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技术历史、技术、我们身边的事物
冰箱。 发明和生产的历史
冰箱——在绝热室内保持低温的装置。 它通常用于存放食物或需要存放在阴凉处的物品。 冰箱的运行是基于制冷机的使用，将热量从冰箱的工作腔传递到外部，在那里散发到外部环境中。 还有制冷量更大的商用冷柜，用于餐饮场所和商店，还有工业冷柜，工作腔容积可达数十、数百立方米，例如用于肉类加工厂，工业生产。
在北方，从远古时代开始，永久冻土就一直被使用到今天，用于冷冻和储存肉类、鱼类、脂肪和其他产品。 在没有永久冻土的地方，冰在冬天被收集并储存到夏天，在地面、洞穴或堆上挖的洞里，上面覆盖着泥土。 在既无冰也无雪的炎热国家，获得和保持寒冷更加困难。 它们只能在高海拔的山区中找到。 尽管距离很远——数百公里，冰还是送到了消费者手中。 波斯战役期间（公元前 330 年），在围攻佩特拉城期间，亚历山大大帝下令用雪建造 30 个地窖，其中存放冰镇葡萄酒供他的士兵使用。 在古罗马，从阿尔卑斯山运来的冰雪被广泛使用。 尼禄皇帝下令将器皿放在雪中以冷却开水。 普通的罗马人只是简单地把饮料和雪混合在一起。 统治于三世纪的罗马皇帝赫利奥加巴卢斯 (Heliogabalus)。 名词即，命令在他的花园里倾倒大山的雪，以便风在炎热的天气里带来凉爽。 因此，Heliogabal 是第一个将空调付诸实践的人。 1500 多年后，他们又回到了这个想法——在 XNUMX 世纪，但仅限于室内。 在中世纪，尽管困难重重，使用冰块进行长距离运输还是很流行。 XNUMX世纪的哈里发马赫迪组织定期用骆驼从黎巴嫩和亚美尼亚山区运送冰块到麦加。 他的一位继承人通过在双层墙之间放置冰块来为他的住所降温。 为了减少冰雪在运输过程中融化造成的损失，阿拉伯人想出了一种特殊的双层箱子：箱子的两壁之间用毛毡填满。 事实上，这些是第一批低温隔热样品。 许多世纪以来，天然冰仍然是所有可能建立其储备的国家在温暖季节取暖的基础。 尽管随后发展了冷却设施，但冰即使到现在也没有失去其重要性。
在十九世纪初。 来自美国马里兰州的工程师托马斯·摩尔亲手打造了一个厨房冰柜原型。 托马斯摩尔参与了向华盛顿供应黄油。 没有专门的运输工具，石油必须新鲜运到首都。 然后摩尔用薄钢板为他的货物建造了一个容器，用兔皮包裹并将它放在一个雪松木板桶中。 他在上面倒了冰。 他称他的发明为“冰箱”，并向专利局提交了申请。 在十九世纪下半叶。 在美国、欧洲和澳大利亚的许多家庭中，家庭冰川看起来像厨柜。 用作隔热材料的不再是毛皮，而是软木和木屑。 食物室上方或下方有一个冰室。 融化的水通过水龙头排入盘中。 问题是冰的融化温度是 XNUMX°C。 对于大多数产品的存储，尤其是易腐烂的产品，这还不够。 使用古老的配方，将盐添加到冰中。 冰的消耗量显着增加。 它必须每周几次被填入家庭冰川。 现在由于现代制冷技术的激烈竞争，天然冰的使用几乎消失了。 然而，在冬季有大量冰的国家，这项古老的技术仍然存在，甚至还在不断扩大，因为天然冰的提取、储存和使用成本更低，最重要的是对环境友好。 与“被动”方向并行的是，一种新的“主动”获取寒冷的方向诞生了。 从第一个成功的解决方案开始，经过漫长的演变，现代低温技术诞生了。 远距离供应冰雪太昂贵，只有极少数有钱人才能获得。 更重要的是，尤其是在热带国家，需要本地生产的低成本冷冻水。 为此，由于没有外部冷却的被动冷却方法是不合适的。 需要另一种主动降温方法——不使用雪或冰。 他被发明了。 他的想法是让水自己冷却。 早在公元前 2500 年，古埃及人就已经这样做了。 e. 当时幸存的壁画描绘了奴隶用大扇子扇动饮用水罐。 如果为此使用普通水壶，则不可能获得比周围空气还冷的水。 然而，容器是多孔的。 一部分水从气孔中渗出，蒸发到罐子表面，冷却罐子。 用干燥的空气吹会加速这个过程。 