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

3.3. ПАРОВЫЕ (ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ) ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Идея паровой компрессионной холодильной машины зародилась, по существу, уже тогда, когда впервые вода была охлаждена под колпаком при откачке воздуха насосом. Однако до машины как таковой было еще далеко, так как производилось лишь однократное, а не непрерывное охлаждение. Но и при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало большие трудности. Чтобы их уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. [Эта, на первых порах малоперспективная, идея тоже содержала рациональное зерно, которое, как мы увидим, потом проросло, дав начало абсорбционным холодильным машинам.] Систематическое исследование получения холода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала (1781 г.) Т. Кавалло и позже (1813 г.) А. Маре.

В 1805 г. О. Эванс опубликовал описание машины "для охлаждения жидкостей", в котором предлагалось использовать для этой цели испарение этилового спирта.

Описанная им идея включает почти все принципиально важные для холодильной машины процессы: испарение эфира при низком давлении (под вакуумом), откачку пара насосом (т.е. компрессором) в другой сосуд и конденсацию этого пара холодной водой, отводящей от него тепло. Здесь не хватает только одного важного элемента, который позволил бы замкнуть цикл и вернуть жидкий эфир в сосуд, где он бы мог снова испаряться, охлаждая или замораживая воду.

Для этого был только единственный путь - заставить эфир циркулировать в замкнутом контуре так же, как и в газовой машине.

Первым, кто успешно вступил на этот путь и подготовил условия для продвижения по нему, был англичанин Я. Перкинс. В августе 1834 г. он получил британский патент N°6662 "Аппарат для производства холода и охлаждающих жидкостей". Эта дата может быть с полным основанием принята как начальная точка отсчета в истории паровых холодильных машин.

Я. Перкинс родился в 1766 г (рис. 3.8). Получив техническое образование, он всю жизнь работал над совершенствованием паровых машин и накопил большой опыт в этой области. Только в довольно солидном возрасте он по причинам, которые его биографы не могли выяснить, обратился к холодильным машинам, которые в то время не имели какого-либо промышленного значения. Ему было 68 лет, когда он получил свой основополагающий патент на парокомпрессионную холодильную машину с замкнутым контуром. Он прожил еще 15 лет, но реализовать эти идеи ему не удалось, хотя ему, как известному конструктору паровых машин, казалось бы, признание должно было быть обеспечено. Один из его биографов писал: "Нет сомнения, что он заплатил штраф за то, что опередил свое время".

Рис. 3.8. Якоб Перкинс.

Судьба идей Перкинса обычна: большинство слишком новых предложений не нашли отклика у современников. Однако она уникальна в том смысле, что трудно найти в истерии техники человека, который в таком возрасте сделал бы столь важное изобретение, да еще в новой области.

В своем патенте Перкинс предложил собирать испарившееся летучее вещество, затем сжимать его газовым насосом, т.е. компрессором) и после этого снова конденсировать холодной водой, т.е. осуществлять полный цикл, чтобы непрерывно снова получать то же самое количество легколетучего вещества. Эта кажущаяся теперь очень естественной мысль в четкой форме до Перкинса никому не приходила в голову. Он, однако, не ограничился престо выдвижением идеи, а продумал и ее инженерную реализацию.

На рис. 3.9 показан чертеж из его патента. В изолированном сосуде а находится охлаждаемая жидкость. Предусмотрен также сосуд с легкокипящим испаряющимся веществом (испаритель) b. В качестве такого вещества Перкинс рекомендовал эфир (этиловый эфир), поскольку он дешев и характеризуется невысоким давлением пара. Пары поступают по трубопроводу f в паровой насос с (т.е. компрессор) и после сжатия подаются по трубопроводу g в конденсатор d, помещенный в ванне е с холодной водой (погружной конденсатор). Здесь пар при давлении, близком к атмосферному, конденсируется, и жидкость через дроссельный клапан h возвращается в испаритель. Видно, что здесь полностью предусмотрены все части парокомпрессионной холодильной установки. Если весь воздух из машины удалить, она будет исправно работать.

