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

Установка Ж.Клода с детандером

В самом начале работы по созданию поршневого детандера на пути Клода встали все те трудности, которые предсказывал Линде. Две из них оказались не такими уж страшными и были вскоре устранены.

Примеси воздуха, которые могли вымерзать в машине, были практически полностью удалены в результате предварительной очистки и осушки воздуха, которые все равно нужно было делать.

Приток тепла к цилиндру извне также оказался не опасным, поскольку его можно было поместить в кожух с изоляцией.

Однако третья трудность — проведение смазки цилиндров оказалась самой коварной.

Вначале Клод думал произвести смазку красивым методом — использовать для этого получаемый в конце расширения жидкий воздух. Но чтобы получить такую смазку, ну было сначала пустить теплый детандер и охладить его до нужной температуры. Получался заколдованный круг - чтобы пустить машину, нужен жидкий воздух, а чтобы его получить, нужно пустить машину.

Блестящая идея погибла в зародыше. Следующий вариант был менее экзотическим, но более реальным.

Еще из опытов Кольрауша (1896 г.), работавшего над жидкостными термометрами для измерения низких температур, было известно, что многие углеводороды, добываемые из нефти, - легкие бензины — петролейные эфиры (как их в то время называли), пентан и другие имеют низкие температуры затвердевания. Когда Клод столкнулся с этими жидкостями и узнал, что некоторые из них не затвердевают и при t < -100°С, у него тут же возникла мысль применить их для смазки поршня детандера. Он решил, что "применяя при пуске в ход машины обычные смазочные вещества и переходя при очень низких температурах на смазку одним петролейным эфиром", можно добиться цели.

К концу 1899 г. был изготовлен стенд на основе небольшого вертикального воздушного поршневого двигателя и теплообменника, в котором сжатый до 1,2 МПа воздух перед поступлением в детандер охлаждался выходящим из него расширенным воздухом. Машина была снабжена обыкновенной масленкой под давлением; по мере охлаждения в масло добавлялся петролейный эфир. Испытания проводились ночью под навесом для трамваев на конечной станции линии Бастилия—Шарантон в Париже.

Это были условия научной работы, очень не похожие на те, которые были в лабораториях Линде или Камерлинг-Оннеса.

Тем не менее опыт шел успешно. детандер стал быстро охлаждаться. Столбик толуолового термометра, измерявшего температуру выходящего из детандера воздуха, быстро опускался, перешел черту -150°С, и наконец толуол даже замерз. Спустя несколько минут машина остановилась, но это не огорчило изобретателя. Для первого раза все было блестяще! Полный надежд, он уселся в трамвай и направился домой. Назавтра с помощью средств, которые, узнав, наконец, об успехе, собрали поддерживавшие его друзья, он приступил к продолжению работы, которая в 1902 г. привела к созданию вполне работоспособного детандера, позволившего получить жидкий воздух.

Прежде чем перейти к описанию этих результатов, нужно отметить одно курьезное, но поучительное обстоятельство, о котором поведал после сам Ж. Клод. Дело в том, что несколько лет спустя, работая с толуолом, он установил, что тот затвердевает даже раньше, чем температура понижается до -100°С! Это означало, что "трамвайный" опыт 1899 г., вызвавший такой энтузиазм, не дал, по существу, ничего нового; шкала термометра была неверной, и никаких -150°С получено не было. По существу, был только повторен результат Сольвея.

Оказывается, что иногда и грубая ошибка измерения может быть полезной и уберечь от преждевременной остановки перспективной работы!

Успешное завершение работ с детандером, однако, не дало возможности Клоду получить жидкий воздух непосредственно после детандера, как он хотел, следуя по стопам Сольвея. Это и естественно: в области, близкой к температуре жидкого воздуха, при атмосферном давлении детандер Клода не мог работать. [Так называемые "двухфазные" детандеры, в которых производилось частичное ожижение газов, появились только сравнительно недавно — в 70-е годы XX века.] Поэтому в конце концов Клод отказался от этой идеи. Он принужден был разделить сжатый воздух на две части: одну направлять в детандер, а другую - в теплообменник противотоком к расширенному в детандере холодному воздуху, как показано на рис. 5.13а. Сжатый воздух при этом ожижался и после дросселирования до атмосферного давления мог использоваться как конечный продукт. Таким образом, Клод тоже пришел к классическому циклу с дросселированием. Однако, в отличие от Линде, он использовался для дополнительного охлаждения не парокомпрессионную холодильную установку, а детандер, в котором расширялась и охлаждалась часть поступающего сжатого воздуха.

Схема такого процесса, названного именем Клода, показана на рис. 5.13б; из нее видно, что сжатый воздух после охлаждения в предварительном теплообменнике разделяется на две части. Одна, М (50-60%), направляется в детандер. Другая его часть, 1-М, продолжает охлаждаться обратным потоком в следующем по ходу теплообменнике. Холодный воздух после детандера возвращается в обратный поток и вместе с той его частью, которая не ожижалась, охлаждает идущий противотоком сжатый воздух. В концевом теплообменнике происходит окончательное охлаждение сжатого воздуха перед дросселированием.

Рис. 5.13. Схема включения детандера в установке Клода: а - первый вариант; б - промышленный вариант

Нетрудно видеть, что как в верхней части (выше сечения а-а), так и в нижней (ниже сечения b-b) процесс Клода ничем не отличается от процесса Линде с предварительным охлаждением. Введение детандера привело, в конечном счете, тому же результату: уменьшилась разность температур в холодной части теплообменника и понизилась температура перед дросселем.

Однако между ними есть и существенная разница. Она состоит в том, что аммиачная (или другая) холодильная установка требует дополнительной затраты работы на привод, в то время как детандер, напротив, возвращает часть работы, уменьшая ее общий расход. В результате процесс Клода оказался более экономичным и постепенно занял ведущее положение в установках разделения воздуха, обеспечивая удельный расход энергии на получение газообразного кислорода в зависимости от их размера 0,8-0,6 кВт·ч/м³. Установки представляли собой некий "гибрид" колонны двойной ректификации Линде и цикла с детандером Клода.

Следующая страница: Промышленные детандеры и кислород в фантастике