Холодильник Энштейна и Сциларда

Примечательно, что в подавляющем большинстве биографических очерков об Эйнштейне упускается из виду тот факт, что знаменитый теоретик был обладателем двух десятков патентов на различные технические разработки. При этом значительная часть этих патентов прямо или косвенно связана с холодильной техникой, а именно с бытовыми холодильниками.

В 1926 году Альберт Эйнштейн случайно наткнулся в прессе на статью о трагическом случае: семья с детьми отравилась ядовитыми испарениями, проникшими в помещение из неисправного холодильника. Важно отметить, что в эпоху Эйнштейна в холодильных агрегатах применялись опасные вещества, такие как диоксид серы, метилхлорид и аммиак. Эта трагедия настолько потрясла ученого, что он незамедлительно приступил к созданию более безопасной конструкции холодильника.

Эйнштейн поставил перед собой цель разработать не только максимально безопасный, но и самый доступный по цене холодильник из всех представленных на рынке на тот момент. Будущий автор теории относительности заручился финансовой поддержкой компаний AEG и Electrolux и пригласил в качестве ассистента своего бывшего ученика, талантливого ученого Лео Сциларда, которому впоследствии суждено было сыграть важную роль в создании первого ядерного реактора.

Эйнштейн и Сцилард исходили из того, что отсутствие движущихся деталей в конструкции устранит риск разгерметизации, и занялись исследованием возможностей применения различных холодильных циклов.

Описать принцип работы разработанного ими абсорбционного холодильника в словесной форме довольно сложно, поэтому целесообразнее подробно рассмотреть хотя бы один из четырех вариантов, представленных в патентной документации.

Принципиальная схема абсорбционной холодильной установки Эйнштейна-Сциларда:

В данном холодильнике в качестве хладагента используется метилбромид или бутан (для конкретики далее речь пойдет о метилбромиде), в роли абсорбента выступает вода, а вспомогательным газом, выравнивающим давление, служит аммиак.

На схеме:

1 – испаритель, размещенный внутри охлаждаемой камеры и отводящий тепло посредством испарения хладагента – метилбромида 2.

По трубке 3 в испаритель подается газообразный аммиак, поток которого рассеивается перфорированной насадкой 4 на множество мелких пузырьков.

Из испарителя газообразная смесь метилбромида и аммиака по трубке 5 поступает в конденсатор-абсорбер 6, куда из трубки 7 непрерывно капает вода. Предпочтительно, чтобы вода стекала вблизи стенки, окруженной рубашкой охлаждения 8, по которой циркулирует достаточно холодная вода, например водопроводная.

Вода, поступающая из трубки 7, активно поглощает аммиак, что приводит к снижению его парциального давления. Поскольку общее давление газовой смеси остается неизменным, парциальное давление паров метилбромида резко возрастает.

Это давление, особенно вблизи стенок конденсатора-абсорбера 6, становится выше давления насыщенного пара, что приводит к одновременной конденсации метилбромида и поглощению аммиака водой. Скорость конденсации напрямую зависит от эффективности отвода тепла, выделяющегося при сжижении метилбромида, посредством охлаждающей рубашки 8.

Жидкий метилбромид 9, как более тяжелый, скапливается в нижней части, а водоаммиачный раствор 10 поднимается вверх. По трубке 11 жидкий метилбромид снова возвращается в испаритель 2. Таким образом, обеспечивается быстрая циркуляция метилбромида между испарителем и конденсатором-абсорбером, что позволяет устройству эффективно отводить тепло из холодильной камеры. Трубка 12 представляет собой термосифон. При нагревании в жидкости левого колена образуются аммиачные пузырьки, жидкость становится легче, и давление столба холодного раствора в правом колене "загоняет" ее в приподнятый бачок 13. Небольшое количество газообразного аммиака, выделившегося в виде пузырьков, по трубке 14 возвращается в конденсатор-абсорбер 6.

В генераторе 15 из крепкого водоаммиачного раствора, поступающего по трубке 16, выпаривается аммиак. Общее давление в бачке 13 такое же, как в конденсаторе-абсорбере 6 и испарителе 1, а давление над уровнем жидкости в генераторе выше на величину давления столба жидкости в трубке 16. Поэтому газообразный аммиак вытесняется из генератора по трубке 3 в испаритель 1 под уровень жидкого метилбромида, если гидростатическое давление h1 > h2. Вследствие этого же избыточного давления обедненная аммиаком вода вытесняется из генератора 15 по трубке 7 в конденсатор-абсорбер 6. Чтобы этот переток не был слишком интенсивным, на устье этой трубки надет пористый колпачок 17, через который жидкость проходит с некоторым гидравлическим сопротивлением, а газ не проходит вследствие капиллярных сил при падении уровня жидкости.

В данном описании автор опирался на английский патент № 282428 «Усовершенствование, касающееся холодильного аппарата», выданный Эйнштейну и Сциларду 15 ноября 1928 года. В Соединенных Штатах права на это изобретение приобрело американское отделение шведской фирмы "Elektrolux", которое получило там 11 ноября 1930 года патент № 1781591. Передача прав на изобретение ведущей компании по производству абсорбционных холодильников однозначно свидетельствует о признании практической ценности этой разработки Эйнштейна и Сциларда.

Всего Сцилард и Эйнштейн подали более 45 патентных заявок в шести разных странах, однако их холодильная система не получила широкого распространения. Прототип оказался слишком шумным, а последовавшая в 30-х годах Великая депрессия негативно сказалась на финансовом положении многих производителей. К тому же, с появлением нетоксичного фреона отпала необходимость в повышении безопасности холодильников.

Тем не менее, изобретение Эйнштейна и Сциларда нашло применение в 50-х годах в технологии ядерных реакторов-размножителей.

В 2008 году группа инженеров под руководством Малькольма Маккалоха из Оксфордского университета возобновила работу над холодильником Эйнштейна. Поскольку в данном устройстве энергия требуется только для подогрева насоса, исследователи рассматривали возможность непосредственного использования солнечной энергии для применения холодильника в регионах, где отсутствует электричество. Путем изменения состава используемых газов удалось увеличить эффективность холодильника в четыре раза. Однако, по словам исследователей, конструкция все еще «далека от коммерческой реализации».