Криогенными называются машины, в которых хотя бы один процесс рабочего цикла протекает при температурах ниже 120 К. их можно подразделить на машины, производящие холод, и на машины, обеспечивающие сжатие и транспортировку криоагентов.
К первой группе относятся машины, в которых сжатый газ или пар расширяется и производит работу. Эти машины предназначены для преобразования теплоты, отводимой от объекта охлаждения при низких температурах, в механическую энергию, которую можно передать, отводить к внешним объектам. Обязательными элементами таких машин являются устройства для восприятия механической энергии от газа: поршень, колесо турбины, вытеснитель. К рассматриваемым машинам относятся детандеры (расширительные машины) и так называемые криогенные газовые машины (КГМ).
Детандеры аналогичны тепловым двигателям, т.е. поршневым паровым двигателям и турбинам. Эти машины получили широкое распространение в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в рефрижераторных гелиевых установках (РГУ) и установках для получения жидких гелия, водорода и других газов.
В КГМ работа расширения газа в холодной полости передается через поршень на вал или вытеснителем к газу, находящемуся в тепловой полости. В КГМ теплообменные аппараты размещены в мертвых объемах поршневой машины. Простейшая КГМ эквивалентна криогенной установке, состоящей из поршневого детандера и теплообменных аппаратов, а КГС Стирлинга – криогенной установке, состоящей из поршневых компрессора и детандера и теплообменных аппаратов. В теплоиспользующих КГМ производят холод за счет подвода теплоты от высокотемпературного теплового источника. В этом случае КГМ состоит из теплового двигателя, компрессора и криогенной установки. Реализация нескольких процессов в одном агрегате позволила сократить массу и размеры установки. Поэтому КГМ получили наибольшее распространение в микрокриогенной технике. Их используют также в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках и гелиевых системах небольшой холодопроизводительности и для переконденсации паров при длительном хранении жидких криопродуктов. Ко второй группе криогенных машин относятся компрессоры и насосы, работающие при температурах ниже 120 К. Они отличаются от аналогичных машин, используемых при нормальных температурах, спецификой теплофизических свойств газов, жидкостей и конструкционных материалов при низких температурах, а также особенностями компоновки с другими агрегатами криогенных установок. Применение холодных компрессоров позволяет организовать каскады для отвода теплоты из зоны с наиболее низкой температурой в зону с промежуточной температурой. Насосы применяют в ожижителях газа и воздухоразделительных установках для выдачи криопродукта при повышенном давлении, а также в гелиевых рефрижераторах для прокачки переохлажденного гелия через каналы охлаждаемых устройств.
Криогенные машины являются базой, на которой создаются все современные криогенные системы.
На рубеже XIX и XX вв. зародилась криогенная техника, поэтому важно отметить то предвиденье одного из первых исследователей в этой области, которой в 1903 г. высказал мнение: «Снижение воздуха в промышленном масштабе является не только революцией в науке, но также – и притом, главным образом, революцией экономической и социальной». Эти слова принадлежат французскому исследователю Ж. Клоду, который работал в области технологии получения жидкого воздуха. Заслуга первого практического применения расширительной машины в криогенной технике принадлежит ему. Хотя идея использования процесса расширения для охлаждения высказывалась и ранее.
В 1857 г. В. Сименс представил предварительное описание патента «Изобретение относится к охлаждению через расширение воздуха или упругих жидкостей. Воздух сначала сжат в цилиндре или насосе, что возвышает его температуру: затем он охлаждается в сжатом состоянии, и его заставляют расширяться в цилиндре или какой-нибудь машине, устроенной для этой цели, что понижает его температуру».
