Холод в глобальном мире

А.В. Бараненко, д-р техн. наук, профессор,директор Института холода и биотехнологий НИУ ИТМО,президент Международной академии холода А.В. Бараненко

В апреле 2013 г. международное сообщество ученых и специалистов будет отмечать 20-летие образования Международной академии холода (МАХ). Она была создана после развала Советского Союза для объединения и координации деятельности научных и инженерно-технических работников в области техники низких температур (ТНТ) и пищевых технологий прежде всего из государств бывшего СССР.

С годами география МАХ существенно расширилась: сейчас 1643 члена МАХ являются гражданами 40 государств. В нее входят представители ведущих университетов и научных центров, крупнейших международных компаний, государственные деятели, члены Международного института холода (включая его директора господина Дидье Кулона). Коллективными членами МАХ являются 120 фирм, предприятий и организаций из различных стран.

Международное признание получил издаваемый Академией научно-теоретический журнал «Вестник Международной академии холода», входящий в перечень приоритетных периодических изданий ВАК России.

Академия, являющаяся общественным объединением, позиционирует себя как организация, решающая задачи консолидации творческого потенциала ученых, преподавателей, инженеров, предпринимателей для комплексного решения фундаментальных

и прикладных проблем производства и использования естественного и искусственного холода, обеспечения населения высококачественными пищевыми продуктами, а также разработки стратегических направлений развития техники низких температур и пищевых технологий. К 20-летнему юбилею Международной академии холода представляется интересным напомнить об основных вехах становления и распространения техники низких температур (ТНТ), дать оценку ее влияния на развитие цивилизации и перспектив развития самой низкотемпературной техники.

 

Период домашинного охлаждения

В XIX в. для целей охлаждения, прежде всего обеспечения сохранности пищевых продуктов, широко применяли естественный холод. В период положительных температур наружного воздуха в больших масштабах использовали заготавливаемый в зимнее время природный водный лед.

Крупнейшими заготовителями природного льда были Германия, Канада, Норвегия, Россия, США, Франция.

В северных странах лед первоначально использовали для обеспечения сохранности рыбы. Из ряда стран лед поставляли на экспорт. Так, поставки льда из Норвегии в Германию и Великобританию в конце XIX – начале ХХ в. составляли 200...500 тыс. т ежегодно.

С 1896 г. в США для собственных нужд и экспорта заготавливали до 4 Мт льда в год. В этой стране вместимость огромных хранилищ природного льда доходила до 600 тыс. т.

Применялись также смеси воды с различными солями, позволяющие получать температуры ниже 0°С. О применении этого способа охлаждения в Индии еще в IV в. н.э. писал арабский писатель Ибн Али Исайбия.

Первые вагоны-ледники для перевозки пищевых продуктов появились в США в 40-х годах XIX в., с 50-х годов их стали теплоизолировать, в 60-х годах для охлаждения в вагонах стали применять льдосоляную смесь. В 1900 г. в США было 50 тыс. охлаждаемых льдом вагонов, в 1913 г. их насчитывалось уже 100 тыс.

В России первый вагон-ледник для транспортировки сливочного масла из Сибири в европейскую часть страны появился в 1889 г. В 1910 г. в стране эксплуатировалось 1340, в 1918 г. – 6000 охлаждаемых вагонов.

В России с 30-х годов XIX в. ценную рыбу перевозили с промыслов замороженной в смеси дробленого льда с солью. Во второй половине XIX в. рыбу стали замораживать воздухом в камерах, стены и потолок которых охлаждались льдосоляной смесью. Температура в таких камерах понижалась до –15°С.

Хранение природного льда приводило к его большим потерям. Со второй половины XIX в. количество заготавливаемого льда перестало удовлетворять все возраставшим поставкам продовольствия. Остро встал вопрос о развитии машинного охлаждения для производства льда.

Становление искусственного охлаждения

Разработанные выдающимися мыслителями в конце XVIII – начале XIX в. научные основы искусственного охлаждения и основы термодинамики, достаточно высокий уровень машиностроения позволили создать первые образцы лабораторных и промышленных холодильных машин.