结果，留在容器中的水冷却到低于初始温度。 显然，这种方法是由日常经验提示的：身体湿润的表面在风中冷却。 在印度直到 XNUMX 世纪。 使用了蒸发冷却，但与另一种工艺相结合，使其效率更高。 形状像大煎锅的扁平陶瓷开口容器装满水，放在铺在地下浅沟底部的草席上。 到了晚上，天空晴朗，扁平容器中的水冷却得如此之快，以至于有时会覆盖一层冰壳。 部分冷却是由于水的蒸发，但主要原因是水表面的热辐射。 比蒸发冷却稍晚，发明了另一种冷却方法 - 通过混合，更准确地说，它可以称为溶解。 印度手稿 Pankatantram 中首次简要提及了它背后的发现。 它说：“水在加入盐时会冷却。” 据此获得冰的方法在XNUMX世纪由阿拉伯作家伊本-阿比-乌萨比亚描述过。 到 1550 世纪在欧洲，将硝石溶解在水中来冷却饮料已经广为人知。 特别是，厨房中划船的奴隶以这种方式获得冷却水。 1589 年，西班牙医生 Blasius Villafranca 甚至出版了一部专门的科学著作。 这是第一本已知的制冷实用指南。 它的名称包含“Methodus refrigerandi”（冷却方法）字样。 尤其在那里，据说这种冷却水和酒的方法在家庭中广为人知和使用。 很快采取了下一步：发现将硝石与雪混合可以显着降低温度。 那不勒斯巴蒂斯托港口“Madia Naturalis”（1607 年）的作品首次描述了这种方法。 那不勒斯医生 Latinus Tancredus 于 XNUMX 年写下了放置在这种混合物中的容器中水的快速冻结。 冷却混合物随后在低温物理和技术领域的研究发展中发挥了重要作用。 事实上，他们直到十九世纪中叶。 仍然是实验工作中的主要冷却方式。 谈到制冷技术的发展，有必要记住人们是如何学会如何获得人造冰的。 关于完全由水人工制冰的历史上第一个可靠的信息可以追溯到 1775 年，当时 V. Güllen 从玻璃盖下抽出蒸汽，玻璃盖内有一个装有水的容器，在后者中加入冰。 在十八世纪。 发现了两种不同的获得低温的方法——首先用于冷冻水，然后用于通用制冷机。 第一个与液体的蒸发有关，第二个与空气的膨胀有关，并伴随着外部热量的产生。 起初，这两种方法相互独立发展。 直到 60 世纪 XNUMX 年代左右，制冷机才开始大规模生产并用于各种用途。 关于首次尝试制造以压缩空气运行的空气制冷机的信息，仅保留了零星信息。 因此，在 1755 年，位于开姆尼茨（奥匈帝国）的德国 Hoel 由于其扩张而获得了冷空气。 1771 年，梅克伦堡人威尔克在瑞典进行了大致相同的研究。 同时，正在研究膨胀过程中空气和其他气体的冷却。 Erasmus Darwin（查尔斯·达尔文的祖父）、D. Dalton 和 Gay-Lussac 处理了这个问题。 最后，在 1824 年，Sadi Carnot 引入了反向（制冷）气体循环的概念。 1834 年 D. Herschel 继续研究这个问题，然后在 50 世纪 60-XNUMX 年代由 W. Siemens 和 A. Kirk 继续研究。 同时，冷风机运行模型的创建工作继续进行，并达到了可以付诸实践的水平。 有证据表明，蒸汽机的发明者是英国人 R. Trevithick，在 20 世纪 XNUMX 年代后期。 制造了几种设计用于冷却水并将其变成冰的机器模型。 它们的工作原理是将压缩后冷却至环境温度的空气释放到水中，并在水中膨胀，冷却直至释放出冰。 然而，事情并没有超出实验的范围。 第一个运行的制冷装置是由美国医生 J. Gorry 创建的。 他在佛罗里达州阿巴拉契科拉市当过医生。 该地区炎热的气候促使高瑞开始从事制冷业务。 看着病人在医院里受热，他想着如何帮助他们。 冰本来可以在房间里创造一个完全不同的气候，但没有。 Gorry 决定设计一种制冷机，可以为此目的生产足够的冰。 1845 年他成功了。 Gorry 模型仍在美国专利局。 “制冰”机由一个直径约为 200 毫米的气缸组成，其中的空气通过活塞压缩至 0,2 兆帕。 压缩过程中产生的热量通过注入水带走。 压缩空气进入一个圆柱形水平接收器，该接收器也被流经放置在内部的管道中的水冷却。 随着活塞式膨胀机中空气的随后膨胀，盐水被注入其汽缸中，汽缸随后被膨胀的空气冷却。 它被用来制冰。 这台机器工作正常，戈里想把他的发明提供给任何需要它的人。 1851 年 XNUMX 月，他的机器获得了专利。 专利申请表明，戈里通过用盐水浸泡代替盐水注射来改进他的机器。 从现代的角度来看，机器的布局几乎完美无缺。 该机器中的压缩机和膨胀机在结构上不完善，但当时几乎没有制造空气压缩机的经验，更不用说膨胀机-膨胀机了。 可以只使用从创造蒸汽机的经验中获得的想法和结构元素。 尽管如此，既没有接受过工程教育也没有实践的戈里设法开发了这些机器，并在此基础上创建了一个功能齐全的单元。 被同时代人误解并因一连串的失败而沮丧，戈里病倒了，享年 52 岁。 他的计划没有实现。 同胞们最终赞赏了他的功绩：在戈里去世44年后，生产制冷机的公司在他工作的城市竖起了一座纪念碑。 在华盛顿州议会大厦纪念堂（“名人堂”），每个州都为最杰出的公民竖立了一座纪念碑，佛罗里达州的代表是戈里。 Gorry 的想法成为进一步开发冰箱的基础。 1857 年，搬到英国的德国技术员 W. 西门子 (W. Siemens) 发表了一部著作，他在著作中批判性地检查了戈里的机器。 在赞扬优点的同时，西门子也注意到了缺点。 但是，在批评的同时，他也在寻找消除这些缺点的方法。 西门子指出，离开膨胀机气缸并用于冷却盐水的空气如果像 Gorry 那样直接送入水中，则冷却不够。 他建议不要释放这些空气，而是将其导入一个特殊的热交换器，与进入膨胀机的压缩空气逆流。 这个提议被他申请了专利。 热回收的发现带来了一场真正的革命，随后不仅在低温技术，而且在许多能源领域得到广泛应用。 另一项成就是苏格兰工程师 A. Kirk 的空气机器。 它已经非常适合工业用途，它的许多样品被用于各种需要低温的设备。 Kirk 的制冷装置与他的前任机器的不同之处主要在于它使用热回收在封闭循环中工作。 一部分空气不断在其中循环。 该专利中概述的热回收理念提供了巨大的好处。 排出的冷空气保持了足够低的温度，不会无用地排出，而是返回系统，用于预冷送往膨胀机的压缩空气。 在这种情况下，进入膨胀机的空气温度较低，出口处的温度也会降低。 因此，以相同的成本，获得更多的冷却。 本质上，蓄热式换热技术引入后，最终安装了“三柱”，所有经典的低温设备都立在其上：膨胀机（或节流阀）、蓄热式换热器和压缩机。 苏格兰牧师 R. Stirling 首次将热回收引入技术，当时他在 1816 年制造了空气热机并获得了专利。 空气在其中通过一个容器干燥，浓硫酸在排放管线中被置换。 在压缩机中，空气中的水分被酸吸收。 在未来，仅需要酸来去除通过通信泄漏从外部空气中带来的水分。 除了切换到封闭过程外，柯克还引入了另一个新奇之处：热回收发生在他的装置中，而不是在交换器中，在交换器中，两种气流相互移动（逆流热交换器），而是在再生器中。 这是一根管子，里面装满了金属屑或小石头碎片，空气可以自由通过。 当暖空气通过再生器时，喷嘴被加热。 然后关闭暖风，冷风沿相反方向通过，冷却喷嘴，加热自身。 然后暖空气再次通过，冷却，加热喷嘴等。结果，就像在热交换器中一样，热量从暖流转移到冷流，但不是通过壁，而是通过喷嘴。 蓄热器在设计上比热交换器更简单，并且每单位体积可以比热交换器传递更多的热量。 柯克所做的改进取得了远超其前任的成就。 首先，他确定了膨胀机出口处的温度为-13℃，然后经过精炼，他甚至成功地将水银冻结。 这意味着首次有可能在冷却器中实现低于 -40 °C 的连续温度。 值得注意的是，柯克已经超越了纯粹的认知思维，他的机器可以在-3到-40°C的相当广泛的低温范围内产生冷量。 