В 1898 г. лорд Релей высказал мнение, что «если совершить расширение по способу Линде в лопастях турбины, то сколь бы ничтожна не была работа последней, это использование должно улучшить результаты в значительной степени». В этом же году Ж. Клод изготовил и начал испытания первой расширительной машины, которая состояла из небольшого вертикального пневматического мотора, тормозимого куском дерева, и теплообменника. При этом первые попытки были направлены на получение в конце процесса расширения парожидкостной смеси. Надо отметить, что они не привели автора к положительному результату, поэтому он стал использовать расширительную машину в качестве генератора холода предварительного охлаждения воздуха, находящегося под давлением. Работы по созданию первых поршневых расширительных машин были независимо проведены Пикте (1905 г.), Гейландом (Германия) и Плясом (США). Гейланд применил поршневой детандер высокого давления в установке сжижения воздуха, который на входе в машину имеет температуру, близкую к условиям окружающей среды, поэтому средняя температура в процессе расширения стала выше, что дало автору возможность использовать смазку минеральным маслом.
В установках ожижения гелия поршневой детандер был применен академиком П.Л. Капицей. В первой машине отказались не только от смазки, но и от плотно двигающегося поршня, который двигался совершенно свободно, и газ протекал через зазор между цилиндром и поршнем. Уменьшение влияния утечки достигалось за счет уменьшения времени процесса расширения по сравнению со временем возвращения поршня назад. У первого образца машины КПД был около 0,7. Основные идеи этой конструкции в дальнейшем получили развитие в конкретных инженерных решениях поршневых детандеров гелиевых установок.
В процессе совершенствования конструкции поршневых детандеров большое внимание исследователи уделяли организации газораспределения. Классический тип поршневого детандера (ПД) с двумя клапанами впуска и выпуска, управляемыми от кулачков, находящихся на коленчатом валу, долгое время оставался единственным, находившим применение в криогенной технике. Однако инерционные усилия, возникающие в механизме управления клапанами, сдерживали частоту вращения коленчатого вала. Увеличения частоты вращения можно было достигнуть, если изменить конструкцию узла газораспределения. Замена клапанного механизма окнами привела к созданию бесклапанного детандера для расширения гелия Доллом и Эдером в 1964 г. У нас этот принцип был еще ранее использован В.Б. Гридиным при проектировании и изготовлении прямоточного детандера, в котором впуск осуществлялся через клапан, а выпуск – через окна.
Другой тип газораспределения – внутренний привод клапанов, в котором запорные органы открываются системой подпружиненных толкателей, расположенных в поршне. Впервые внутренний привод клапанов применен С.Коллинзом в 1938 – 1940 гг., в отечественной практике разработаны машины с внутренним приводом клапанов в ОИЯИ (Дубна) В.А. Белушкиным и Н.Ф. Готвянским и в МЭИ А.Б. Грачевым и Н.М. Савиновой.
Электромагнитный привод клапанов был осуществлен в НПО «Криогенмаш» Е.А. Докшицким. Первоначально импульс на открытие и закрытие клапанов вырабатывался на механическом устройстве типа кулачкового. В современных ПД применяется микропроцессорное управление клапанами, которое позволяет в принципе осуществлять любую диаграмму рабочего процесса машины.
Идея применения турбин для охлаждения газа была высказана одновременно с появлением ПД, но практическое применение задержалось на 30 лет. В 1930-х годах в воздухоразделительных установках стали применяться турбодетандеры. Первые турбодетандеры создавались по типу паровых турбин с активным лопаточным аппаратом. Впервые такая криогенная турбина была применена фирмой «Линде» (Linde, Германия), в советской промышленности выпускали детандер ТД 3100-6/1. Эти машины имели КПД около 0,7.
