Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Холодильная машина А.Кирка

Вершиной достижений этого периода была воздушная холодильная машина шотландского инженера А. Кирка (1862 г.). Она была уже вполне пригодна для промышленной реализации, и многие ее экземпляры использовались в различных производствах, нуждающихся в холоде.

Сохранились как описания различных вариантов холодильных машин Кирка, сделанные им в докладе Институту гражданских инженеров в Лондоне 20 января 1874 г., так и его патент №1218 (1862 г.). Из этих документов можно установить, что холодильный агрегат Кирка отличался от машин его предшественников прежде всего тем, что работал по замкнутому процессу - циклу с использованием регенерации тепла, предложенной Сименсом. В ней поэтому постоянно циркулировала одна и та же порция воздуха. На рис. 3.5, б штриховой линией показано, как осуществляется превращение разомкнутого процесса в цикл.

"Замкнутость" процесса позволяет осушить весь воздух, циркулирующий в системе, и тем самым устранить неприятности, связанные с конденсацией или вымораживанием содержащейся в нем воды. Осушка воздуха производилась посредством открытого сосуда с концентрированной серной кислотой Н₂SO₄, помещенного в нагнетательной линии компрессора. В пусковой период влага, содержащаяся в воздухе, поглощалась кислотой; в дальнейшем кислота нужна была только для того, чтобы удалить ту влагу, которая поступает с наружным воздухом через неплотности в коммуникациях.

Кроме перехода на замкнутый процесс, Кирк ввел еще одну новинку - регенерация тепла происходила в его агрегате не в теплообменнике, где два потока газа движутся навстречу один другому (противоточный теплообменник), а в регенераторе. Это устройство, принцип действия которого показан на рис. 3.6, представляет собой трубу, заполненную так называемой "насадкой" - металлической стружкой или "путанкой" из проволоки (а иногда и мелкими осколками камня), через которые воздух свободно проходит. Когда через регенератор пропускается теплый воздух, насадка нагревается. Затем теплый воздух отключается и в противоположном направлении пропускается холодный, который, охлаждая насадку, сам нагревается. Затем снова пропускается теплый воздух, который охлаждается, нагревая насадку, и т.д. В результате тепло, так же как и в теплообменнике, передается от теплого потока к холодному, но не через стенку, а посредством насадки. Регенератор по устройству проще теплообменника и может на единицу объема передать больше тепла, чем теплообменник.

Рис. 3.6. Схема работы регенератора (а) и теплообменника (б), а также графики изменения температур потока А (охлаждающегося) и В (нагреваемого) в этих аппаратах: 1 - насадка; 2 - стенка трубки; температура насадки Тнас меняется в интервале ?Тнас в зависимости от того, какой поток (А или В) идет по регенератору; температура стенок трубок теплообменника Тст по времени не меняется; l - длина теплообменного аппарата.

Усовершенствования, сделанные Кирком, привели к достижениям, намного превышающим результаты, полученные его предшественниками. Сначала он добился температуры на выходе из детандера, равной -13°С, а затем, после доработки и дополнительных улучшений, ему удалось даже заморозити ртуть. Это означало, что впервые в истории температуру ниже -40°С удалось получать непрерывно в холодильной машине (как тогда говорили "механическим путем"), без каких-либо охлаждающих смесей или испарения под вакуумом легкокипящих жидкостей. По сравнению с этим "физические" методы, посредством которых низкая температура получалась однократно в какой-либо порции вещества. Это был огромный шаг вперед.

Важно также отметить, что Кирк уже вышел за пределы чисто «льдодедательного» мышления и его машина могла производить холод в довольно широком интервале низких температур - от 0 до -40°С.

Сыграло большую роль и то, что Кирк, в отличие от Горри, имел техническое образование, а общий уровень промышленного развития был в то время в Англии выше, чем в США.

В машине Кирка получали 4 кг льда на 1 кг угля. Тогдашние паровые машины требовали от 1,5 до 1,75 кг топлива (угля) на одну эффективную лошадиную силу в час. Такой, на первый взгляд, странный расчет по углю, а не по электроэнергии станет вполне понятен, если вспомнить, что в то время никаких электростанций и электросетей не было. Каждая холодильная установка имела свой индивидуальный привод от своей же паровой машины и, по существу, представляла единый агрегат, состоящий из двух машин: холодильной и паровой.

