фермеров и поставщиков продуктов питания. Холодильные вагоны были введены в США в 1840-х годах для краткосрочной транспортировки молочных продуктов, но в них использовался природный лед для поддержания низкой температуры. Новая технология охлаждения впервые получила широкое промышленное применение в качестве средства замораживания мяса для морской транспортировки на рефрижераторных судах из Британских доминионов и других стран в Британские острова. Хотя первыми, кто добился успешной транспортировки замороженных продуктов за границу, были не они (Strathleven прибыл в лондонский порт 2 февраля 1880 года с грузом замороженной говядины, баранины и масла из Сиднея и Мельбурна), этот прорыв часто приписывают Уильяму Солтау Дэвидсону, предпринимателю, эмигрировавшему в Новую Зеландию. Дэвидсон полагал, что растущее население Великобритании и спрос на мясо могут смягчить спад на мировом рынке шерсти, который сильно повлиял на Новую Зеландию. После обширных исследований он в 1881 году заказал переоборудование судна Dunedin компрессионной холодильной установкой для перевозки мяса. 15 февраля 1882 года Dunedin отплыл в Лондон, совершив первое коммерчески успешное рефрижераторное плавание и заложив основу рефрижераторной мясной промышленности. Газета The Times прокомментировала: «Сегодня мы должны зафиксировать такой триумф над физическими трудностями, который был бы невероятным, даже невообразимым всего несколько дней назад». Судно-близнец Dunedin, Marlborough, было немедленно переоборудовано и присоединилось к торговле в следующем году, вместе с конкурирующим судном New Zealand Shipping Company Mataurua, а немецкий пароход Marsala начал перевозить замороженную новозеландскую баранину в декабре 1882 года. В течение пяти лет из Новой Зеландии в Соединенное Королевство было отправлено 172 партии замороженного мяса, из которых только 9 содержали значительное количество непригодного к употреблению мяса. Рефрижераторные перевозки также привели к расширению мясной и молочной промышленности в Австралазии и Южной Америке. Компания J & E Hall из Дартфорда, Англия, оснастила SS Selembria системой парокомпрессии для перевозки 30 000 тушек баранины с Фолклендских островов в 1886 году. В последующие годы эта отрасль быстро расширилась на Австралию, Аргентину и Соединенные Штаты. К 1890-м годам холодильники играли жизненно важную роль в распределении продуктов питания. Мясоперерабатывающая промышленность в 1880-х годах в значительной степени полагалась на природный лед и продолжала полагаться на искусственный лед по мере появления этих технологий. К 1900 году мясоперерабатывающие заводы Чикаго внедрили коммерческое охлаждение по аммиачному циклу. К 1914 году почти во всех предприятиях использовалось искусственное охлаждение. Крупнейшие мясопереработчики, Armour, Swift и Wilson, приобрели самое дорогое оборудование, которое они устанавливали на железнодорожные вагоны, в филиалах и на складах в более отдаленных районах сбыта. К середине XX века холодильные установки были разработаны для установки на грузовики. Рефрижераторные автомобили используются для транспортировки скоропортящихся товаров, таких как замороженные продукты, фрукты и овощи, а также химические вещества, чувствительные к температуре. Большинство современных холодильников поддерживают температуру между –40 и –20 °C и имеют максимальную грузоподъемность около 24 000 кг брутто (в Европе). Хотя коммерческое охлаждение быстро развивалось, оно имело ограничения, которые не позволяли ему проникнуть в быт. Во-первых, большинство холодильников были слишком большими. Некоторые коммерческие установки, используемые в 1910 году, весили от пяти до двухсот тонн. Во-вторых, коммерческие холодильники были дорогими в производстве, покупке и обслуживании. Наконец, эти холодильники были небезопасны. Коммерческие холодильники часто загорались, взрывались или выделяли токсичные газы. Охлаждение не стало бытовой технологией, пока эти три проблемы не были решены.

