В. М. Бродянский. Криогенная техника. Основы специальности

3. КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА
3.1. Немного истории

Полезность низких температур была осознана человеком с очень древних времен. Первыми, естественно, начали использовать холод северные народы для сохранения мяса, жира и других пищевых продуктов в замороженном виде. На то время года, когда температура поднималась выше 0°С, использовался лед, который сохранялся в специальных ямах или погребах.

Постепенно умение пользоваться льдом для охлаждения пищевых продуктов проникало на юг. Лед доставляли с севера или с гор, часто перевозя его на большие расстояния. В греческой и латинской античной литературе встречаются упоминания об использовании льда для охлаждения напитков; для дворов калифа Мекки и каирского султана лед и снег доставляли верблюжьими караванами с гор Сирии и Ливана.

Наряду с таким «естественным» охлаждением очень давно появилось и искусственное. Первым способом искусственного охлаждения было испарительное. Еще на египетских фресках 2500 г. до нашей, эры можно видеть рабов, которые охлаждали воду в глиняных сосудах, создавая ветер над ее поверхностью большими опахалами. Позже были придуманы пористые глиняные сосуды, с поверхности которых испарялась просачивающаяся вода, охлаждая ту ее часть, которая оставалась внутри. Такая посуда получила распространение в Испании и Португалии после крестовых походов; в Венгрии она была известна и ранее.

Вторым, также очень давно известным методом искусственного охлаждения был химический, основанный на использовании охлаждающих смесей - лед с поваренной солью (NaCl) или селитрой (NaNC₃). Такие смеси позволяют получать температуры до -18° -20°С. В древнем Риме таким путем сохранялась рыба, доставляемая с альпийских озер.

В средние века научились использовать холод и в технологических процессах. Парацельс (1493-1541) сообщает о способе повышения содержания спирта в вине: "То, что вымерзает, отбрось; то, что не вымерзает, по сущности своей представляет spiritus vini (т.е. спирт, который концентрируется в жидкости, так как лед состоит из почти чистой воды).

Великий английский ученый, философ и общественный Ф. Бэкон (1561-1626) изучал замораживание пищевых продуктов в охлаждающих смесях; он умер, простудившись при одном из таких экспериментов.

В 1660 г. флорентиец Прокопио Костелло открыл в Париже кафе, в котором продавалось мороженое, полученное посредством льда и соли. Производство росло и в 1676 г. его цех мороженого имел уже 250 рабочих. В 18 веке охлаждающие смеси изучал М.В. Ломоносов.

До конца 18 века охлаждающие смеси оставались единственным способом получения низких температур. Рекордно низкая температура (-110°С) на основе этого метода была достигнута М. Фарадеем (смесь твердого CO₂ с эфиром под вакуумом). Отдельные попытки создать машинный метод охлаждения были сделаны в начале 19 века, но более быстрое развитие это направление получило уже после середины века. К этому времени уже были созданы теоретические предпосылки для разработки холодильной, а затем и криогенной техники.

В 1876 г. К. Линде начал в Аусбурге (Германия) серийное производство аммиачных компрессионных холодильных установок, и можно считать, что с этой даты началась холодильная техника. Позже были значительно усовершенствованы машины, изобретены новые рабочие тела, улучшены энергетические, массово-габаритные показатели, повышена надежность, введена автоматика, но... принцип работы остался тот же, Только в наше время намечается новый качественный скачок, связанный с разработкой эффективных электрических и магнитных методов охлаждения.

Криогенная техника, температурная граница которой, условно отделяющая ее от холодильной техники, проходит на уровне 120K (-153°С), родилась, как принято официально считать, в 1877 г. В это время швейцарский инженер Р. Пикте и французский физик Л. Кайете независимо один от другого (и разными способами) достигли температур ниже 100K (точно мерить такие температуры тогда не умели) и получили жидкий кислород. Правда, ни тот, ни другой не сумели его собрать и наблюдали только мелкие капли и туман, которые быстро испарялись; однако решающий шаг был сделан. Через 5 лет в Кракове польские ученые З. Вроблевский и К. Ольшевский получили уже жидкий кислород в количестве, достаточном для того, чтобы изучить его свойства. Таким образом, была надежно получена температура 90K. Затем Ольшевский ожижил азот (77K) и аргон (87K).

Следующий шаг - ожижение водорода - дался с большим трудом, но в 1898 г. Д. Дьюар в Англии ожижил и его (20K). Немного раньше в 1895 г. К. Линде (тот же самый ученый и инженер, который наладил выпуск холодильных установок) создал первую, уже промышленную установку для ожижения воздуха. Оставался только один газ, не поддавшийся ожижению, - гелий; но в 1908 г. в Лейдене (Голландия) Г. Камерлинг-Оннес ожижил и его. Таким образом удалось получить температуру 4,2K. В дальнейшем, откачивая пары над жидким гелием, Камерлинг-Оннес добрался до температур ниже 1K [19, 20].

Можно считать, что после успеха этих опытов вся область температур, нужных для криогенной техники, была покорена. Однако чтобы обеспечить переход от лабораторной криогеники к промышленной, к широким практическим ее приложениям, понадобилась еще примерно половина ХХ столетия.

Следующая страница: Развитие криогеники в двадцатом веке