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

Отличия установок К.Линде и В.Хэмпсона

Английский патент Линде под названием "Процесс и аппаратура для ожижения газов и газовых смесей и получения холода, в частности, приложимые для извлечения кислорода из атмосферного воздуха" имел приоритет от 28 июня 1895 г.

В это время англичанин Вильям Хэмпсон работал в том же направлении, что и К. Линде. Он получил похожий английский патент с приоритетом от 23 мая того же 1895 г. под названием "Ожижение газов; усовершенствования". Установка, описанная в патенте Хэмпсона, имела два существенных отличия от установки Линде.

Первое, имеющее принципиальный характер, состояло в том, что у Хэмпсона не было четкого указания на процесс дросселирования, а лишь в общей форме упоминалось о расширении газа после охлаждения в теплообменнике. В этом приоритет явно принадлежал Линде, тем более что в мае 1895 г, его установка уже работала. Однако Хэмпсон довольно скоро тоже поставил на своем аппарате дроссель (не ссылаясь пре этом на Линде).

Вопрос о том, в каком устройстве – детандере или дросселе производить окончательное охлаждение рабочего тела, имеет значение, далеко выходящее за пределы противоречий между Линде и Хэмпсоном.

Классический подход к созданию охлаждающих устройств, основанных на использовании понижения давления рабочего тела, как мы уже видели, базировался на расширении с отдачей внешней работы. На эту идею опирались все создателе воздушных холодильных машин, от Горри до Сименса и Сольвея, и это было вполне естественно. Еще до утверждения закона сохранения энергии было хорошо известно: если газ сжимать, затрачивая на это работу, он нагревается; если, напротив заставить его расширяться, производя работу, он сильно охлаждается. Отсюда естественное стремление создать машину-детандер, в которой можно реализовать этот эффект и применить его к делу. Главная трудность при этом (и мы к этом вернемся дальше) состояла в том, чтобы заставить такую машину надежно работать при низких температурах: чем холоднее тем труднее.

Другой способ охлаждения, тоже основанный на снижении давления рабочего тела, обратил на себя внимание значительно позже. Только после того, как Джоуль и Томсон открыли эффект изменения температуры газа при дросселировании, возникла мысль использовать его для охлаждения. Однако относительно малое значение эффекта Джоуля-Томсона и недостаточное понимание его физической природы долгое время не вызывали энтузиазма у инженеров. Более того, когда были изобретены парокомпрессионные холодильные машины, их создатели не понимали истинной роли дроссельного вентиля. Они считали, что "холод получается в испарителе", где кипит под низким давлением рабочее тело, а дроссель служит просто для снижения давления и регулирования. Такое представление отразилось и в сохранившемся для него до настоящего времени названии "регулирующий вентиль".

Понимание того, что именно дросселирование дает охлаждение, понижение температуры, на котором основана работа системы, а в испарителе лишь реализуется его результат, пришло (да и то далеко не всюду) намного позже.

Значительное влияние на такой подход к дросселированию оказала и термодинамическая трактовка этого процесса, идущая из теплотехники. Действительно, в тепловых двигателях любая разность давлений, создаваемая в результате применения топлива, используется для получения работы в турбине, поршневом или каком-либо другом двигателе. "Стравливание" этого давления на любом гидравлическом сопротивле-нии – это прямая потеря работы, с которой нужно бороться всеми силами. В теплотехнике дроссель - "враг" или, в лучшем случае, - регулирующее устройство, с потерями давления в котором приходится мириться.

Однако при температуре ниже То.с ситуация резко меняется – здесь главная цель уже не получение работы, а охлаждение. Чем ниже температура, тем меньше рабочее тело отдает при расширении работы и тем эффективнее работает на охлаждение. Поэтому потеря этой работы становится несущественной, а эффект охлаждения обеспечивает эффективное, с высоким КПД использование энергии, затрачиваемой на сжатие рабочего тела. Именно поэтому дроссельные парокомпрессионные холодильные установки имеют КПД не ниже, а иногда и выше, чем современные паротурбинные электростанции.

К. Линде, в отличие от своих современников, понял эту диалектику отношений двух способов расширения – смело взял дросселирование за основу своих работ и извлек из него почти все возможное ("почти" потому, что кое-что осталось и для будущего, но об этом – далее).

Второе отличие установки Хэмпсона от установки Линде было в конструкции регенеративного теплообменника. На разнице этих конструкций нужно остановиться подробнее, так как дальше она будет играть существенную роль. У Хэмпсона обратный поток неожиженного воздуха шел не вдоль трубок в кольцевом зазоре между ними, как у Линде (рис. 4.6, а), а поперек трубок в межтрубном пространстве (рис. 4.6, б).