Домашнее и потребительское использование

В начале 1800-х годов потребители сохраняли продукты, храня еду и лёд, закупленный у поставщиков льда, в ледовых ящиках. В 1803 году Томас Мур запатентовал металлическую ёмкость для хранения масла, которая стала прототипом для большинства ледовых ящиков. Эти ледовые ящики использовались почти до 1910 года, и технология практически не развивалась. Фактически, потребители, использовавшие ледовые ящики в 1910 году, сталкивались с той же проблемой – заплесневелым и неприятно пахнущим ящиком, что и потребители в начале 1800-х годов. General Electric (GE) была одной из первых компаний, сумевших преодолеть эти трудности. В 1911 году GE выпустила бытовую холодильную установку, работающую на газе. Использование газа позволило отказаться от электрического компрессорного двигателя и уменьшить размер холодильника. Однако газовый агрегат не приносил пользы электрическим компаниям, являвшимся клиентами GE. Поэтому GE инвестировала в разработку электрической модели. В 1927 году GE представила Monitor Top – первый холодильник, работающий от электричества. В 1930 году Frigidaire, один из основных конкурентов GE, синтезировала фреон. С изобретением синтетических хладагентов, основанных преимущественно на хлорфторуглеродах (ХФУ), стали возможны более безопасные холодильники для домашнего и потребительского использования. Фреон способствовал разработке более компактных, лёгких и дешёвых холодильников. Средняя цена холодильника снизилась с 275 до 154 долларов после синтеза фреона. Эта более низкая цена позволила увеличить долю домохозяйств, владеющих холодильниками, до более чем 50% к 1940 году. Фреон является торговой маркой корпорации DuPont и обозначает эти ХФУ, а позднее – гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ), разработанные в конце 1920-х годов. Эти хладагенты в то время считались менее вредными, чем обычно используемые хладагенты, такие как метилформиат, аммиак, метилхлорид и диоксид серы. Целью было обеспечить безопасное холодильное оборудование для домашнего использования. Хладагенты CFC отвечали этой потребности. Однако в 1970-х годах было обнаружено, что эти соединения взаимодействуют с атмосферным озоном, важным защитным слоем от солнечного ультрафиолетового излучения, и их использование в качестве хладагентов во всем мире было ограничено Монреальским протоколом 1987 года.

Влияние на структуру расселения в Соединенных Штатах Америки

В прошлом веке холодильная техника позволила сформироваться новым моделям расселения. Эта новая технология сделала возможным заселение территорий, не расположенных вдоль естественных транспортных путей, таких как реки, долины или гавани, которые в противном случае остались бы необитаемыми. Холодильное оборудование дало возможность первопоселенцам расширять свои владения на запад и в сельские районы, которые ранее были безлюдными. Эти новые поселенцы, обнаружив богатую и нетронутую почву, увидели возможность получения прибыли от отправки сырья в восточные города и штаты. В 20-м веке благодаря холодильной технике стали возможны такие "мегаполисы", как Даллас, Финикс и Лос-Анджелес.

Железнодорожные вагоны с холодильником

Холодильный вагон (холодильный фургон или рефрижераторный вагон), наряду с развитой железнодорожной сетью, стал чрезвычайно важным звеном между рынком и сельским хозяйством, обеспечивая национальные, а не только региональные возможности. До изобретения рефрижераторного вагона перевозка скоропортящихся продуктов на большие расстояния была невозможна. Первым запросом на рефрижераторные вагоны выступила индустрия упаковки говядины. Железнодорожные компании медленно внедряли это новое изобретение из-за значительных инвестиций в скотоводческие вагоны, скотобойни и загоны для откорма. Рефрижераторные вагоны также были сложнее и дороже других вагонов, что также замедлило их распространение. После медленного внедрения рефрижераторных вагонов, индустрия упаковки говядины доминировала в сфере их использования, контролируя ледогенераторы и устанавливая тарифы на обледенение. По оценкам Министерства сельского хозяйства США, в 1916 году более шестидесяти девяти процентов скота, забитого в стране, было переработано на предприятиях, участвующих во внутригосударственной торговле. Те же компании, занимавшиеся торговлей мясом, позже стали использовать рефрижераторный транспорт для перевозки овощей и фруктов. У мясопакетинговых компаний было значительное количество дорогостоящего оборудования, такого как рефрижераторные вагоны и холодильные склады, что позволяло им эффективно распространять все виды скоропортящихся товаров. Во время Первой мировой войны Администрация США создала национальный пул рефрижераторных вагонов для решения проблемы простоя вагонов, который был сохранен и после войны. Проблема простоя заключалась в том, что дорогостоящие вагоны бездействовали между сезонными сборами урожая. Это означало, что значительную часть года вагоны простаивали на железнодорожных станциях, не принося дохода владельцам. Пул вагонов представлял собой систему распределения вагонов по регионам по мере созревания урожая, обеспечивая их максимальное использование. Рефрижераторные вагоны двигались на восток из виноградников, садов, полей и огородов западных штатов, чтобы удовлетворить потребительский рынок Америки на востоке. Рефрижераторный вагон позволил перевозить скоропортящиеся культуры на сотни и даже тысячи километров. Наиболее заметным эффектом стало региональное разделение специализации в производстве овощей и фруктов. Рефрижераторные вагоны широко использовались для перевозки скоропортящихся грузов до 1950-х годов. К 1960-м годам национальная сеть межштатных автомагистралей была достаточно развита, что позволило грузовикам перевозить большую часть скоропортящихся продуктов питания и вытеснить устаревшую систему рефрижераторных железнодорожных вагонов.