Во Франции в 1870–1885 гг. большой популярностью пользовались абсорбционные водоаммиачные холодильные машины. Первая подобная машина была создана французским предпринимателем Фердинандом Карре в 1859 г. Впоследствии они были вытеснены компрессионными холодильными машинами. Наиболее ценными были аммиачные компрессионные холодильные машины немецкого ученого и промышленника Карла фон Линде, которые стали выпускаться с 1875 г. К 1890 г. его компания произвела до 1000 машин, а на рубеже веков завод в Висбадене выпускал уже 1–2 машины ежедневно.

 

 

Искусственный водный лед применялся в разных странах для перевозки продовольствия в изотермических вагонах вплоть до 50–60-х годов прошлого века.

В Советском Союзе в 1936 г. было произведено 360 тыс. т, а в 1961 г. – 600 тыс. т искусственного льда.

Во многих странах для засыпки льда в вагоны на главных железнодорожных станциях были построены льдозаводы и автоматизированные башни для загрузки льда в вагоны. Водный лед, твердый диоксид углерода, жидкий азот применялись также для охлаждения автомобильных кузовов.

Первые упоминания о применении аммиачных холодильных машин для охлаждения вагонов относятся к 1901 г. Первые автомобильные рефрижераторы с машинным охлаждением были созданы в 40-х годах прошлого столетия. Широкое применение машинного охлаждения в железнодорожных и автомобильных транспортных средствах начинается в 50–60-е годы ХХ в. С 1990 г. для перевозки скоропортящихся продуктов стали применять рефрижераторные контейнеры.

Непрерывная пищевая холодильная цепь

В 1908 г. инженерами А. Барриером и Д.А. Раддиком было сформулировано понятие пищевой непрерывной холодильной цепи, предполагающей охлаждение сельскохозяйственного сырья, рыбопродуктов и продовольствия на всех этапах заготовки, переработки, хранения, транспортировки, реализации и потребления.

Пищевые холодильные цепи сформировались в США в середине 30-х годов, в Европе и России – в 50–60-х годах прошлого столетия. До 30-х годов XX в. водный лед был достаточно важным элементом пищевых холодильных цепей. Развитые, устойчиво функционирующие непрерывные холодильные цепи удалось создать с началом использования в холодильных машинах фреонов, появления фреоновых транспортных холодильных систем и бытовых холодильников.

Важнейший элемент непрерывной холодильной цепи – транспорт. Создание в 80-х годах XIX в. и быстрое развитие судовых холодильных машин, к которым относились аммиачные и углекислотные компрессионные и воздушные холодильные машины, позволило наладить перевозку мороженого мяса в Европу из Австралии, Новой Зеландии и Южной Америки. В конце XIX – начале ХХ в. объем перевозок возрастал достаточно быстрыми темпами.

В 1907 г. Аргентина экспортировала в Англию 425 тыс. т мороженого мяса. В 1913 г. Великобритания располагала рефрижераторным флотом в составе 230 судов грузоподъемностью 440 тыс. т мороженого мяса.

В России холодильные машины начали применяться на судах для охлаждения и замораживания рыбы на астраханских рыбных промыслах с 1888 г.

С 1970 г. осуществляется международное регулирование транспортирования охлажденных и замороженных грузов на основе заключенного международного соглашения на международный транспорт для скоропортящихся продуктов и на специальное оборудование для такого транспорта (ATP). Все международные транспортные средства проходят соответствующую сертификацию.

Сейчас в мире эксплуатируется порядка 1 млн автомобильных рефрижераторов большой грузоподъемности, 1 млн рефрижераторных контейнеров и около 1000 морских рефрижераторных судов.

Важными элементами непрерывных холодильных цепей являются холодильники-склады, торговое и бытовое холодильное оборудование. Первый холодильный склад с машинным охлаждением был построен в Бостоне (США) в 1881 г. В 1900 г. Великобритания располагала холодильниками емкостью 400 тыс. м3. В России вместимость холодильников в 1918 г. составляла 57 тыс. т единовременного хранения.

В 2012 г. общая емкость холодильников в мире достигла 460 млн м3, т.е. в среднем 66 м3 на 1000 жителей планеты. В развитых странах средний показатель емкости холодильников составляет 200 м3/1000 жителей, в развивающихся странах – около 20 м3/1000 жителей. Наибольшее значение этого показателя в США – более 300 м3/1000 жителей, в Германии и Японии – около 300 м3, в России – 110 м3/1000 жителей.

