В. М. Бродянский. Криогенная техника. Основы специальности

Задачи и методы криогенной инженерии

Решение многочисленных задач, часть которых перечислена выше, связано с развитием криогенной техники в трех основных направлениях.

Во-первых, необходимо получить и постоянно поддерживать на нужном уровне низкую температуру («получить холод»). Для этого необходимо, чтобы какое-то вещество (криоагент) в нужном количестве постоянно охлаждалось до заданной низкой температуры.

Во-вторых, нужно полученный холодный криоагент сохранять и в случае необходимости доставлять к объекту, нуждающемуся в холоде, на определенное расстояние и без существенных потерь. Для этого требуется прежде всего высокоэффективная тепловая изоляция, которая не допускала бы больших теплопритоков извне к холодному криоагенту. Иначе он нагреется и при этом будет охлаждать не нужный нам объект а окружающую среду.

В-третьих, нужно эффективно использовать криоагент, чтобы отводить тепло от объекта при низкой температуре. Это означает, что между криоагентом и объектом должна быть обеспечена достаточно эффективная теплопередача. Она может осуществляться как непосредственным контактом (объект прямо «омывается» потоком холодного криоагента или «купается» в нем) или через теплопроводную стенку, если непосредственный контакт исключен.

Развитие каждого из этих направлений привело к созданию многочисленных технических средств - аппаратов, машин, приборов и систем управления, которые соединены в большие установки и в некоторых случаях в большие сложные комплексы, включающие ряд установок. Разбор устройства и работы всех этих объектов криогенной техники ведется в специальных дисциплинах, изучаемых на старших курсах института. Предварительное ознакомление с основами криогенной техники можно провести по [18-20].

Здесь мы скажем кратко только о некоторых методах, имеющих принципиальное значение для каждого из трех направлений криогенной техники.

1. Получение низких температур неизбежно связано с процессом, который называется «внутреннее охлаждение». Он принципиально отличается от другого вида охлаждения - внешнего, когда тело охлаждается каким-либо другим, более холодным, уже заранее имеющим пониженную температуру. Но где взять такое, более холодное тело? Можно, конечно (как это уже и делали), сохранить до лета зимний лед или привезти его из Арктики или с гор. Но, во-первых, это не везде и не всегда возможно, и, во-вторых, такое охлаждение для получения криотемператур недостаточно.

Нужно иметь способ охлаждения, не зависящий от прихотей природы. Нужно сделать так, чтобы само тело охлаждалось до нужной низкой температуры, т.е. организовать его внутреннее охлаждение. Для этого есть только один способ: нужно, чтобы это тело произвело работу (т.е. отдало энергию, не получая ее извне). Тогда оно неизбежно охладится. Если, например, предварительно сжатому газу, имеющему температуру окружающей среды, например 20°С (293K), дать расшириться в пневматический машине (детандере), то он, отдавая работу, будет охлаждаться на несколько десятков градусов. Работа, отводимая от охлаждаемого вещества, не обязательно должна быть механической. Она может быть, например, химической (как при взаимном растворении льда и соли), электрической (например, при деполяризации диэлектрика) и т.д. Во всех случаях произойдет самостоятельное, внутреннее охлаждение - понижение температуры тела без внешнего отвода тепла другим, более холодным телом.

Правильно используя такие процессы (или их сочетания), можно получить любую нужную температуру. Следует только помнить, что внутреннее охлаждение любого вида не может произойти само по себе, без предварительной затраты работы (на предварительное сжатие газа, получение исходных веществ, поляризацию диэлектрика и т.д.). Этим процессы охлаждения принципиально отличаются от процессов нагревания, которые могут развиваться сами, без затраты работы (нужен только импульс, «спусковой крючок», например, зажженная спичка, поднесенная к горючему веществу). Английский ученый Н. Курти хорошо показал эту разницу, сказав, что «возникновение пожара даже зимой - вещь совершенно обычная, но замерзание водоемов летом - это уже было бы чудом». Именно такими чудесами и занимается криогенная техника.

2. Сохранение холода - задача не такая трудная, как его получение, но тоже достаточно серьезная. Впервые она была решена французом д'Арсонвалем, который изобрел двустенный стеклянный сосуд, пространство между стенками которого было вакуумировано, и англичанином - Д. Дьюаром, который предложил посеребрить изнутри стенки такого сосуда. (Д.Дьюар первым ожижил водород.) Вакуум между стенками резко уменьшал теплопритоки из-за теплопроводности к ожиженному газу (или другому холодному объекту), находящемуся в сосуде, а серебрение снижало поступление тепла извне посредством излучения.

Такие сосуды Дьюара делают теперь не только стеклянные, но и металлические, самых разных размеров. Бывают и такие, в которых можно хранить на месте или перевозить сотни тонн ожиженных газов (например, кислорода при -183°С или водорода при -253°С).

Существуют и трубопроводы с вакуумной изоляцией, по которым холодные ожиженные газы перекачивают не только на сотни метров, но и на десятки километров.

3. Использование холода осуществляется самыми разнообразными путями в зависимости от его назначения. Если конечная цель состоит в получении ожиженного или замороженного газа (криоагента), то после транспортирования он передается потребителю, который поступает с ним в соответствии со своими целями. Он может, например, заполнить жидкостью баки ракеты, направить его (если это жидкий кислород) в конвертор для выплавки стали, использовать его для охлаждения продуктов. Можно снова превратить его в газ (газифицировать), а затем уже направить в производство.

В другом случае холод непосредственно в криогенной установке используется для технологических целей - например, для разделения газовых смесей воздуха или других смесей.

Наконец, криогенная установка может использоваться для поддержания какого-то объекта при заданной криотемпературе (т.е. для криостатирования). В этом случае объект (например, чувствительный элемент радиоприемного устройства) либо приводится в непосредственный контакт с холодными криоагентами - газом или жидкостью, либо, если это нежелательно, тепло отводится через теплопроводную стенку. После этого криоагент возвращается в криогенную установку.

Установки первого типа относится к классу L (от Liquide - жидкость),
второго - к классу D (от Distillatiou - разделение) и
третьего - к классу R (от Refrigeratiou - охлаждение).

Создание таких установок на современном уровне требует использования весьма солидной научной базы, в особенности в тех случаях, когда разрабатываются новые методы охлаждения. Для каждого этапа создания нового технического объекта нужна в соответствии со схемой на рис. 2б соответствующая работа специалистов. Они должны владеть всем комплексом информации, даваемой на основе базовых, общетехнических и специальных дисциплин, а такие необходимыми умениями и навыками. И главное - нужно быть творческим человеком. Все это вместе и определяет стиль специалиста-инженера.

Следующая страница: Краткий словарь терминов «крио»