П.Л. Капица в 1936 г. обратил внимание на тот факт, что воздух при низких температурах становится плотным и по своим свойствам приближается к жидкостям. Это навеяло его на мысль, что криогенные турбины надо строить не по образцу паровых, а по образцу гидравлических реактивных турбин. С тех пор турбодетандеры выполняются реактивными, с длинными лопатками рабочего колеса, а их КПД возрос до 0,8 – 0,85. В первые годы турбодетандерные агрегаты выполняли по схеме «турбина – редуктор – электрогенератор», что ограничивало частоту вращения вала машины. Поэтому турбодетандеры были машинами больших расходов и малых отношений давлений. Работы по созданию высокооборотных гидро- и газостатических подшипников и отказ от утилизации выделяемой энергии в генераторе, использование гидравлических или газодинамических тормозных устройств для диссипации выделяемой энергии позволили создать высокооборотные криогенные турбодетандеры, что значительно расширило область их применения, появились турбодетандеры среднего и высокого давления для ВРУ, гелиевые детандеры для криогенных установок.
В настоящее время ведутся работы по созданию парожидкостных турбодетандеров, которые могут использоваться вместо дросселя в ВРУ.
Первые КГМ были созданы фирмой «Филипс» (Philips, Голландия) в начале 1950-х годов нашего столетия. Следует заметить, что все криогенные машины создавались на базе существующих тепловых двигателей. Так, если для поршневого детандера прототипом является паровой двигатель, а для турбодетандера – газовая турбина, то для КГМ – двигатель внешнего сгорания.
Изобретение одного из видов двигателей внешнего сгорания связано с именем шотландского священника Роберта Стирлинга, в 1816 г. получившего патент на «… машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха». Заложенные в двигателе идеи намного опережали свой век и только, по существу, в наше время получают должную оценку. В основу двигателя Стирлингом положена машина, работающая по замкнутому термодинамическому регенеративному циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения объема. Таким образом, этот принцип может быть положен в основу преобразования теплоты в работу (прямой цикл), что имеет место в двигателе, так и, наоборот, - работы в теплоту (обратный цикл).
В 1834 г. Дж. Гершель предложил конструкцию Р. Стирлинга в качестве холодильной машины для приготовления льда. Однако практически эта идея была реализована только через 30 лет А. Кирком в Шотландии. В 1874 г. он описал конструкцию холодильной машины с регенерацией теплоты, которая уже к этому времени проработала 10 лет. Изобретателем был сконструирован ряд холодильных машин Стирлинга для различных потребителей. Однако на своих конструкциях А. Кирку не удалось достигнуть уровня температур, характерных для криогенной техники. Во второй половине XIX в. Появились двигатели внутреннего сгорания и аммиачные холодильные машины, которые практически вытеснили машины Стирлинга.
Фирма «Филипс» начала работы по возрождению забытых машин в конце 30-х – начале 40-х годов XX в. Программа фирмы включала создание маломощного с низким уровнем звука электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры, другая группа исследователей под руководством И. Келлера предприняла серьезные усилия для промышленной разработки холодильных (криогенных) машин Стирлинга на современном уровне технологии. В 1945 г. при испытаниях конструкции двигателя мощностью в 1 л. с. в качестве холодильной машины удалось ожижить воздух. С 1953 г. фирма «Филипс» начала серийный выпуск КГМ Стирлинга. Реализация предложенных Стирлингом конструктивных мероприятий при разработке машины на современном технологическом уровне позволила фирме создать КГМ с КПД, превышающим КПД криогенных установок такой же холодопроизводительности.
В 1960-е годы ведущими криогенными фирмами США, такими как «Малакер Корпорейшн» (Malaker Corporation), «Хьюз Эйркрафт» (Hughes Aircraft), «Мартин – Мариетта» (Martine – Marietta), совместно с Северо-американским отделением фирмы «Филипс» были созданы разнообразные конструкции КГМ Стирлинга с полезной холодопроизводительностью от 1 Вт до 420 кВт. В эти же годы был начат серийный выпуск отечкственных машин (ЗИФ – 700, ЗИФ – 1000, КГМ – 9000/80 и др.). Распространение получили микрокриогенные машины Стирлинга, которые перекрывают требуемый диапазон полезных холодопроизводителей практически во всем интервале температур от 8 до 80 – 100 К. разработаны конструкции простого и двойного (1959 г.) действия с кривошипно-шатунным и ромбическим (1965 г.) приводом поршня и вытеснителя. В 1959 г. появились первые КГМ Стирлинга со свободным вытеснителем, в 1970 г. – начат серийный выпуск сплит-Стирлингов (КГС с отделенной низкотемпературной частью). Начиная с 1978 г. и до настоящего времени ведутся интенсивные проработки конструкций машин с линейным приводом и магнитным подвесом поршня и вытеснителя.