Из производимых в мире продовольственных товаров примерно третья часть требует охлаждения. Из-за слаборазвитой холодильной инфраструктуры в развивающихся странах потери продовольствия еще очень велики – порядка 380 млн т ежегодно. Бытовые холодильники являются замыкающим звеном непрерывных холодильных цепей. Они обеспечивают постоянную непосредственную доступность свежих пищевых продуктов и поэтому играют важную роль в поддержании высокого стандарта жизни.

В XIX в. применялись домашние контейнеры, охлаждаемые льдом или льдосоляной смесью. Первый бытовой льдосоляной контейнер появился в США в 1803 г.

Бытовые холодильники с машинным охлаждением начали выпускаться в первом десятилетии ХХ в. В 1910 г. их насчитывалось 1 тыс. шт. (Англия, Германия, США), в 1940 г. – 4 млн шт. (Западная Европа, США), Советский Союз – 3,5 тыс. шт.

Сейчас средняя обеспеченность бытовыми холодильниками в мире оценивается в 172 шт./1000 жителей, в развитых странах – 627 шт., в развивающихся 70 шт./ 1000 жителей. В Российской Федерации этот показатель приближается к уровню развитых стран и составляет 500–550 шт./ 1000 жителей.

На основании приведенных цифр можно сделать вывод, что сегодня в мире эксплуатируется порядка 1,2 млрд бытовых холодильных приборов. Бытовые холодильные приборы постоянно совершенствуются по энергопотреблению, поддержанию заданных температур и обеспечению сохранности пищевых продуктов. Современные бытовые холодильники могут работать автономно 20–25 лет без какого-либо вмешательства человека.

Холодильные технологии

Можно назвать еще много знаковых событий и дат в истории становления и развития холодильных технологий:

  • 1851 г. – открыта первая фабрика мороженого в Балтиморе, США.
  • 1900 г. – первый выпуск эскимо, США.
  • 1903 г. – США – первый фризер непрерывного действия для приготовления мороженого.
  • 1911–1912 гг. – заморозка рыбы погружением в холодный рассол (Дания).
  • 1924 г. – промышленное производство «сухого льда» (твердого диоксида углерода) в Канаде.
  • 1929–1930 гг. – создание скороморозильных аппаратов.
  • 1930-е гг. – первые рефрижераторные суда, оборудованные скороморозильными аппаратами для заморозки рыбы.
  • 1934 г. – заморозка хлеба (США).

В последней четверти XIX в. появились первые катки с искусственным ледяным покрытием: в 1876 г. в Челси (Великобритания) и в 1879 г. в Нью-Йорке (США). Первый постоянно действующий искусственный каток был создан в Вене в 1908 г.

В 50-х годах ХХ в. начали выпускаться холодильные машины для производства искусственного снега: 1948 г. (Канада) – начало исследований, 1950 г. (США) – первый патент на снеговую машину. В 1990 г. была создана полностью автоматизированная холодильная машина для производства искусственного снега. Современные снеговые пушки разбрасывают снег на расстояние до 80 м.

Профессиональные форумы и объединения

Осознание учеными, предпринимателями, государственными и общественными деятелями того времени значения холода для человечества привело к созданию общественных форумов и организаций, призванных консолидировать усилия специалистов с целью развития холодильных техники и технологий.

Состоявшийся в октябре 1908 г. 1-й Международный конгресс по холоду, проходивший в Сорбоне во Франции, определил искусственное охлаждение как динамично развивающуюся индустрию, базирующуюся на достижениях науки и технологий.

С этого времени состоялись 23 Международных конгресса по холоду, которые стали важными событиями для ученых и специалистов. Научное наследие каждого из них внесло значительный вклад в развитие техники низких температур. О масштабности этих мероприятий свидетельствует тот факт, что, например, на последний конгресс в Праге было представлено 850 докладов, число участников конгресса составило более 1000 человек.

О выдающейся роли холода в современной жизни говорят девизы, под которыми проходили последние конгрессы: 22-й конгресс в Пекине в 2007 г. – «Холод создает будущее» и 23-й в Праге в 2011 г. – «Роль холода в устойчивом развитии».

В январе 1909 г. была создана Международная ассоциация по холоду, которую в июне 1920 г. преобразовали в Международный институт холода (МИХ). Сейчас МИХ является независимой межправительственной организацией, в которую входит 61 страна мирового сообщества. В его составе 500 экспертов по технике и технологиям низких температур и 600 коллективных и индивидуальных членов.

