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

Решение технических задач
в создании холодильных машин

Машины Карре имели ряд интересных особенностей. Из них нужно отметить две. Первая относилась к компрессору (рис. 3.13): он был двойного действия, имел охлаждающую рубашку, позволяющую отводить часть тепла сжатия непосредственно в цилиндре, и усовершенствованную набивку сальника, препятствующую подсосу воздуха. [Терцин "сальник" происходит от сала, которым смазывали его набивку.] Вторая относилась к дроссельному вентилю; он был герметичным и регулировался автоматически изнутри посредством мембраны, на которую давили пары хладагента. Если давление в испарителе возрастало (т.е. повышалась температура кипения), мембрана, дей¬ствуя на клапан, прикрывала его. Давление в испарителе падало, и соответственно снижалась температура. Это был один из первых в истории техники автоматический регулятор с отрицательной обратной связью! Первым был известный регулятор Уатта.

Рис. 3.13. Схема поршневого холодильного компрессора двойного действия: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - сальник; 5 - охлаждающая водяная рубашка; 6 - всасывающий патрубок; 7 -нагнетательный патрубок.

Что касается перехода на другие, более удобные рабочие тела и отказа от этилового эфира, то здесь нужно отметить Х. Телье (1828-1913 гг.), который разработал машины, где заменил этиловый эфир на метиловый. Давление тогда стало намного больше (0,177 МПа при -10°C, 0,605 МПа при +25°С). Но наиболее подходящим рабочим телом, с его точки зрения, был аммиак (об аммиаке он писал еще в 1867 г. в брошюре "Аммиак в промышленности"). Он также задумал и осуществил первую линию для охлаждения пива на пивоваренном заводе.

Решающий шаг, который определил победу паровых холодильных машин над газовыми в 80-90-х годах прошлого века, связан с работами К. Линде. Значительная часть крутого подъема, характерного для средней части s-кривой (см. рис. 3.7), была создана им.

К этому времени термодинамика, развитие которой началось с труда С. Карно и продолжалось трудами Клаузиуса и Томсона, развилась настолько, что могла стать научной баззой холодильной техники. В то же время она достигла уровня, при котором не могла дальше успешно развиваться без научной базы только на основе экспериментального проектирования. К. Линде сумел не только соединить теорию с практикой в области холодильных машин, но и, как мы увидим в гл. 4, был первым среди тех, кто заложил основы технической криогеники (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Карл Линде

Карл Линде родился в 1842 г. в Берндорфе (Верхняя Франкония, Германия). До 1861 г. он посещал гуманитарную гимназию, а с 1861 по 1864 г. учился в Цюрихском политехническом институте. Преподавание в этом учебном заведении стояло на очень высоком уровне; достаточно назвать среди профессоров такие имена, как Дедекинд (математика), Клаузиус (физика), Цейнер (теория машин) и Рело (механика). К. Линде уже тогда особое внимание уделял термодинамике – базовой науке для всей низкотемпературной физики и техники. С 1864 по 1868 г. он работал в промышленности, на паровозном заводе, где прошел практическую инженерную школу.

Когда в 1868 г. в Мюнхене была организована Высшая техническая школа, он, несмотря на то, что ему было 26 лет, был приглашен туда как экстраординарный профессор по курсу машиностроения. Через четыре года он был уже ординарным профессором в Дармштадте, откуда возвратился в Мюнхен и оставался на должности профессора до 1879 г. Этот период его жизни был чрезвычайно плодотворным. Он работал одновременно в трех направлениях; научном, инженерно-конструкторском и как предприниматель-организатор (не говоря уже о педагогической деятельности). [Эти годы (70-80-е годы) были в Германии периодом быстрого промышленного подъема, вызвавшего появление людей, сочетавших в себе инженерно-научные и предпринимательские способности. Особенно крупными фигурами среди них были (кроме К. Линде) братья Сименсы (о В. Сименсе мы уже упоминали раньше; другой брат – крупный электротехник - был организатором концерна "Сименс", существующего до сих пор) и не менее известный оптик Карл Цейсс.]

В 1870 г. он опубликовал основополагающую работу "Об отводе тепла при низких температурах механическими средствами" (в переводе на современный язык - "О холодильных машинах"). В ней, по существу, впервые был проведен термодинамический анализ обратных циклов. К. Линде показал, что ни одна из холодильных машин, построенных и испытанных к этому времени, еще не достигла КПД, равного 20%. Констатация этого грустного факта одновременно давала и вдохновляющий стимул. Из него следовало, что в принципе можно еще повысить эффективность холодильных машин в 4 раза! В новой работе 1871 r. "Усовершенствование льдоделательных и холодильных машин" (уже через год!) он исследовал пути, по которым нужно двигаться, чтобы использовать в пределах технических возможностей эти резервы и достигнуть лучших результатов. Одновременно с этим Линде сумел добиться усовершенствования производства пива в результате отказа от природного льда и перехода на холодильные машины (рис. 3.15). Об этом он в 1873 r. с успехом доложил на Международном конгрессе пивоваров в Вене.