Расширение на запад и в сельские районы

Широкое распространение холодильной техники открыло в Соединенных Штатах огромные новые возможности для сельского хозяйства. По всей территории США появились новые рынки в ранее малонаселенных и отдаленных от крупных населенных пунктов районах. Новые сельскохозяйственные возможности возникли в сельских районах, таких как штаты на юге и западе страны. Крупномасштабные поставки из южных штатов и Калифорнии начались примерно в одно и то же время, хотя в Калифорнии использовался природный лед из Сьерра-Невады, а на юге – искусственный. Холодильное оборудование позволило многим регионам специализироваться на выращивании определенных фруктов. Калифорния специализировалась на винограде, персиках, грушах, сливах и яблоках, а Джорджия прославилась своими персиками. В Калифорнии внедрение холодильных вагонов привело к увеличению перевозок с 4500 вагонов в 1895 году до 8000–10 000 вагонов в 1905 году. Штаты Мексиканского залива, Арканзас, Миссури и Теннесси начали крупномасштабное производство клубники, а Миссисипи стал центром томатоводства. В Нью-Мексико, Колорадо, Аризоне и Неваде выращивали дыни канталупа. Без холодильной техники это было бы невозможно. К 1917 году хорошо развитые плодоовощные районы, расположенные вблизи восточных рынков, ощутили конкурентное давление со стороны этих отдаленных специализированных центров. Холодильная техника применялась не только для мяса, фруктов и овощей, но и для молочных продуктов и молочных ферм. В начале XX века крупные города получали молоко с ферм, расположенных на расстоянии до 644 километров (400 миль). Молочные продукты из-за большей скоропортящести было сложнее транспортировать на большие расстояния, чем фрукты и овощи. Холодильное оборудование сделало производство возможным на западе, вдали от восточных рынков, настолько, что молочные фермеры могли оплачивать транспортные расходы и при этом продавать продукцию дешевле, чем их восточные конкуренты. Холодильная техника и холодильные железнодорожные вагоны открыли возможности для регионов с плодородными почвами, удаленных от естественных транспортных путей, таких как реки, долины или порты.

Восхождение галактического города

Термин "город-периферия" был предложен Джоэлем Гарро, а термин "галактический город" – Льюисом Мамфордом. Эти термины обозначают концентрацию деловой активности, торговых и развлекательных центров за пределами традиционного центра города или центрального делового района, на территории, которая ранее была жилой или сельской. Росту этих городов, таких как Лос-Анджелес, Лас-Вегас, Хьюстон и Финикс, способствовали несколько факторов. К ним относятся надежные автомобили, сеть автомагистралей, холодильное оборудование и повышение производительности сельского хозяйства. Крупные города, подобные упомянутым, не были редкостью в истории, однако эти города отличаются от других тем, что они не расположены вдоль естественных транспортных путей или на пересечении нескольких таких путей, как тропы, гавани, горы, реки или долины. Эти крупные города возникли в районах, которые еще несколько сотен лет назад были бы непригодны для проживания. Без экономически эффективных способов охлаждения воздуха и доставки воды и продуктов питания с больших расстояний их развитие было бы невозможно. Быстрый рост этих городов был обусловлен развитием холодильной техники и увеличением сельскохозяйственной продуктивности, что позволило отдаленным фермам эффективно обеспечивать население продовольствием.

