Машины, работающие по циклу Стерлинга

КРИОГЕННЫЕ ГАЗОВЫЕ МАШИНЫ

На ранней стадии работ по двигателям Стирлинга Рини и дю Пре заметили, что двигатель, если его вращать с помощью электродви­гателя, может работать и в режиме холодильной машины. В 1945 г. на двигателе мощностью 0,735 кВт (1 л. е.), работавшем по циклу холодильной машины, была достигнута температура 83 К. После­дующие исследования по криогенным машинам с циклом Стирлинга относятся к работам самостоятельной группы, возглавляемой док - трром Келлером (1955—1960 гг.). Дальнейшие 25 лет показали значительные достижения отделения криогенных машин фирмы «Филипс», занявшего ведущее положение в криогенном машино­строении. Считается, что к технике низких температур относятся температуры ниже 100 К, при которых происходит ожижение таких газов, как метан, кислород, азот, аргон, водород, гелий и др.

Келлер отмечал, что он сконструировал свою первую модель по типу рядного воздушного двигателя и в 1950 г. добился доста­точно низкой температуры, при которой можно было уже получить жидкий воздух. К 1954 г. криогенная газовая машина для ожиже­ния воздуха уже работала (рис. 8-10) с производительностью 7 л/ч. Это была одноцилиндровая машина вытеснительного типа с приво­дом от электродвигателя. Головка цилиндра охлаждалась в про­цессе расширений рабочего тела (водорода или ГеЛия). Атмосферный воздух при прохождении через большой теплообменник соприка­сался с холодной головкой машины и постепенно охлаждался до температуры ожижения. Содержащаяся в воздухе влага и угле­кислота осаждались на пластинах вымораживателя. Образовав­шиеся лед и твердую углекислоту необходимо было удалять (при-

Близительно через каждые 100 ч) в процессе «размораживания» мащины, который занимал около 2 ч. Впоследствии в установку для ожижения воздуха была введена воздухоразделительная колонна. В этом случае на установке можно получать азот высокой чистоты с производительностью 5—6 л/ч. Наряду с воздухоразделительными колоннами были разработаны также и четырехцилиндровые вариан­ты машин для ожижения газов с производительностью около 4000 л жидкого, азота в неделю. Эти машины в периоды между «размороз - ками» могут работать автономно до двух недель.

Получил распространение и другой ожижитель газов со второй, дополнительной полостью расширения. Наименьшая температура, которую можно получить на этой машине, составляет 12 К. В такой машине достигается одновременное охлаждение на двух темпера­турных уровнях: от 12 до 40 К в холодном теплообменнике и от 50 до 80 К — в среднем. Эта машина обеспечивает основной темпера­турный контроль системы, предназначенной для исследовательских работ при криогенных температурах, а также входит в установку фирмы «Филипс», объединяющей водородно-неоновый ожижитель и реконденсатор. Применяется машина и как составная часть си-

Рис. 8-12. Характеристики Большой криогенной машины.

Стемы для ожижения гелия, включающей расширительную уста­новку Джоуля — Томсона.

Имеющиеся сейчас в продаже криогенные газовые машины отли­чаются от первоначально созданных ожижителей своими меньшими или большими размерами. Такие миниатюрные криогенные машины разработаны для охлаждения инфракрасных детекторов и других устройств электронной аппаратуры (как, например, для охлаждения сверхпроводящих материалов); они используются как крионасосы, а также для переконденсации криогенных жидкостей. Одноступен­чатые машины позволяют обеспечить температуру охлажде­ния до 30 К, двухступенчатые — до 20 К. Сделана оценка и трех­ступенчатому варианту машины, в которой была достигнута темпе­ратура 7 К. Были разработаны также и очень небольшие машины с общей массой около 1 кг (Даниэльс и дю Пре, 1971 г,) (Daniels, du Pre). С другой стороны, Дросом (Dros, 1965 г.) описана большая промышленного типа криогенная газовая машина (рис. 8-11). Ее характеристики приводятся на рис. 8-12. Машина представляет
особый интерес, поскольку она единственная из числа машин фирмы «Филипс», выполненная не по одноцилиндровой схеме и не относя­щаяся к вытеснительному типу машин. Это машина — двухпоршне - вого типа с гидравлическим приводом поршней; такая компоновка обеспечила значительное увеличение «производительности» по срав­нению с машинами вытеснительного типа. Она предназначена не для лабораторных целей, а для промышленного использования и работает с высокой надежностью длительное время без ремонта. Предполагается, что машина найдет применение при ожижении и переконденсации природного газа, выкипающего из больших ре­зервуаров, и в морских транспортах.

Кёллер и его коллеги подчеркивают важную роль регенератора для криогенных газовых машин. Значимость регенератора для низ­котемпературных машин намного выше, чем для двигателей. Кел­лер отмечает, что снижение эффективности регенератора на 1 % при­водит к 21% потерь идеальной холодопроизводительности при тем­пературе расширения 75 К[14], которые возрастают до 98% при тем­пературе расширения 20 К[15].

В процессе работы над большими промышленного типа криоген­ными установками фирмой «Филипс» была разработана машина с ромбическим приводом. Позднее от нее пришлось отказаться в пользу двухпоршневой гидравлической машины Дроса, описание которой было дано выше. Производство машин с ромбическим при­водом было продолжено компанией «Веркспур» (Werkspoor), и не­которое количество таких машин было продано в конце 60-х годов акционерным обществом С. V. I.