Рис. 3.15. Склад льда для брожения и хранения пива.

К. Линде вначале использовал, как и Гаррисон и Телье, в своих холодильных машинах метиловый эфир, но в отличие от них не только взвешивал и обсуждал возможность перехода на аммиак, но и реализовал ее. Первая из аммиачных машин была сделана в 1876 г. Ее компрессор показан на рис. 3.16. Одна из машин этой серии работала с 1877 по 1908 г. (31 год!) на пивозаводе в Триесте; сейчас она находится в Техническом музее Вены.

Рис. 3.16. Аммиачный вертикальный холодильный компрессор Линде (чтобы избежать утечки аммиака через сальники, использован хитрый прием: под поршнями помещена запорная жидкость – масло; колпак f служит для компенсации изменения уровня масла при работе поршней).

К. Линде непрерывно совершенствовал конструкции компрессоров и остального оборудования холодильных машин на аммиаке и продавал лицензии как в Германии, так и в других странах (Швейцарии, Бельгии, Англии, США).

Промышленное развитие дела, которое он начал, скоро приняло такой размах, что Линде вынужден был в 1879 г. отказаться от профессорской деятельности. В этом же году он стал во главе вновь организованной фирмы в Висбадене, которую он лично вел до 1890г. [«Общество льдоделательных машин Линде» (традиционная терминология- по существу это были, конечно, холодильные машины). Фирма Линде существует и успешно действует до сих пор.] После этого К. Линде вернулся к научной деятельности, переключившись уже на криогенную технику. Его изобретения в области ожижения воздуха и получения низких температур открыли, по сути, криотемпературам путь технику и технологию. Они были настолько успешными, что заставили Линде организовать в 1895 г. особое отделение фирмы в Мюнхене, которое было предназначено только для производства криогенной техники. К. Линде умер в 1934 г. в возрасте 93 лет. О работах Линде в области криогенной техники низкотемпературной термодинамики будет подробно рассказано в гл. 4.

К 80-90-м годам прошлого века фирмы, выпускающие холодильные машины, возникали одна за другой - и в Европе, и в США; их продукция распространилась по всему миру.

В это время воздушные машины исчерпали на уровне машиностроительной техники тех лет свои возможности, а парокомпрессионные сначала догнали их по экономичности, а потом и превзошли. Их последние модели были компактнее, имели лучшие энергетические характеристики, особенно в области умеренно низких температур до - (10÷20)°С. [Более низкие температуры, где воздушные машины сохраняли некоторые преимущества, не были нужны в это время никому из потенциальных потребителей холода. Они появились значительно позже: об этом будет сказано в гл.4 и 5.]

Как и должно быть в таких ситуациях, борьба двух направлений техники велась не только на потребительском рынке, но и в острых научно-технических дискуссиях. Они шли и в научно-технической литературе, и на съездах, и на конференциях. Доводы о преимуществах паровых холодильных машин перед газовыми выдвигались еще в конце 60-х годов. Однако сторонники газовых машин успешно защищались. В частности, они указывали (например, уже упоминавшийся Кирк) на огне- взрывоопасность хладагентов паровых холодильных машин. Кроме этого, столь же справедливо говорилось в дальнейшем и о ядовитости новых хладагентов (SO₂ и NН₃) и их корродирующем действии на конструкционные материалы. Все это было справедливо. Однако сторонники паровых машин не отступали. Среди них был и К. Линде, который выступил на эту тему на уже упоминавшемся конгрессе пивоваров в Вене. В частности, Линде указал на громоздкость газовых машин, связанную большим объемом перекачиваемого газа, и необходимость иметь две машины (компрессор и детандер) одна из которых к тому же работает при низких температурах. Кроме того, был неопровержим главный довод - намного больший расход энергии у газовых машин. Что касается неприятных свойств хладагентов, то устранение связанных с ними неприятных последствий - дело техники: нужно (и можно) устранить утечки и выбрать нужные конструкционные материалы.

В конечном счете победили и завоевали большую часть рынка парокомпрессионные холодильные машины, хотя нашлось место для газовых и других, изобретенных в это же время и позже. Однако прежде чем вернуться к ним в гл. 6, нужно уделить внимание и криогенной технике.

Следующая страница: 4.1. Криогенная техника догоняет холодильную