Упаковка мяса и торговля

До 1882 года на Южном острове Новой Зеландии проводились эксперименты по посеву травы и скрещиванию овец, что сразу же предоставило фермерам экономический потенциал в экспорте мяса. В 1882 году из порта Чалмерс в Дунедине (Новая Зеландия) в Лондон была отправлена первая успешная партия замороженных овечьих туш. К 1890-м годам торговля замороженным мясом стала все более прибыльной в Новой Зеландии, особенно в регионе Кентербери, откуда в 1900 году поступало 50% экспортируемых овечьих туш. Вскоре мясо из Кентербери стало известно своим высоким качеством, что создало спрос на новозеландское мясо по всему миру. Чтобы удовлетворить этот новый спрос, фермеры улучшили корма, чтобы овцы достигали убойного веса всего за семь месяцев. Этот новый способ транспортировки привел к экономическому буму в Новой Зеландии к середине 1890-х годов. В Соединенных Штатах Закон о мясной инспекции 1891 года был принят из-за опасений местных мясников относительно санитарных условий в системе рефрижераторных вагонов. С развитием мясоперерабатывающей промышленности потребители стали беспокоиться о качестве мяса. Роман Аптона Синклера «Джунгли», опубликованный в 1906 году, привлек негативное внимание к мясоперерабатывающей отрасли, обнажив антисанитарные условия труда и переработку больных животных. Книга привлекла внимание президента Теодора Рузвельта, и в 1906 году был принят новый Закон о мясной инспекции, который стал дополнением к Закону о мясной инспекции 1891 года. Этот новый закон был направлен на контроль качества мяса и условий его переработки.

Электричество в сельских районах

В начале 1930-х годов 90% городского населения США были обеспечены электроэнергией, в то время как в сельской местности лишь в 10% домов было электричество. В то время энергетические компании не считали, что расширение электроснабжения в сельские районы (электрификация сельской местности) принесет достаточную прибыль, чтобы оправдать затраты. Однако, в разгар Великой депрессии, президент Франклин Д. Рузвельт осознал, что сельские районы продолжат отставать от городских как по уровню бедности, так и по объему производства, если не будут электрифицированы. 11 мая 1935 года президент подписал указ об учреждении Администрации электрификации сельских районов, также известной как REA. Агентство предоставляло кредиты на финансирование электрической инфраструктуры в сельской местности. Всего за несколько лет электроэнергия пришла в 300 000 домов в сельских районах Соединенных Штатов. Электричество значительно улучшило условия труда на фермах, но также оказало существенное влияние на безопасность производства продуктов питания. В процессы сельского хозяйства и распределения продуктов питания были внедрены системы охлаждения, что способствовало сохранности продуктов и обеспечению безопасности продовольствия. Охлаждение также позволило осуществлять транспортировку скоропортящихся товаров по всей территории Соединенных Штатов. В результате фермеры США быстро стали самыми производительными в мире, и возникли совершенно новые продовольственные системы.

Использование в сельскохозяйственных хозяйствах

Для снижения уровня влажности и предотвращения порчи, вызванной ростом бактерий, в современном сельском хозяйстве используется охлаждение при переработке мяса, сельскохозяйственной продукции и молочных продуктов. Системы охлаждения наиболее интенсивно применяются в теплые месяцы для охлаждения сельскохозяйственной продукции, которую необходимо охладить как можно быстрее для соответствия стандартам качества и увеличения срока хранения. В то же время, на молочных фермах молоко охлаждают круглый год, чтобы избежать его порчи.

Влияние на образ жизни и диету

В конце 19-го и начале 20-го веков, за исключением основных продуктов питания (сахара, риса и бобов), не требовавших охлаждения, ассортимент доступных продуктов сильно зависел от сезона и местных условий выращивания. Холодильное оборудование сняло эти ограничения. Холодильная техника сыграла важную роль в обеспечении возможности появления, а затем и популярности современных супермаркетов. Фрукты и овощи, не соответствующие сезону или выращенные в отдалённых регионах, теперь доступны по относительно низким ценам. Распространение холодильников привело к значительному увеличению доли мяса и молочных продуктов в общем объёме продаж супермаркетов. Наряду с изменением ассортимента товаров, возможность длительного хранения продуктов способствовала увеличению свободного времени. До появления бытовых холодильников люди были вынуждены совершать покупки ежедневно, чтобы обеспечить себя продуктами для приготовления пищи.