当时的汽车每小时需要 1,5 至 1,75 公斤的燃料（煤）和相当于马力的功率。 如果我们记得当时没有发电厂和电网，那么计算煤炭而不是电力是很容易理解的。 每个制冷装置都有自己独立的蒸汽机驱动装置，代表一个由两台机器组成的装置：制冷机和蒸汽机。 柯克制冷机相对较低的效率明显高于启动它的蒸汽机。 未来，柯克开发了其他更先进的汽车版本。 如果在 Kirk 的第一台机器中气压只有 0,2 MPa，那么在新机器中它已经达到 0,6-0,8 MPa。 1864 年，Young、Meldrum 和 Winnie 黄油厂安装了第一批新改型的大型机器之一。 她日以继夜地工作了 10 年，每 1-2 个月只停下来维修 6-8 天。 Kirk 生产的机器数量很少，但它们不仅在制冷技术的发展中发挥了重要作用，而且在制冷技术的分布中也发挥了重要作用。 空气冷却机由美国人 L. Allen 和德国人 F. Windhausen 进一步改进。 因此，到 60 世纪 XNUMX 年代。 空气制冷机组的方案已经完全开发。 到 70 世纪 1877 年代。 空气冷却器非常普遍。 P. Gifford 在 1880 年的巴黎展览会上展示了这样一台机器。从 XNUMX 年开始，它们开始在英国生产，广泛用于运输冰鲜鱼。 更完美的是 J. Goleman 开发的机器。 它以其精心开发的设计和更高的操作安全性而与众不同，并在当时被广泛使用。 在戈尔曼的机器中，第一次使用蒸汽机蒸汽管道上的节流阀和安装在冷藏室中的恒温器进行调节。 该机器采用逆流再生热过程，其中从制冷室返回的空气冷却压缩机中压缩并进入膨胀机的空气。 这些机器已经相当大了，它们的功率达到了 221 千瓦。 许多英国公司在未来生产了这些机器。 尽管如此，十九世纪 70-80 年代的空气制冷机组。 几乎完全离开了舞台。 蒸汽压缩制冷机的想法本质上起源于当水在钟罩下首先被冷却同时空气被抽出时。 然而，这样的机器还很遥远，因为只进行了一次而不是连续的冷却。 但与此同时，在低压下去除大量水蒸气造成了困难。 为了减少它，他们甚至诉诸于这样一个事实，即他们开始使用硫酸吸收水蒸气来代替机械泵。 T. Cavallo 于 1781 年首先对 A. Mare 在 1813 年对水和低沸点液体蒸发过程中的冷量产生进行了系统研究。 1805 年，O. Evans 发表了对“冷却液体”机器的描述，其中建议为此目的使用乙醇的蒸发。 他描述的想法几乎包括制冷机的所有基本重要过程：乙醚在低压（真空）下的蒸发，通过泵（即压缩机）将蒸汽泵入另一个容器，以及用冷水冷凝蒸汽水，从中带走热量。 这里只缺少一个重要元素，它可以关闭循环并将液态乙醚返回容器，在那里它可以蒸发、冷却或冻结水。 为此，只有一种方法——让以太在闭路中循环。 这个起初没有希望的想法也包含了一个合理的纹理，后来产生了吸收式制冷机。 最早研究这条道路并为运用这一思想准备好一切条件的是英国人J.珀金斯。 1834 年 XNUMX 月，珀金斯获得了“用于生产冷液和冷却液的装置”的专利。 在专利中，他提出将蒸发的物质收集起来，然后用气泵（压缩机）压缩，然后再次冷凝冷，即进行一个完整的循环，不断得到等量的挥发性乙醚。 珀金斯并没有局限于描述这个想法，而是进行了工程开发。 待冷却的液体包含在绝热容器中。 罐中装有低沸点蒸发物质（Perkins 推荐使用乙醚作为此类物质，因为它便宜且蒸气压低）。 蒸汽通过管道进入蒸汽泵（即压缩机），压缩后通过管道输送到放置在冷水浴中的冷凝器（浸入式冷凝器）。 在这里，压力接近大气压的蒸汽冷凝，液体通过节流阀返回蒸发器。 在这里，蒸汽压缩制冷设备的所有部件都得到了充分的提供。 如果空气从系统中完全排出，它就能正常工作。 珀金斯不必看到他的车是“金属的”。 根据他的想法，一台相当不完美的实验机器是在他死后创造出来的。 她的设备完全重复了珀金斯的草图，但手动泵被机械压缩机取代。 