Холодильные машины и тепловые насосы

Холодильные машины и холодильное оборудование за более чем столетний период претерпели значительную эволюцию.

Первые годы ХХ в. ознаменовались началом эры масштабного промышленного применения машинного охлаждения в мировой экономике, в первую очередь в пищевой промышленности и для сохранности продовольствия. Это вело к улучшению питания населения, повышению качества жизни и, как следствие, увеличению продолжительности жизни людей и темпов роста народонаселения планеты.

В определенных диапазонах производительностей на смену поршневым компрессорам пришли винтовые и спиральные компрессоры, наряду с кожухотрубными теплообменными аппаратами применяются пластинчатые и микроканальные теплообменники.

Тепловые насосы (ТН) получили промышленное применение с 30-х годов прошлого столетия. В 1946 г. в США было построено первое здание с низким потреблением энергии благодаря применению ТН.

ТН в настоящее время выделены в отдельную область низкопотенциальной энергетики, в Европе они отнесены к оборудованию, потребляющему возобновляемые источники энергии. В 2000-х годах продажи тепловых ТН в мире достигли достаточно больших объемов.

Хладагенты

В начальный период машинного охлаждения в качестве хладагентов использовались преимущественно природные вещества, с 30-х годов ХХ в. распространение получили синтетические хладагенты – хлорфторбромзамещенные углеводороды (фреоны), применение которых обеспечило существенное развитие ТНТ. В силу выявившегося негативного воздействия многих фреонов на окружающую среду, заключающегося в разрушении озонового слоя Земли и создании парникового эффекта в атмосфере, после принятия Монреальского (1987 г.) и Киотского протоколов (1997 г.) идет обратный переход на природные хладагенты и активный поиск хладагентов с минимальной степенью воздействия на окружающую среду.

Области применения ТНТ в современном мире

Востребованность техники низких температур определили ее бурный рост и развитие в ХХ – начале ХХ1 в. Сейчас ТНТ является неотъемлемой частью обеспечения качества жизни населения планеты, применяется во многих промышленных технологиях и многих областях жизнедеятельности. Прежде всего это обеспечение продовольствием и создание комфортных условий проживания. ТНТ применяется также в энергетике, производстве и использовании технических и редких газов, новых видах транспорта, замораживании грунтов при строительстве, в электронике, космосе и космической связи, археологии, спорте и досуге людей, медицине и биологии, защите среды обитания, в выполнении фундаментальных и прикладных исследований.

Каждое из названных направлений из далеко не полного перечня представляет собой отдельную большую область научных исследований, имеет свою историю и развивается на основе фундаментальных работ многочисленных научных центров различных государств.

Тренды развития ТНТ

Основные тренды развития низкотемпературной техники хорошо известны. К ним относятся: повышение энергетической эффективности и надежности, снижение размеров и массы оборудования, уменьшение заправки хладагентом, сокращение воздействия на среду обитания или повышение экологической безопасности, обеспечение автономной работы и т.д.

На сегодняшний день для ТНТ наиболее актуальны энергетическая эффективность и экологическая безопасность. По прогнозу МИХ, основанному на ряде исследований, в перспективе снижение удельного энергопотребления низкотемпературной техники может составить 30 %. С учетом того, что сейчас она потребляет 15 % вырабатываемой в мире электроэнергии, это высвободит в мировой экономике огромные энергетические мощности.

Снижение энергопотребления холодильными системами будет осуществляться путем дальнейшего совершенствования автоматизации и регулирования; применением эффективных компрессоров и теплообменных аппаратов, а также новых хладагентов и хладоносителей; разработкой специальных экономичных циклов для винтовых и спиральных компрессоров; разработкой и реализацией систем высокого давления и использованием систем низкого давления. Эффект обеспечит также более широкое применение аккумуляторов холода и тепла.

Высокая энергоэффективность низкотемпературной техники является элементом экологической безопасности, которая обеспечивается также сокращением утечек хладагентов, уменьшением заправки хладагентов в систему, применением хладагентов с низкими или нулевыми потенциалами разрушения озонового слоя и глобального потепления.