Влияние на питание

Введение холодильников позволило гигиенично обрабатывать и хранить скоропортящиеся продукты, что способствовало росту производства, увеличению потребления и доступности питательных веществ. Изменение методов сохранения продуктов привело к снижению содержания соли и более управляемому уровню натрия в рационе. Возможность транспортировки и хранения скоропортящихся продуктов, таких как мясо и молочные продукты, привела к увеличению потребления молочных продуктов на 1,7% и общего потребления белка на 1,25% в год в США после 1890-х годов. Люди стали потреблять эти продукты не только из-за удобства их хранения, но и благодаря инновациям в области холодильной транспортировки и хранения, которые снизили порчу и отходы, тем самым снизив цены на эти продукты. Холодильная техника обеспечивает не менее 5,1% увеличения роста взрослых (в США) за счет улучшения питания, а с учетом косвенных эффектов, связанных с повышением качества питательных веществ и снижением заболеваемости, общее влияние оказывается значительно больше.

Современные применения холодильного оборудования

Вероятно, наиболее широко используемые современные применения холодильной техники – это кондиционирование воздуха в частных домах и общественных зданиях, а также охлаждение продуктов питания в домах, ресторанах и крупных складских помещениях. Использование холодильников, холодильных камер и морозильников на кухнях, фабриках и складах для хранения и переработки фруктов и овощей позволило включать свежие салаты в современный рацион круглый год, а также безопасно хранить рыбу и мясо в течение длительного времени. Оптимальный температурный диапазон для хранения скоропортящихся продуктов –
В торговле и производстве существует множество областей применения холодильной техники. Она используется для сжижения газов – кислорода, азота, пропана и метана, например. В системах очистки сжатого воздуха она применяется для конденсации водяного пара, содержащегося в сжатом воздухе, с целью снижения его влажности. На нефтеперерабатывающих заводах, химических и нефтехимических предприятиях холодильная техника используется для поддержания определенных процессов при необходимых низких температурах (например, при алкилировании бутенов и бутана для получения высокооктанового компонента бензина). Металлурги используют холодильную технику для закалки стали и столовых приборов. При транспортировке чувствительных к температуре продуктов питания и других материалов грузовиками, поездами, самолетами и морскими судами охлаждение является необходимостью. Молочные продукты постоянно нуждаются в охлаждении, и лишь в последние несколько десятилетий было установлено, что яйца необходимо охлаждать во время транспортировки, а не ждать охлаждения после прибытия в магазин. Мясо, птица и рыба должны храниться в условиях контролируемого климата до продажи. Холодильная техника также помогает дольше сохранять фрукты и овощи пригодными в пищу. До изобретения холодильной техники многие ценители суши подвергались риску заражения болезнями. Опасность употребления неохлажденного сашими оставалась незамеченной на протяжении десятилетий из-за недостатка исследований и развитой системы здравоохранения в сельской местности Японии. Около середины века корпорация Zojirushi, базирующаяся в Киото, совершила прорыв в дизайне холодильников, сделав их более доступными по цене для владельцев ресторанов и широкой публики.

Методы охлаждения

Методы охлаждения можно классифицировать как нециклические, циклические, термоэлектрические и магнитные.

Нециклическое охлаждение

Этот метод охлаждения понижает температуру в замкнутом пространстве за счет таяния льда или сублимации сухого льда. Самый простой пример – переносной холодильник, в который помещают продукты, а затем добавляют лёд. Обычный лёд способен поддерживать температуру около, но не ниже точки замерзания, если только не использовать соль для дальнейшего охлаждения льда (как, например, в традиционной мороженице). Сухой лёд позволяет надёжно понизить температуру значительно ниже точки замерзания воды.