Первое описание теплоиспользующей КГМ было приведено Р. Вюлюмье в патенте США в 1918 г. однако каких-либо сведений о попытках практической реализации идеи история не сохранила. Повторное изобретение машины было сделано в 1938 г. В. Бушем, который занимался разработкой теплоиспользуемых компримирующих устройств. В 1951 г. сотрудником лаборатории в Лейденском Университете (Голландия) К. Таконисом был взят патент США на криогенную машину с тепловым приводом и регенерацией теплоты. Поэтому часто в литературе КГМ этого типа называют машинами Вюлюмье – Такониса. Благодаря высокой эффективности, «всеядности» (для работы машины необходим любой возможный источник теплоты высокого потенциала), длительному ресурсу и высокой надежности эти машины нашли применение в транспортных системах. Значительное число успешных разработок теплоиспользующих КГМ выполнено в США фирмой «Хьюз Эйркрафт» (Hughes Aircraft). С 1973 г. серийно выпускаются сплитмашины и трехступенчатые машины с полезной холодопроизводительностью 3 Вт на уровне 12 К. Ресурс непрерывной работы машин доведен до 20 000 ч.
В настоящее время конструктивные разработки в основном касаются совершенствования приводного механизма и поиска конструкционных материалов для горячих цилиндров и нагревателей. Для охлаждения приемников излучения и других устройств потребовались машины с холодопроизводительностью в десятки раз меньшей холодопроизаодительности выпускаемых в то время криогенных машин. В конце 1950-х гг. в США В. Гиффордом и Г. Мак-Магоном были запатентованы два типа КГМ с независимым источником сжатого газа.
Прототипом первой КГМ (в отечественной литературе принято название – детандер со встроенным регенератором) является забытая холодильная машина, изобретенная в Германии Сольвеем еще в 1887 г. О(на представляет собой поршневой детандер, в котором между рабочими клапанами и полостью расширения располагается регенератор. Однако несмотря на современную технологическую базу сложная конструкция тормозного устройства, трудности с подбором материалов и конструкции уплотнительных элементов поршня обусловили низкую эффективность и малую надежность первых образцов, изготовленных фирмой «А. Д. Литтл Инкорпорейтид» (A.D. Little Inc). По этим причинам машины не получили развития.
В основу второго типа КГМ положена конструкция регенеративной холодильной машины, изобретенная Д. Постлом в Австралии и запатентованная в Англии в 1873 г. Оригинал представлял собой машину двойного действия, в качестве рабочего тела, который использовался водород. Подобные холодильные машины предназначались для охлаждения мяса на морских судах.
В 1960 г. В. Гиффорд и Г. Мак-Магон, по-существу, вторично изобрели машину. Разделив узел расширения и узел сжатия, им удалось реализовать оригинальный холодильный цикл с неравновесным расширением рабочего газа и передачей энергии в окружающую среду в виде теплоты. После создания первых удачных образцов в течение года был освоен серийный выпуск КГМ Гиффорда – Мак-Магона.
Надо отметить, что в СССР также широко и глубоко занимались теорией и опытно конструкторской разработкой КГМ. Большой вклад в развитие теории КГМ был сделан группой ученых МВТУ им. Баумана (А.Д. Суслов, А.М. Архаров, Е.И. Микулин и др.). Следует отметить работы по моделированию рабочего процесса КГМ Н.М. Григоренко, А.Г. Подольского и др. Группа исследователей А.К. Грезина провела работы по исследованию и созданию эффективных КГМ для микрокриогенной техники.