蒸发器以两个相连的半球的形式制成。 冷冻水放在上面，蒸发的制冷剂放在墙壁之间的空间。 A. Twinning实际执行了Perkins的想法。 1848年起，他开始使用乙醚作为制冷剂。 1850 年，他获得了一项英国专利，然后又获得了一项美国专利。 一台这样的机器在克利夫兰工作，每小时生产 50 公斤冰。 英国人J.加里森在蒸汽制冷机的研制上取得了巨大的成功。 1837 年，他移居澳大利亚，并于 1850 年开始从事感冒治疗。 当时对从澳大利亚出口到英国的冷冻肉类有着巨大的需求。 在 1856-1857 年。 Garrison 获得了两项使用乙醚作为制冷剂的机器的英国专利。 那时，他已经在考虑使用其他工作物质的可能性，尤其是氨。 1875 年，加里森访问了伦敦，在那里他与法拉第和廷德尔讨论了冷却问题。 建立制冷机生产后，Harrison 开始直接冷冻出口到英国的肉类。 然而，起初他试图在静止条件下冷冻岸上的肉。 1873 年，他在墨尔本进行了一项实验，用他的机器冷冻肉类、鱼类和家禽的尸体。 6个月后进行了检查和质量控制。 1873年实验成功完成后，哈里森决定进行大规模实验。 他将 20 吨羊肉和牛肉装上诺福克号船，配备了他的冷藏装置，将货物冷冻在船上，然后船启程前往英国。 然而，哈里森失败了：在途中，汽车抛锚了，到达伦敦后，带来的肉没有买家。 哈里森遭受了损失，被迫离开商业活动，转而从事科学工作。 他于 1893 年去世。Garrison 的以太动力机器在伦敦继续生产了好几年。 1857 年，法国人 F. Kare 独立于 Garrison，开发了蒸汽制冷机，不仅可以使用乙醚，还可以使用二氧化硫。 根据该专利建造的其中一个工厂安装在法国南部的一家盐厂，用于从海水中生产硫酸钠（芒硝）。 此外，Kare 还想出了一种通过吸收氨来获得人造冷气的方法。 这是一种巧妙的方法，然而，四十年来一直被人遗忘。 在二十世纪初。 P. Wortman 的公司出现在莫斯科。 这位商人向莫斯科人提供了一个名为“爱斯基摩人”的巨大单位，它使用了费尔南德卡雷的原则。 它沉默而多才多艺。 木柴、煤炭、酒精、煤油都可以作为它的燃料。 对于一个工作周期，“爱斯基摩人”冻结了 12 公斤的冰。 这种制冰机只能由使用冰块的富有买家或企业家提供，例如，用于销售冰淇淋、糖果、肉类、鱼类、啤酒和其他产品。 K. von Linde 在获得家用和工业冷气方面发挥了重要作用。 他发明了一种液化气体的工业方法。 1879 年，冯·林德发明了一台以氨为动力的压缩机的制冷机。 多亏了她，冰的生产才开始大规模进行。 林德冷水机安装在屠宰场和食品厂。 他们配备了货车、河船和海船。 后来，林德的缩小机成为了家用冰箱的心脏。 在林德的发明中，冷盐水或氨水通过广泛的管道系统循环，冷却食品室。 出现了大型商业和工业冷藏库。 1893年，美国人以利亚汤姆森为压缩式冰箱配备了电驱动装置。 但是这样的设备远非完美。 它有传动带，发出很大的噪音。 由于气体泄漏 - 氨气或二氧化硫 - 房间里有难闻的气味。 冰箱通常放置在地下室，以消除噪音和恶臭。 丹麦工程师 Steenstrup 可以被认为是现代冰箱之父。 1926 年，他用密封盖盖住了压缩机及其电动机。 这使得家用冰箱静音、无害且经久耐用。 Steenstrup 装置的专利被通用电气公司收购。 现在必须找到另一种寒冷的载体以去除氨和二氧化硫。 它们被氟利昂取代，由比利时斯沃特人发现和研究。 在液态下，氟利昂的沸点为 - 32,8 °C，具有化学惰性且无毒。
现在每户人家或公寓里都有冰箱。 他们已经很熟悉了，他们的主人不太可能知道成千上万致力于开发普通家用电器的发明家和工程师的工作。 作者：Pristinsky V.L.
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