Цикл сжатия пара

Цикл сжатия пара используется в большинстве бытовых холодильников, а также во многих крупных коммерческих и промышленных холодильных системах. На рисунке 1 представлена принципиальная схема компонентов типичной холодильной системы с паровым сжатием. Термодинамику цикла можно проанализировать на диаграмме, как показано на рисунке 2. В этом цикле циркулирующий хладагент, такой как низкокипящий углеводород или гидрофторуглероды, поступает в компрессор в виде пара. От точки 1 до точки 2 пар сжимается при постоянной энтропии и выходит из компрессора в виде пара при более высокой температуре, но все еще ниже давления насыщения при этой температуре. От точки 2 к точке 3 и далее к точке 4 пар проходит через конденсатор, который охлаждает пар до начала конденсации, а затем конденсирует пар в жидкость, отводя дополнительное тепло при постоянном давлении и температуре. Между точками 4 и 5 жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (также называемый дроссельным клапаном), где его давление резко падает, вызывая вспышечное испарение и самоохлаждение, как правило, менее половины жидкости. В результате образуется смесь жидкости и пара при более низкой температуре и давлении, как показано в точке 5. Затем холодная жидко-паровая смесь проходит через змеевик или трубки испарителя и полностью испаряется, охлаждая теплый воздух (из охлаждаемого пространства), который продувается вентилятором через змеевик или трубки испарителя. Образовавшийся пар хладагента возвращается на вход компрессора в точке 1, завершая термодинамический цикл. Вышеизложенное описание основано на идеальном цикле сжатия пара и не учитывает реальные эффекты, такие как падение давления из-за трения в системе, незначительную термодинамическую необратимость при сжатии пара хладагента или неидеальное поведение газа, если таковое имеется. Холодильные машины с паровым сжатием могут быть выполнены в двухступенчатом каскадном исполнении, при котором вторая ступень охлаждает конденсатор первой ступени. Это позволяет достигать очень низких температур. Более подробная информация о конструкции и работе холодильных систем с паровым сжатием доступна в классическом «Справочнике инженера-химика Перри».

Цикл поглощения

В первые годы двадцатого века цикл паропоглощения с использованием систем вода-аммиак или вода-LiBr был популярен и широко применялся. После разработки цикла парокомпрессии цикл паропоглощения утратил значительную часть своей важности из-за низкого коэффициента преобразования (примерно в пять раз ниже, чем у цикла парокомпрессии). Сегодня цикл паропоглощения используется главным образом там, где доступно топливо для отопления, но нет электричества, например, в автодомах, использующих сжиженный газ. Он также применяется в промышленных условиях, где избыточное тепло позволяет компенсировать его неэффективность. Цикл паропоглощения аналогичен циклу парокомпрессии, за исключением способа повышения давления пара хладагента. В системе паропоглощения компрессор заменен абсорбером, который растворяет хладагент в подходящей жидкости, насосом для повышения давления и генератором, который при подводе тепла высвобождает пар хладагента из жидкости под высоким давлением. Для работы жидкостного насоса требуется определенная энергия, но для заданного количества хладагента она значительно меньше, чем для компрессора в цикле парокомпрессии. В абсорбционном холодильнике используется подходящая комбинация хладагента и абсорбента. Наиболее распространенными комбинациями являются аммиак (хладагент) с водой (абсорбент) и вода (хладагент) с бромидом лития (абсорбент).

Цикл адсорбции

Основное отличие от цикла абсорбции заключается в том, что в цикле адсорбции хладагентом (адсорбатом) может быть аммиак, вода, метанол и т. д., а адсорбент представляет собой твердое вещество, такое как силикагель, активированный уголь или цеолит, в отличие от цикла абсорбции, где абсорбент является жидкостью. Интенсивные исследования технологии адсорбционного охлаждения в последние 30 лет обусловлены тем, что работа адсорбционной холодильной установки часто бесшумна, не вызывает коррозии и экологически безопасна.

Газовый цикл

Когда рабочая жидкость представляет собой газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазовое состояние, цикл охлаждения называется газовым циклом. Чаще всего в качестве рабочей жидкости используется воздух. Поскольку в газовом цикле не предусмотрены конденсация и испарение, компоненты, соответствующие конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, представляют собой горячие и холодные газо-газовые теплообменники. Газовый цикл менее эффективен, чем цикл сжатия пара, поскольку он работает по обратному циклу Брэйтона, а не по обратному циклу Ренкина. В результате рабочая жидкость не получает и не отдает тепло при постоянной температуре. В газовом цикле холодильный эффект равен произведению удельной теплоемкости газа на увеличение температуры газа на холодной стороне. Следовательно, для обеспечения той же холодопроизводительности газовому холодильному циклу требуется большой массовый расход хладагента и он отличается большими габаритами. Из-за более низкой эффективности и больших размеров воздушные холодильные циклы в настоящее время редко используются в наземных холодильных установках. Однако воздушные циклы широко распространены на газотурбинных реактивных самолетах в качестве систем охлаждения и вентиляции, поскольку сжатый воздух легко доступен из компрессорных ступеней двигателей. Такие установки также используются для герметизации самолета.

