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

4.2. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗЫВАЕТ СВОИ ВОЗМОЖНОСТИ В КРИОГЕНИКЕ

Дальнейшее развитие криогеники связано с именем Карла Линде, того самого, который фигурировал в предыдущей главе как человек, не только создавший наиболее совершенные для своего времени паровые холодильные машины, но и впервые разработавший основы их теории, а также организовавший массовое их производство.

Всего этого с избытком хватило бы для того, чтобы занять почетное место в истории науки и техники низких температур. Однако Линде на этом не остановился. Вторую половину своей творческой жизни он посвятил криогенике, делавшей в 90-е годы первые шаги.

Расставшись в 1891 г. с заботами главы фирмы, он вернулся в Мюнхен. В своем жизнеописании Линде писал об этом так: "Мои мысли уже долгое время были заняты новыми открытиями в области более низких температур, которые необходимы, для ожижения "постоянных" газов. Обзор этих открытий я дал в докладе "Об ожижении газов", представленном Политехническому обществу".

Далее Линде четко сформулировал новую цель, которую мог поставить перед собой на основе этого аналитического обзора: "Еще отсутствовал прямой путь из лаборатории естествоиспытателя к производству, и отыскание такого пути стало моей ближайшей задачей. Летом 1894 г. я нашел генеральную линию ее решения и взялся за дело".

Эта “генеральная линия”, как мы увидим дальше, далеко не сводилась к перенесению имеющихся научных достижений в промышленное производство. К. Линде несомненно понимал, что это было бы не просто сложной задачей, а задачей невыполнимой. Имевшийся “научный задел”, при всей его значительности, не годился для этого. Речь шла и о принципиально новых, именно научных, решениях, без которых путь к производству не был бы открыт. Линде понимал трудности, которые его ожидали. Он писал далее: “Меня одолевали размышления – найдет ли оставшаяся работоспособность – мне не было тогда еще 50 лет – здесь лучшее применение в связи с желанием вернуться к научной деятельности”.

Так Карл Линде снова приступил к преподаванию в Мюнхенском политехническом институте и одновременно начал двигаться по намеченной “генеральной линии”.

Как опытный инженер он понимал, что путь, по которому шли его предшественники от Фарадея до Ольшевского – однократное использование охлаждающей смеси и испарительного охлаждения, исчерпал себя. Нужно было переходить к непрерывному циклу – методу, уже проверенному в холодильных машинах. Но холодильный цикл не в состоянии дать очень низкие температуры, так как одно рабочее тело не может конденсироваться при температуре окружающей среды То.с и испаряться в той же машине при температуре ниже -50°С, в крайнем случае -60°С.

Так, например, аммиак, конденсирующийся при Т_о.с=20°С (293K) под давлением около 0,8 МПа, может дать в испарителе холодильной установки температуру 228K (~45°С), если компрессор сможет откачать пар до тех пор, пока давление в испарителе не станет равным 6·10^-3 МПа. Далее двигаться нельзя не только потому, что давление будет слишком низким, но и потому, что аммиак замерзнет (температура тройной точки Т_т.т=195,4K, т.е. около -18°С).

Поскольку никакой хладагент “в одиночку” не может в парокомпрессионной холодильной установке перекрыть интервал температур от окружающей среды до жидкого воздуха и тем более водорода (он составляет 200°С и более), напрашивается мысль о каскаде – нескольких холодильных установках, объединенных в один агрегат. Тогда каждая из них отводила бы тепло на определенном уровне и передавала следующей, расположенной выше. Эта идея, впервые частично реализованная Пикте в 1877 г., была хотя и рассмотрена сначала Линде, но затем отвергнута, поскольку он нашел более простое и надежное решение. [В 1908 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес, о котором речь впереди, использовал модернизированный каскад для первого ожижения гелия.] Оно было основано на синтезе идеи В. Сименса о регенерации, относящейся к 1857 г., развитой в 1885 г. Сольвеем (которая описана в гл. 3) с комбинированным компрессионным циклом. В нижней, холодной его части использованы два элемента парокомпрессионного цикла: холодопроизводящей – дроссель и испаритель, а в верхней, более теплой (вернее, менее холодной) – элементы газового цикла – генератор и компрессор с охладителем.

Поэтому такой цикл, перекрывающий всю низкотемпературную область – от окружающей среды до жидкого воздуха (а впоследствии и до жидких водорода и гелия), называется газожидкостным. Такой “гибридный” процесс оказался на удивление здоровым и жизнеспособным и, мало того, занял на долгие годы ведущее положение в криогенике, В дальнейшем он с полным основанием был назван циклом Линде.

Следующая страница: Установка ожижения воздуха К.Линде