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

Низкотемпературные регенераторы и турбодетандеры

Второе условие - наличие научно-технического задела в технике разделения воздуха - определялось, главным образом, появлением двух нововведений - низкотемпературных регенераторов и турбодетандеров. Их начальное развитие было непосредственно связано с фирмой, созданной К. Линде.

Регенераторы как устройства для подогрева воздуха отходящими горячими газами были известны давно, с середины XIX в., и применялись в сименс-мартеновском процессе выплавки стали (Одним из создателей этого процесса был В. Сименс, который предложил в 1857 г. схему процесса газовой регенеративной холодильной установки.). Идея их была очень проста: через кладку огнеупорных кирпичей, уложенных так, что через нее могли проходить газы, поочередно пропускались противотоком поступающий печь воздух и отходящие горячие дымовые газы. Здесь использован тот же принцип, что и в холодном генераторе (см. рис. 3.6). Эти газы нагревали кирпичи (насадку), а сами охлаждались; затем через горячую насадку в противоположном направлении пропускался воздух, который, нагреваясь, охлаждал насадку. 'Гак, последовательно переключая потоки, можно было нагревать воздух за счет охлаждения отбросных газов.

Молодой инженер М. Френкль предложил использовать в процессах низкотемпературного разделения воздуха такого рода регенераторы вместо теплообменников для охлаждения поступающего сжатого воздуха выходящими кислородом и азотом. Поначалу эта идея вызвала у профессионалов-эрудитов даже не отрицание, а просто снисходительно-ироническое отношение. Применить эти грубые громоздкие кирпичные сооружения, в которых разности температур между потоками составляют десятки градусов, к тонкой технике разделения воздуха? Ведь здесь каждый градус и каждая калория ценятся на вес золота!

Тем не менее, Френкль не отступал. Кирпичи были заменены тонкой гофрированной алюминиевой лентой (насадкой), каменный короб - стальным цилиндром. Получились компактные аппараты, в которых на 1 м3 объема приходилось несколько тысяч квадратных метров площади поверхности теплообмена (вместо нескольких сотен в трубчатых теплообменниках). Этот успех был относительно быстро достигнут благодаря дальновидности фирмы Линде, которая приобрела патент Френкля и провела дорогостоящие работы по доведению его идеи до инженерного решения.

Однако дело не ограничилось только улучшением теплообмена. Оказалось, что регенераторы Френкля обладали еще одним важнейшим достоинством - они могли очищать воздух от примесей водяного пара и углекислого газа. Эти примеси в свое время причинили много неприятностей К. Линде. Они замерзали в теплообменнике и вентилях, забивали ректификационную колонну. Аппарат периодически приходилось отогревать, чтобы удалить из него вредные примеси. Мало этого, жидкий воздух (и кислород) выглядели как молоко из-за кристаллов твердого диоксида углерода. Чтобы очистить от них жидкость, приходилось ее фильтровать, как это делал Умов, показывая жидкий воздух московским профессорам и купцам. В дальнейшем задача очистки воздуха от этих примесей была решена: после сжатия он пропускался через баллоны с твердым едким натром NaOH, который поглощал влагу, а раствор того же вещества удалял в специальных аппаратах и углекислый газ:

2NаOH + СО₂ = Nа₂СО₃ + Н₂O.

Вся эта система очистки и осушки воздуха была громоздкой, дорогой и очень неприятной в эксплуатации.

В регенераторах одновременно с охлаждением воздуха, так же как и в трубчатых теплообменниках, происходило высаживание льда на холодной поверхности (сначала воды, а в более холодной части и СО2). Однако обратный поток кислорода (или азота) после переключения каждый раз испарял (сублимировал) кристаллы и выносил примеси из регенератора. Поэтому они не накапливались и не проникали в разделительный аппарат.

Таким образом, регенераторы позволили не только усовершенствовать теплообмен, позволяя охладить большое количество воздуха (и нагреть соответственно продукты разделения - кислород и азот), но и избавиться от специальной его очистки.

Турбодетандер (второе принципиальное совершенствование разделения воздуха) был старой мечтой специалистов по низким температурам. Идея применить турбомашину для расширения и охлаждения воздуха была предложена уже давно (Л. Рэлеем, 1898 г.). Поршневой детандер, впервые доведенный в начале нашего века Клодом до уровня надежно работающего устройства, не годился для переработки больших количеств воздуха. Как и всякая поршневая машина, он был хорош при малой производительности, но делался громоздким и неэффективным при большой.

Однако реализовать турбомашину как детандер долго не удавалось. В принципе, она должна была походить по конструкции на паровую турбину, уже хорошо освоенную в то время. Необходимость обеспечить низкие температуры в рабочей зоне и вывести вал для отвода мощности наружу в теплую зону создавала большие трудности. Только в начале 30-х годов немецкой фирме "Сюрт" удалось по заказу Линде сделать надежно работающий турбодетандер. Однако КПД его был относительно невысок и не превышал 0,52-0,58. Тем не менее, это было серьезным достижением.

Фирма Линде, используя обе новинки - регенераторы Френкля и турбодетандер, создала воздухоразделительные установки "Линде-Френкль" для получения газообразного кислорода производительностью до 3600 м3/ч кислорода. В них большая часть воздуха сжималась до низкого давления (0,6 МПа), необходимого для ректификации в колонне. Этот воздух сжимался в турбокомпрессоре, а затем охлаждался и очищался в регенераторах. Необходимое охлаждение происходило в турбодетандере, который работал тоже при начальном давлении 0,6 МПа. Но он все же не обеспечивал всю нужную холодопроизводительность и приходилось часть воздуха (5-6%) сжимать до высокого давления и дросселировать, как в классическом процессе Линде. Для этого пришлось сохранить поршневой компрессор и химическую очистку воздуха. Таким образом, получился некий гибрид из нового (низкое давление воздуха, регенераторы , турбокомпрессор, турбодетандер) и старого (высокое давление воздуха, поршневой компрессор, химическая очистка). Но доля воздуха, сжимаемого до низкого давления, все же превышала 95%. Эти установки, несомненно, были большим достижением 30-х годов в этой области техники.

Что касается установок для получения жидких кислорода или азота, то они строились только по классическим схемам высокого давления с громоздкими поршневыми машинами и химической очисткой воздуха. Таким образом, в области получения газообразного кислорода как турбомашины (и компрессор, и детандер), так и теплообменная аппаратура (регенераторы) позволяли использовать более удобное низкое давление воздуха; но полностью вытеснить применение воздуха высокого давления еще не могли. Вот если бы удалось повысить КПД турбодетандера на 15-20% - другое дело! Тогда холода бы хватило, и все громоздкие "поршняки" и химическую очистку воздуха высокого давления можно было бы убрать. Да и об установках низкого давления для получения жидкого кислорода можно было бы подумать. Это был бы решающий качественный скачок.

Следующая страница: Турбодетандер П.Л.Капицы