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока в месте контакта двух различных материалов. Этот эффект широко применяется в кемпинговых и переносных холодильниках, а также для охлаждения электронных компонентов и небольших приборов. Пельтиевые охладители часто используются в ситуациях, когда традиционный холодильник с компрессионным циклом был бы непрактичен или занимал бы слишком много места, и в охлаждаемых сенсорах изображения как простой, компактный и легкий, хотя и неэффективный, способ достижения очень низких температур. Для этого применяют двух- или многоступенчатые пельтиевые охладители, расположенные в каскадной конфигурации, то есть два или более элементов Пельтье устанавливаются друг на друга, причем каждый последующий этап больше предыдущего, чтобы отводить больше тепла и рассеивать тепло, выделяемое предыдущими этапами. Термоэлектрическое охлаждение имеет более низкий COP (коэффициент полезного действия) по сравнению с компрессионным циклом, поэтому оно выделяет больше отработанного тепла (тепло, генерируемое элементом Пельтье или системой охлаждения) и потребляет больше энергии при той же холодопроизводительности.

Магнитное охлаждение

Магнитное охлаждение, или адиабатическая демагнетизация, – это технология охлаждения, основанная на магнитокалорическом эффекте, являющемся внутренним свойством магнитных твердых тел. В качестве хладагента часто используется парамагнитная соль, например, нитрат церия магния. Активными магнитными диполями в данном случае выступают диполи электронных оболочек парамагнитных атомов. К хладагенту прикладывается сильное магнитное поле, которое заставляет его магнитные диполи ориентироваться в одном направлении, переводя эти степени свободы хладагента в состояние с пониженной энтропией. Затем теплоотвод поглощает тепло, выделяемое хладагентом при уменьшении энтропии. После этого тепловой контакт с теплоотводом разрывается для изоляции системы, и магнитное поле выключается. Это увеличивает теплоемкость хладагента, что приводит к снижению его температуры ниже температуры теплоотвода. Поскольку лишь небольшое количество материалов проявляет необходимые свойства при комнатной температуре, область применения технологии пока ограничена криогеникой и научными исследованиями.

Другие методы

Другие методы охлаждения включают воздушный цикл, используемый в авиации; вихревую трубу, применяемую для локального охлаждения при наличии сжатого воздуха; и термоакустическое охлаждение, использующее звуковые волны в газе под давлением для переноса тепла и теплообмена; пароструйное охлаждение, популярное в начале 1930-х годов для кондиционирования больших зданий; термоэластическое охлаждение, использующее деформацию умного металлического сплава при растяжении и расслаблении. Многие тепловые двигатели цикла Стирлинга могут работать в обратном режиме, функционируя как холодильник, и поэтому находят узкое применение в криогенике. Помимо этого, существуют другие типы криокулеров, такие как охладители Гиффорда-МакМагона, охладители Джоуля-Томсона, импульсные трубчатые холодильники и, для температур от 2 мК до 500 мК, холодильники разбавления.

Эластокалорическая холодильная система

Еще одна потенциальная технология твердотельного охлаждения и относительно новая область исследований основана на особых свойствах сверхэластичных материалов. Эти материалы изменяют свою температуру при приложении механического напряжения (это явление называется эластокалорическим эффектом). Поскольку сверхэластичные материалы деформируются обратимо при больших деформациях, на их диаграмме "напряжение-деформация" наблюдается сглаженная эластичная область, вызванная фазовым переходом из аустенитной в мартензитную кристаллическую фазу. При приложении напряжения к сверхэластичному материалу в аустенитной фазе происходит экзотермический фазовый переход в мартензитную фазу, что приводит к нагреву материала. Снятие напряжения обращает процесс, возвращая материал в аустенитную фазу и поглощая тепло из окружающей среды, тем самым охлаждая его. Наиболее привлекательным аспектом этих исследований является потенциально высокая энергоэффективность и экологичность данной технологии охлаждения. Используемые материалы, как правило, сплавы с памятью формы, представляют собой нетоксичный источник охлаждения без выбросов. Наиболее часто изучаемыми материалами являются сплавы с памятью формы, такие как нитинол и CuZnAl. Нитинол является одним из наиболее перспективных сплавов, демонстрирующим выделение тепла около 66 Дж/см³ и изменение температуры в диапазоне 16–20 К. В связи с трудностями в производстве некоторых сплавов с памятью формы, изучаются альтернативные материалы, такие как натуральный каучук. Хотя каучук выделяет меньше тепла на единицу объема (12 Дж/см³), чем сплавы с памятью формы, он все же обеспечивает сопоставимое изменение температуры – около 12 К, работает в подходящем температурном диапазоне, при низких напряжениях и имеет низкую стоимость. Основная проблема, однако, заключается в потенциальных потерях энергии из-за гистерезиса, часто связанного с этим процессом. Поскольку большинство этих потерь обусловлено несовместимостью между двумя фазами, необходима точная настройка состава сплава для снижения потерь и повышения обратимости и эффективности. Баланс между деформацией при фазовом переходе и потерями энергии позволяет достичь значительного эластокалорического эффекта и, потенциально, создать новую альтернативу для охлаждения.