Рис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из патентного описания).

Я. Перкинсу не пришлось увидеть свою машину "в металле". Довольно несовершенная опытная машина по идее Перкинса была сделана уже после его смерти. Ее устройство полностью повторяет эскиз Перкинса (рис. 3.10), но ручной насос заменен уже механическим компрессором. Испаритель выполнен в виде двух соединенных полушарий. В верхний помещается замораживаемая вода, а в междустенное пространство - испаряющийся хладагент. На этой машине удалось получать довольно много льда. Я. Перкинс не был единственным, кто подошел к идее цикла. Похожие мысли высказывали в 30-е годы немец Хазен и англичанин Шоу. Однако их идеи не были столь доработаны. Большого успеха достиг в практическом осуществлении идеи Перкинса А. Твиннинг, с 1848 г. начавший работу с этиловым эфиром. В 1850 г. он получил английский, а в 1853 г. американский патент (№10221). Одна такая машина работала в Кливленде и давала 50 кг льда в час.

Рис. 3.10. Усовершенствованный вариант машины Перкинса.

Наибольший успех в развитии паровых холодильных машин был достигнут Дж. Гаррисоном (родился в 1816 г. в Глазго). Это, несомненно, вторая крупная фигура в истории паровых холодильных машин после Перкинса. Он эмигрировал в Австралию (Сидней) в 1837 г. и поселился вблизи Мельбурна. Был сначала журналистом и издателем газеты, но с 1850 г. занялся проблемами получения холода. Его первая профессия давала возможность быть в курсе главных экономических проблем того времени. Одна из них была связана с потребностью в замораживании мяса, экспортируемого из Австралии в Англию.

В период 1856-1857 гг. он получил два основополагающих английских патента (№747 и 2362) на машины с этиловым эфиром в качестве хладагента. Правда, он уже обдумывал в это время использование других рабочих тел, в особенности аммиака. В 1875 г. Гаррисон ездил в Лондон, где обсуждал проблемы охлаждения с Фарадеем и Тиндалем.[ Характерно, что многие создатели холодильной техники поддерживали связь с тогдашними корифеями науки и консультировались с ними. В числе таких консультантов был наряду с Фарадеем и Тиндалем и В. Томсон-Кельвин (который помогал Големану), Гей-Люссак и др.]

Наладив производство холодильных машин, Гаррисон занялся непосредственно замораживанием мяса для экспорта в Англию. Однако сначала он попробовал замораживать мясо на берегу в стационарных условиях. В 1873 г. он провел эксперимент в Мельбурне, заморозив посредством своей машины мясо, рыбу и тушки птицы. Через 6 мес. был проведен осмотр и проверка качества. После удачного окончания этой пробы Гаррисон в 1873 г. решился на широкомасштабный эксперимент. Он погрузил на судно "Норфольк", оборудованное его холодильной установкой, 20 т баранины и говядины, заморозил груз на борту, и судно отправилось в Англию. Однако здесь Гаррисона ожидало поражение: машина вышла по дороге из строя и по прибытии в Лондон покупателя на привезенное мясо не нашлось. Гаррисон понес большие убытки, вынужден был оставить коммерческую деятельность и занялся научной работой, Умер он в 1893 г. Машины Гаррисона, работающие на эфире, продолжали несколько лет выпускаться в Лондоне.

Независимо от Гаррисона, Ф. Карре, известный тем, что изобрел совершенно новый и оригинальный вариант паровой холодильной машины (о котором речь будет дальше), разработал паровые холодильные машины не только на этиловом эфире, но и на сернистом ангидриде (французский патент от 27.06.1857).

Одна из установок, построенных по этому патенту, была смонтирована в южной Франции на заводе по производству соли и использовалась при получении сернокислого натрия (глауберовой соли) из морской воды.

Следующая страница: Эволюция паровых холодильных машин