Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Первую действующую холодильную установку создал американский врач Дж. Горри. Он работал врачом в г. Апалачикола (штат Флорида). Жаркий климат этого района побудил Горри заняться холодильными делами. Видя своих пациентов, мучающихся от жары в помещениях больницы, он думал о том, как им помочь. Лед позволил бы создать в палатах совсем другой климат, но его не было. Горри решил сконструировать холодильную машину, позволяющую получать лед в количестве, достаточном для этой цели. В 1845 г. это ему удалось.
Модель установки Горри до сих пор хранится в патентном ведомстве США. «Льдоделательная» машина состояла из цилиндра диаметром около 200 мм, воздух в котором посредством поршня сжимался до 0,2 МПа. Тепло, выделяющееся при сжатии, отводилось посредством впрыскивания воды. Сжатый воздух поступал в цилиндрический горизонтальный ресивер, тоже охлаждаемый водой, пропускаемой по уложенным внутри трубкам. При последующем расширении воздуха в поршневом детандере в его цилиндр впрыскивалась соленая вода, которая при этом охлаждалась расширяющимся воздухом. Она и использовалась для получения льда.
Машина исправно работала, и Горри захотел сделать свое изобретение доступным всем, кто в нем нуждался. В мае 1851 г. он получил патент на свою машину.
Из приложения к патенту видно, что Горри усовершенствовал свою машину, заменив впрыск соленой воды погружением в соленую воду. С современной точки зрения, схема машины почти безупречна. Компрессор и детандер в этой машине конструктивно несовершенны, но в то время не было почти никакого опыта создания воздушных компрессоров, а тем более расширительных машин – детандеров. Можно было использовать только идеи и конструктивные элементы из опыта создания паровых двигателей. Тем не менее, Горри, не имевший ни инженерного образования, ни практики, сумел разработать эти машины и на их основе создать вполне работоспособный агрегат.
Не понятый своими современниками и разочарованный цепью неудач, Горри заболел и скончался в возрасте 52 лет. Планы его не осуществились. Соотечественники в конце концов оценили его заслуги: через 44 года после смерти Горри фирма, выпускавшая холодильные машины, воздвигла памятник в городе, где он работал. В памятном зале Капитолия в Вашингтоне («Зале славы»), где каждый штат устанавливает памятник своему самому выдающемуся гражданину, Флориду представляет Горри.
Идея Горри послужила основой для дальнейшего развития холодильников. В 1857 г. В. Сименс, немецкий техник, переселившийся в Англию, опубликовал труд, в котором критически рассматривал машины Горри. Отдавая должное достоинствам, Сименс отметил и недостатки. Но, критикуя, он также искал пути устранения этих недостатков.
В замечаниях Сименса сказано, что воздух, который выходит из цилиндра детандера и расходуется на охлаждение соленой воды, недостаточно охлаждается, если его подавать непосредственно в воду, как сделано у Горри. Он предложил этот воздух не выпускать, а направлять в специальный теплообменный аппарат противотоком к сжатому воздуху, идущему в детандер. Это предложение было им запатентовано.
Открытие регенерации тепла произвело подлинный переворот и в дальнейшем нашло широкое применение не только в низкотемпературной технике, но и во многих областях энергетики.
Другим достижением стала воздушная машина шотландского инженера А. Кирка. Она была уже вполне пригодна для промышленной эксплуатации, многие ее образцы использовались в различных устройствах, нуждающихся в холоде.
Холодильный агрегат Кирка отличался от машин его предшественников прежде всего тем, что работал по замкнутому циклу с использованием регенерации тепла. В ней постоянно циркулировала порция воздуха. Идея регенерации тепла, изложенная в этом патенте, давала огромные преимущества. Отработанный холодный воздух, сохранивший достаточно низкую температуру, не выбрасывается бесполезно, а возвращается в систему и используется для того, чтобы предварительно охладить сжатый воздух, направляемый на расширение. В этом случае на вход в детандер воздух поступает более холодным, на выходе он тоже понижает температуру. Таким образом, при тех же затратах получается большее охлаждение. По существу, после введения регенеративного теплообмена окончательно были установлены «три кита», на которых стоит вся классическая низкотемпературная техника: это детандер (или дроссель), регенеративный теплообменник и компрессор.