Рис. 4.6. Протекание потоков в теплообменниках Линде (а) и Хэмпсона (б): п.п. – прямой поток (сжатый воздух); о.п. – обратный поток (расширенный воздух).

Трубки, по которым шел сжатый охлаждаемый воздух, свивались с зазором между витками в плоские "блины", соединенные последовательно и укладываемые стопкой один не другой. Обратный поток неожиженного холодного воздуха проходил поперек трубок в радиальных зазорах между ними. Наружные трубки, которые применял Линде, уже не были нужны. Благодаря этому теплообменник становился много компактнее и легче; пуск установки мог проводиться быстрее. При этом справедливость требует сказать, что Хэмпсон решил задачу удачнее, чем Линде.

В конечном счете возникла ситуация с приоритетом, напоминающая ту, которая была у Кайете и Пикте. Однако разница состояла в том, что сроки подачи заявок на патенты отличались (в пользу Хэмпсона на две недели), но фактическая реализация у Линде была сделана раньше (да и научный анализ процесса был несравненно более глубоким). Начался спор о приоритете, который однозначно так и не был решен. Он осложнился еще и соображениями национального престижа. До сих пор в Германии и странах континентальной Европы, включая Россию, в ходу термин "цикл Линде", а в Великобритании и США - "цикл Хэмпсона" или "цикл Хэмпсона-Линде". Что касается теплообменника Хэмпсона, то он в разных модификациях и с усовершенствованиями, внесенными позже, употребляется во многих криогенных установках до сих пор (в частности, и фирмой К. Линде).

В дальнейшем Хэмпсон развил очень бурную деятельность в отстаивании своих прав, вступив в длительную дискуссию не только с Линде, но и со своими соотечественниками Дьюаром и Ленноксом, а также с американцем Триплером. Во втором случае он претендовал и на приоритет в отношении идей, положенных в основу создания аппарата для ожижения водорода. Из-за всего этого в период 1896-1898 гг. в английской печати разгорелась дискуссия о приоритетах, главными действующими лицами которых были Хэмпсон и Дьюар. Она шла, главным образом, не в виде полемических научных статей, а как обмен письмами, публикуемыми в различных периодических изданиях, и ответами на них. Кроме того, шли довольно острые дискуссии в научных обществах, отчеты о которых также публиковались в печати. Все это оставляет довольно забавное впечатление.

Что касается К. Линде, то он ограничился публикацией в английском журнале большой статьи с изложением результатов своих работ по ожижению воздуха, упомянув в ней и о Кайете, и о работах Хэмпсона. После этого он ни в какие дискуссии не вступал и продолжал успешно совершенствовать разработанные им аппараты. Работа велась в двух направлениях.

Во-первых, нужно было улучшить установки для ожижения воздуха, уменьшая их массу и габариты, совершенствуя очистку воздуха от водяного пара и СО₂, всегда содержащихся в атмосфере, и, наконец, снижая затраты энергии на ожижение. [Это было нужно как для получения чистого, прозрачного продукта, так и для того, чтобы избежать забивки трубок теплообменника и арматуры «снегом» H₂O и CO₂, который выделяется при охлаждении неочищенного воздуха.]

Во-вторых (и это стало главным направлением), нужно было реализовать в полной мере возникшую у него еще в 1895 г. идею разделять воздух при ожижении на составные части получая из него кислород и азот. Для этого потребовались дополнительные исследования и целая серия изобретений, тут же успешно реализованных. Уже в 1902 г. была пущена первая кислородная станция. В дальнейшем на основе этих работ Линде и под их влиянием создание установок для низкотемпературного разделения воздуха (и других газовых смесей) развилось в мощную отрасль промышленности сначала в Германии, Франции и Англии, а со второй половины ХХ в. в СССР и Японии.

Наряду с заботами о фирме, которая теперь еще выросла и стала выпускать не только холодильные, но и криогенные установки, К. Линде продолжал и педагогическую деятельность в Мюнхенском политехническом институте (до 1910 r.). Здесь он, в частности, начал подготовку курса прикладной термодинамики как базового предмета для подготовки инженеров, специализирующихся в области техники низких температур. К. Линде был также одним из основателей знаменитого Мюнхенского музея техники, членом Совета которого он оставался долгие годы.

К. Линде прожил долгую жизнь (он умер в 1934 г.) и имел возможность видеть, как его идеи и разработки развились и вошли существенной составной частью в научную и техническую жизнь ХХ в.

Следующая страница: Первая криогенная лаборатория в России