Программы реализации Монреальского и Киотского протоколов по выводу из обращения озоноразрушающих и парниковых веществ различными государствами изложены в многочисленных публикациях. В ближайшем будущем, по всей видимости, R404A будет заменен на R410А, у которого потенциал глобального потепления меньше примерно в 2 раза, больше удельная теплота парообразования и на 40 % меньше удельный объем пара.

Будет и дальше постепенно осуществляться перевод ТНТ на природные хладагенты. Диоксид углерода получит дальнейшее распространение в тепловых насосах, автомобильных кондиционерах, промышленных холодильных системах, холодильных установках супермаркетов. Аммиак еще шире будет применяться в промышленных холодильных системах непосредственного охлаждения и системах с промежуточным хладоносителем, включая охладители жидкостей в системах кондиционирования воздуха.

Углеводороды сейчас уже широко применяются в бытовых холодильных приборах. Они могут найти применение также в холодильных системах супермаркетов, охладителях воды, тепловых насосах небольшой мощности. Для их более широкого распространения необходимо развивать системы безопасной эксплуатации, особенно для установок большой холодопроизводительности.

Постоянно выполняются исследования по поиску новых хладоносителей для холодильных систем с косвенным охлаждением. Перспективны двухфазные хладоносители «айс-сларри»: удельный теплосъем с них в 5–10 раз превышает теплосъем с однофазных хладоносителей, выше интенсивность теплообмена, есть возможность аккумулировать холод при снижении нагрузки. Все это сокращает расход электроэнергии на перекачку хладоносителя и уменьшает размеры систем его распределения.

Будущее за ТНТ

Закономерности развития, формирование технологических укладов более высокого уровня обусловливают распространение техники охлаждения для новых технологий и областей жизнедеятельности. Число типов и конструкций охладителей будет увеличиваться, задействованные холодильные мощности будут возрастать.

По разным оценкам, к 2050 г. численность людей на Земле составит 9,5–11,5 млрд человек. Рост народонаселения планеты, увеличение потребления, подъем экономик развивающихся стран приведут к существенному росту мировой холодильной индустрии и повышению ее роли в сельском хозяйстве, рыбной отрасли и пищевой промышленности. Поэтому потенциал развития холодильной индустрии и климатической техники достаточно большой.

Получат дальнейшее распространение тепловые насосы. Не исчерпали своих возможностей теплоиспользующие холодильные машины. Применение в абсорбционных бромистолитиевых холодильных машинах подсоленной воды в качестве хладагента позволит получать отрицательные температуры охлаждения (–2...–4°С), что существенно расширит область применения этих машин.

Перспективны для использования твердотельные охладители, а также акустические холодильные машины. По мере создания новых материалов и развития технологий они будут становиться более эффективными и дешевыми, появятся возможности создания конкурентоспособных машин этих типов большей мощности, что расширит области их практического применения.

Рынок холодильной индустрии, климатической техники и тепловых насосов в нашей стране также имеет перспективы развития.

Как отмечалось ранее, в случае успешной реализации Доктрины продовольственной безопасности страны к 2020 г. холодильные мощности, задействованные в сельском хозяйстве, рыбопромышленной отрасли, пищевой промышленности, должны удвоиться по отношению к уровню 2008–2010 гг. В России растет рынок быстрозамороженных продуктов.

К сожалению, доля отечественного холодильного оборудования на рынке страны крайне мала. Агрегатирование промышленных холодильных машин, выпуск торговой и бытовой холодильной техники осуществляются во многом на базе импортных комплектующих. Мы, по существу, превратились в страну, эксплуатирующую иностранную холодильную и климатическую технику. Это привело к сокращению научного и инженерного потенциалов страны в этой области деятельности. Без серьезной государственной поддержки возродить отечественное конкурентоспособное холодильное машиностроение весьма сложно. С учетом стратегического характера продовольственных ресурсов, а также необходимости развития наукоемких технологий и производств, которые не могут обойтись без искусственного холода, государство должно заниматься этими вопросами.

Задача специалистов и ученых отрасли – найти взаимопонимание и установить действенный диалог с властными структурами для создания и реализации программы реанимации российского холодильного машиностроения и развития холодильной отрасли на его основе.

 

Источник: holodunion.ru

 

Внимание опрос!

Какую марку автоматики вы предпочитаете?
 

Нужен сайт?

Кликай!
Баннер