Чтобы установить, как результаты Кирка выглядят по сравнению с современными холодильными машинами, можно провести небольшой расчет.

Начнем с того, что подсчитаем, какое количество тепла Q0 должна отвести холодильная машина от 4 кг воды, чтобы превратить ее в лед. Теплота плавления льда (или, что то же самое, замораживания воды) составляет 334 кДж/кг. Отсюда холодопроизводительность машины Кирка

Q₀ = 334 · 4 = 1336 кДж/ч.

Учитывая необходимость еще и предварительно охладить воду до 0°С, примем Q₀=1400 кДж/ч.

Паровая машина, расходующая 1,6 кг (возьмем среднюю цифру) угля на 0,7457 кДж/с (1 л.с./ч при теплоте сгорания английского угля 30000 кДж/кг), имеет КПД

η _п.м. = 0,7457 · 3600 / (1,6 · 30000) = 0,056 =5,6%

Следовательно, паровая машина в час отдавала холодильной машине работу

L = 30 000 · 0,056 =1680 кДж.

Отсюда легко определить холодильный коэффициент ε (отношение полученного холода Q₀ к затраченной на это работе) машины Кирка:

ε=Q₀/L = 1400/1680=0,83.

В идеальном случае по (2.3)

L _ид = 1400 (T₀ - T_ос)/T₀ = 1400 (270-300)/270 = 155,6 кДж

А не 1680 Дж. Для расчета принимаем температуру, которую должна обеспечить установка, чтобы заморозить воду, Т₀ = 270 К,

Следовательно, КПД холодильной машины Кирка

η _х.м. = 155,6 / 1680 = 0,093 или 9,3%.

Это вполне достойная цифра, если учесть, что лучшие современные аналогичные воздушные машины имеют КПД около 18%. Любопытно отметить, что сравнительно невысокий КПД холодильной машины Кирка все же существенно выше, чем у паровой машины, приводящей ее в движение.

В дальнейшем Кирк разработал другие, еще более совершенные варианты своей машины. Если в первой машине Кирка давление воздуха составляло едва 0,2 МПа, то в новых машинах оно достигало уже 0,6-0,8 МПа. Одна из первых больших машин новой модификации была установлена в 1864 г. и фабрике по производству масла "Юнг, Мелдрум и Бинни". Она работала круглосуточно 10 лет и останавливалась на текущий ремонт только на 1-2 сут через каждые 6-8 мес. Число выпущенных Кирком машин было невелико, но они сыграли важную роль не только в развитии, но и в распространении холодильной техники.

Воздушные холодильные машины в дальнейшем совершенствовались американцем Л. Алленом н немцем Ф. Виндхаузеном.

Таким образом, к 60-м годам схемы воздушных холодильных установок уже вполне сложились.

К 1870-м годам воздушные холодильные машины были довольно широко распространены. П. Гиффорд представил такую машину на Парижскую выставку 1877 г.; с. 1880 г. их выпускали серийно в Англии. Особенно широко их использовали для Морской транспортировки охлажденной рыбы.

Наиболее высокого совершенства эти машины достигли в варианте, разработанном Джеймсом Големаном. Он по совету В. Томсона основательно занялся этой машиной и в 1877 г. вступил в союз с братьями Белл, предпринимателями, владевшими большими бойнями в Глазго и заинтересованными в транспортировке мяса через океан. Машина отличалась от предшествующих особенно тщательно отработанной конструкцией и большей безопасностью эксплуатации. Она нашла в короткое время широкое распространение. Замечательно, что на этой машине впервые были использованы для регулирования дроссель на паропроводе паровой машины, служившей для привода, и термостат, установленный в охлаждаемом помещении.

В машине применялся противоточный регенеративный теплообменник, в котором воздух, возвращающийся из холодильной камеры, охлаждал сжатый в компрессоре и идущий на детандер воздух.

Эти машины были уже довольно крупными, с мощностью привода до 221 кВт. Многие другие английские фирмы выпускали такие машины и в дальнейшем.

Следующая страница: От воздушных к паровым машинам