Врата холодильника

Метод "Frigid Gate" – это теоретическое применение использования одного логического элемента для управления холодильником наиболее энергоэффективным способом, не нарушая законы термодинамики. Он основан на том факте, что частица может находиться в двух энергетических состояниях: основном и возбужденном. Возбужденное состояние содержит немного больше энергии, чем основное, причем эта разница настолько мала, что переход между состояниями происходит с высокой вероятностью. С "Frigid Gate" связаны три компонента или типа частиц. Первый находится внутри холодильника, второй – снаружи, а третий подключен к источнику питания, который периодически нагревается, чтобы достичь состояния E и восполнить запас энергии. На этапе охлаждения внутри холодильника частица в основном состоянии (g) поглощает энергию от окружающих частиц, охлаждая их, и при этом переходит в возбужденное состояние (e). На втором этапе, на внешней стороне холодильника, где частицы также находятся в возбужденном состоянии (e), частица переходит в основное состояние (g), высвобождая энергию и нагревая внешние частицы. На третьем и заключительном этапе источник питания перемещает частицу в возбужденном состоянии (e), и когда она переходит в основное состояние (g), происходит энергетически нейтральный обмен, при котором внутренняя частица в возбужденном состоянии (e) заменяется новой частицей в основном состоянии (g), перезапуская цикл.

Пассивные системы

При сочетании пассивной системы радиационного охлаждения днем с теплоизоляцией и испарительным охлаждением, одно исследование показало увеличение мощности охлаждения окружающей среды на 300% по сравнению с автономной радиационной поверхностью. Это может продлить срок хранения продуктов питания на 40% во влажном климате и на 200% в пустынном климате без использования холодильного оборудования. Для работы испарительного слоя системы потребуется пополнение запасов воды каждые 10–30 дней во влажных регионах и каждые 4 дня в жарких и сухих регионах.

Рейтинги мощности

Холодильная мощность системы охлаждения является произведением увеличения энтальпии испарителей и массового расхода хладагента через испарители. Измеренная холодильная мощность часто выражается в киловаттах (кВт) или британских тепловых единицах в час (BTU/ч). Бытовые и коммерческие холодильники могут оцениваться в килоджоулях в секунду (кДж/с) или BTU/ч холодопроизводительности. Для коммерческих и промышленных систем охлаждения основным измерителем холодильной мощности является киловатт (кВт), за исключением Северной Америки, где используются как тонна холодопроизводительности, так и BTU/ч. Коэффициент производительности (CoP) системы охлаждения играет важную роль в определении общей эффективности системы. Он определяется как холодильная мощность в киловаттах, деленная на потребляемую мощность в киловаттах. Хотя CoP является простым показателем производительности, он обычно не используется для промышленного охлаждения в Северной Америке. Владельцы и производители этих систем обычно используют коэффициент производительности (PF). PF системы определяется как потребляемая мощность системы в лошадиных силах, деленная на ее холодильную мощность в тоннах холодопроизводительности (TR). Как CoP, так и PF могут применяться как ко всей системе, так и к ее отдельным компонентам. Например, производительность отдельного компрессора может оцениваться путем сравнения энергии, необходимой для его работы, с ожидаемой холодильной мощностью, основанной на объемном расходе хладагента на входе. Важно отметить, что значения CoP и PF для системы охлаждения определяются только при конкретных рабочих условиях, включая температуру и тепловую нагрузку. Отклонение от указанных рабочих условий может существенно изменить производительность системы. Системы кондиционирования воздуха, используемые в жилых помещениях, обычно используют показатель SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) для оценки энергоэффективности. Системы кондиционирования воздуха для коммерческого применения часто используют показатели EER (Energy Efficiency Ratio) и IEER (Integrated Energy Efficiency Ratio) для оценки эффективности использования энергии.