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

Обратная машина Стирлинга (криогенный вариант)

Возрождение интереса к работам Стирлинга связано со временем второй мировой войны. В Голландии, как и во всей центральной Европе, оккупированной немцами, ощущался острейший недостаток жидкого топлива. В частности, его не хватало для армейских "движков" - маленьких двигателей, предназначенных для электрогенераторов передвижных радиостанций. Инженеры фирмы "Филипс", выпускавшей это оборудование, нашли выход, вспомнив о двигателе Стирлинга. Действительно, головку этой машины можно обогревать, используя любое низкосортное топливо; такие двигатели, снабженные самой простой топкой, но сделанные на уровне вполне современной технологии, исправно работали (в дальнейшем они послужили базовой моделью для более мощных и совершенных "стирлингов"). У фирмы возникла необходимость в небольших установках для производства жидкого азота. Инженеры фирмы не стали использовать традиционные установки Линде и Клода, а пошли своим собственным, оригинальным путем. Они решили пустить машину Стирлинга "наоборот", чтобы, превратив в криогенную и используя только ее, сразу получить низкую температуру, необходимую для ожижения воздуха.

Идея "обращения" машины Стирлинга оказалась на редкость удачной и дала блестящий результат. Это и естественно: обе машины Стирлинга - двигатель и вновь созданная криогенная - очень похожи. Они соотносятся между собой, как поршневые компрессор и детандер.

Начнем рассмотрение процессов с фазы IV (рис. 8.4 б). Сжатый газ находится в головке цилиндра, а поршень - в верхней мертвой точке. Затем при движении их вниз до фазы газ расширяется, отдавая работу и охлаждаясь. После этого вытеснитель, переходя вверх, переталкивает газ в нижнюю, теплую полость. При этом в процессе II - III газ сжимается, и тепло, выделяющееся при этом, отводится в окружающую среду. После этого вытеснитель смешается вниз, возвращая сжатый газ в холодную полость (фаза IV). Затем снова происходит расширение с отдачей внешней работы (процесс IV - I), при котором газ охлаждается, и т.д. Другими словами, можно сказать, что машина работает как компрессор, когда газ находится в нижней полости, и как детандер, когда он перемещен в холодную полость. Поршень выполняет роль компрессорного, когда движется вверх, и детандерного, когда движется вниз. Клапанов, которые регулируют в обеих машинах впуск и выпуск газа, здесь нет. Зато есть "диспетчер" - вытеснитель, который в нужные моменты перегоняет газ из теплой полости в холодную и обратно.

Рис. 8.4. Работа машины Стирлинга в криогенном варианте (обратный цикл Стирлинга)

На рис. 8.4 а показаны, так же как и на рис. 8.3 б, четыре фазы работы машины Стирлинга в криогенном варианте. Диаграмма р, v процесса, показанная на рис. 8.4 б, та же, что и у двигателя, лишь направление процессов противоположное (не по часовой стрелке, а против нее). Тепловые потоки тоже направлены в противоположную сторону.

Уже первые образцы криогенных машин Стирлинга показали высокую эффективность: их КПД достигал 35-40%, что является хорошим показателем для машин такого класса. Разумеется, пришлось преодолеть многие трудности - с приводом поршня и вытеснителя, тепловой изоляцией, герметичностью, смазкой и т.п. Воздух в качестве рабочего тела при низких температурах уже не годился - он был заменен гелием. Выпущенные на рынок, они долгое время шли под названием "машин Филипса", но затем аналогичные машины стали изготовляться и в других странах мира; тогда имя Стирлинга было им возвращено. Особое распространение получили миниатюрные машины Стирлинга, предназначенные для криостатирования различных электронных приборов. С таких машин холодопроизводительностью до долей ватта, которые могли устанавливаться на самолетах, космических станциях и спутниках, и началась, собственно, микрокриогенная техника. Разрабатывались все новые их модификации: многоступенчатые, позволяющие получать низкие температуры вплоть до гелиевых; конструкции с клапанами, позволяющими отделить вытеснитель от рабочего поршня и разместить их далеко один от другого, связав только трубками; с мембраной вместо поршня; с регенератором внутри вытеснителя, и даже вообще без вытеснителя, где его роль играл столб газа, и др.

Дошло даже до того, что были созданы установки вообще без механического компрессора, замененного тепловым. Такой тепловой компрессор, который тоже, по существу, работает на "вытеснительной" идее Стирлинга, может, как входить в криогенную машину, так и монтироваться отдельно. Схема его показана на рис. 8.5. Он представляет собой цилиндр с клапанами, в котором находится вытеснитель с регенератором внутри. Один конец цилиндра нагревается, другой охлаждается. Если вытеснитель находится в теплой зоне, весь газ сквозь регенератор проходит в холодную зону, его давление падает, и в цилиндр через впускной клапан всасывается газ. Затем он переталкивается вытеснителем в теплую зону, где нагревается. Давление при этом растет, и сжатый газ через выпускной клапан поступает к потребителю.

Рис. 8.5. Схема термокомпрессора

Р. Стирлинг еще в 70-е годы прошлого века предсказывал широкое распространение своих машин в будущем, но он, разумеется, не мог предположить, что вслед за двигателем появится и столь "многодетная семья" низкотемпературных машин Стирлинга. История с изобретением Стирлинга - классический пример возрождения через многие годы и расцвета старой, почти забытой, но глубокой идеи на новом уровне технологии и потребностей общества.

Рис. 8.6. Схема дроссельного микрокриорефрижератора: 1 - компрессор; 2 - холодильник; 3 - криоблок; 4 - коммуникации; 5 - баллон со сжатым газом

Следующая страница: Дроссельные микросистемы криостатирования