Регенерацию тепла впервые ввел в технику шотландский пастор Р. Стирлинг, когда в 1816 г. изготовил и запатентовал свой воздушный тепловой двигатель.
Осушка воздуха в нем производилась посредством сосуда с концентрированной серной кислотой, смещенного в нагнетательной линии. В компрессоре влага, содержавшаяся в воздухе, поглощалась кислотой. В дальнейшем кислота нужна была только для того, чтобы удалять влагу, поступавшую с наружным воздухом через неплотности в коммуникациях.
Кроме перехода на замкнутый процесс Кирк ввел еще одну новинку: регенерация тепла происходила в его агрегате не в обменнике, где два потока газа движутся навстречу друг другу (противоточный теплообменник), а в регенераторе. Он представлял собой трубу, заполненную металлической стружкой или мелкими осколками камня, через которые свободно проходил воздух. Когда через регенератор пропускался теплый воздух, насадка нагревалась. Затем теплый воздух отключался, и в противоположном направлении пропускался холодный, который, охлаждая насадку, нагревался сам. Затем снова пропускался теплый воздух, который охлаждался, нагревая насадку, и т. д. В результате тепло, так же как и в теплообменнике, передавалось от теплого потока к холодному, но не через стенку, а посредством насадки. Регенератор по устройству проще теплообменника и может передать больше тепла на единицу объема, чем теплообменник.
Усовершенствования, сделанные Кирком, привели к достижениям, намного превышающим результаты, полученные его предшественниками. Сначала он добился, чтобы температура на выходе из детандера была равной –13 °C, а затем, после доработки, ему удалось даже заморозить ртуть. Это означало, что впервые в холодильной машине удалось получать непрерывно температуру ниже –40 °C.
Стоит отметить, что Кирк уже вышел за пределы чисто познавательного мышления, и его машина могла производить холод в довольно широком интервале низких температур от –3 до –40 °C.
Машины того времени требовали от 1,5 до 1,75 кг топлива (угля) и мощности, равной лошадиной силе в час. Расчет по углю, а не по электроэнергии, вполне понятен, если вспомнить, что в то время не было электростанций и электросетей. Каждая холодильная установка имела свой индивидуальный привод от паровой машины и представляла единый агрегат, состоящий из двух машин: холодильной и паровой. Сравнительно невысокий КПД холодильной машины Кирка был существенно выше, чем у паровой машины, приводящей ее в движение.
В дальнейшем Кирк разработал другие, еще более совершенные варианты своей машины. Если в первой машине Кирка давление воздуха составляло едва 0,2 МПа, то в новых машинах оно достигало уже 0,6–0,8 МПа. Одна из первых больших машин новой модификации была установлена в 1864 г. на фабрике по производству масла «Юнг, Мелдрум и Винни». Она работала круглосуточно 10 лет и останавливалась на текущий ремонт только на 1–2 суток через каждые 6–8 мес. Число выпущенных Кирком машин было невелико, но они сыграли важную роль не только в развитии, но и в распространении холодильной техники.
Воздушные холодильные машины в дальнейшем совершенствовались американцем Л. Алленом и немцем Ф. Виндхаузеном.
Таким образом, к 60-м годам XIX в. уже вполне сложились схемы воздушных холодильных установок.
К 70-м годам XIX в. воздушные холодильные машины были довольно широко распространены. П. Гиффорд представил такую машину на Парижской выставке в 1877 г. С 1880 г. их начали выпускать в Англии, широко используя для транспортировки охлажденной рыбы.
Более совершенной была машина, разработанная Дж. Големаном. Она отличалась от других тщательно отработанной конструкцией, большей безопасностью эксплуатации и нашла в то время широкое распространение. В машине Големана впервые были использованы для регулировки дроссель на паропроводе паровой машины и термостат, установленный в охлаждаемом помещении.
В машине применялся противоточный регенеративный теплопроцесс, в котором воздух, возвращающийся из холодильной камеры, охлаждал сжатый в компрессоре и идущий на детандер воздух.
Эти машины были уже довольно крупными, их мощность достигала 221 кВт. Многие английские фирмы выпускали эти машины и в дальнейшем. Несмотря на это, воздушные холодильные установки к 70–80-м годам XIX в. почти полностью сошли со сцены.
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 при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало трудности. Чтобы его уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. Систематическое исследование получения холода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала Т. Кавалло в 1781 г. и позже А. Маре в 1813 г.
