VIVOS VOCO: Н.Н. Агапов, "Проблема ожижения гелия"

Проблема ожижения гелия

Н.Н. Агапов
к.т.н., директор Исследовательского центра прикладной криогеники и сверхпроводимости ОИЯИ, Дубна

Когда говорят о работах П.Л. Капицы, связанных с жидким гелием, то имеют в виду, как правило, открытия - сверхтекучесть, "сопротивление Капицы" и другие новые физические эффекты. Это, несомненно, верно, но нельзя забывать и еще один его вклад - "гелиевый", который совершил настоящий переворот в технике получения жидкого гелия, позволив производить достаточное количество этой необычной жидкости.Только благодаря этой работе стало возможным сильно продвинуть как исследование, так и использование гелия - и жидкого, и газообразного - в самых различных областях.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Гелий впервые был обнаружен в атмосфере Солнца в 1868 г. Однако прошло целых 27 лет до того момента, когда В.Рамзай сообщил об открытии этого элемента на Земле. К концу XIX в. удалось ожижить практически все газы, и даже наиболее "неподдающийся" из них - водород. Казалось, вскоре удастся покорить и гелий. Но XIX век закончился, а все попытки ожижить гелий так и не дали результата, хотя основополагающие идеи (которые в дальнейшем легли в основу осуществления этого процесса) возникли еще задолго до обнаружения гелия на Земле.

Первая из таких идей связана, по-видимому, с именем американского врача Дж. Горри, который в 1846 г. получил искусственный лед путем расширения сжатого воздуха в поршневом двигателе, сделанном из паровой машины. Это была первая модель детандера - машины для получения холода при адиабатическом расширении газа с отдачей внешней работы. В 1857 г. В. Сименс также построил поршневой детандер, с помощью которого он пытался ожижить воздух. И хотя эта попытка оказалась безуспешной, она все же сделала весьма существенный вклад в общее развитие низкотемпературной техники - здесь впервые был применен рекуперативный противоточный теплообменник.

В 1852 г. Дж. Джоулем и У. Томсоном был открыт другой эффект (эффект Джоуля-Томсона): при расширении дросселированием температура газов существенно снижается. Используя эффект Джоуля-Томсона при расширении воздуха, К. Линде в 1895 г. создал первую установку для ожижения воздуха в промышленном масштабе. Для водорода, однако, охлаждение при дросселировании наблюдалось только при достаточно низких температурах. Используя предварительное охлаждение жидким азотом, а также дросселирование, Дж. Дьюар в 1898 г. наконец ожижил водород.

Для получения более низких температур г. Камерлинг-Оннесу пришлось ограничиться дросселированием и создавать многоступенчатую каскадную установку без использования детандера. В каждой последующей ступени такой установки циркулировало и дросселировалось свое рабочее тело с более низкой, чем в предыдущей, температурой кипения. Установка состояла из четырех ступеней: хлорметиловой, этиленовой, кислородной и азотной. Затем была добавлена водородная ступень, позволявшая получать жидкий водород. Так, в Лейденской лаборатории Камерлинг-Оннесу удалось получать довольно значительное потому времени количество жидкого водорода - 4 л/ч. Только после этого к установке была пристроена последняя, шестая гелиевая дроссельная ступень. С ее помощью наконец в 1908 г. гелий был ожижен. Это было крупнейшим научным и техническим достижением. Установка ожижения гелия производительностью около 0,3 л/ч представляла собой по существу целый завод с уникальным оборудованием и специально обученным обслуживающим персоналом.

Долгое время нигде в мире не могли соорудить такую систему, и до 1923 г. гелий ожижали только в Лейдене. Затем было построено еще несколько ожижителей, принцип работы которых лишь в деталях отличался от первого ожижителя Камерлинг-Оннеса. Чрезвычайная сложность дроссельного каскадного метода ограничивала число лабораторий, имеющих возможность производить жидкий гелий для своих экспериментов. Надо было искать выход.

Попытки разработать другие, менее сложные методы ожижения гелия не дали результатов, позволяющих относительно просто и надежно получать жидкий гелий в достаточном количестве.

ПЕРВЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ГЕЛИЯ П.Л. КАПИЦЫ

В 1934 г. П.Л. Капица писал: "Открытие Камерлинг-Оннесом метода ожижения гелия привело за последние тридцать лет к целому ряду открытий, чрезвычайно существенных для изучения твердого состояния. Несмотря на это, в настоящее время еще очень немного лабораторий располагает аппаратурой, необходимой для получения жидкого гелия. Поэтому было бы чрезвычайно желательно упростить сложную технику получения жидкого гелия, что позволило бы его более широко использовать".

Так была поставлена задача. А поскольку она была поставлена, то должна быть и решена. Капица не отступал от этого простого, но очень обязывающего правила. Проанализировав имеющиеся возможности получения холода на гелиевом температурном уровне, Капица понял неизбежность отказа как от сложного каскадного процесса, так и от других методов, требовавших предварительного охлаждения жидким водородом. Такое решение неизбежно связано с необходимостью применения детандера. Но как его сделать для столь низких температур?

Было только два альтернативных варианта детандеров: турбинный и поршневой. На выборе решения сказалось то обстоятельство, что требуемые масштабы производства жидкого гелия были относительно невелики, и для лабораторного ожижителя турбина оказалась бы слишком миниатюрной. Итак, тип детандера выбран, он будет поршневым.

Схема ожижения гелия с адиабатным детандером Капицы.
Сжатый гелий, получаемый в компрессоре, после ванны жидкого азота (65 К) охлаждается в регенеративном теплообменнике Е , затем разделяется на две части, одна из которых (1 - х| адиабатно расширяется в поршневом детандере и при температуре около 10 К отводится в обратный поток регенеративного теплообменника Е₂. Другая часть (х) проходит дальнейшее охлаждение при теплообмене с обратным потоком (в теплообменниках Е₂ и Е₃ ), затем дросселируется в вентиле Джоуля - Томсона V₁ Пары из сборника отводятся в обратный поток, а жидкость сливается через вентиль V₂.

В это время существовало два типа поршневых детандеров, работавших только в установках ожижения и разделения воздуха (о водородном и тем более гелиевом не было и речи). Первый из них - детандер Клода - работал при температурах 150-100 К. Тепло, выделявшееся при трении уплотнения из кожи о стенку цилиндра, существенно снижало КПД детандера. Для уровня температур 30-10 К это было совершенно недопустимо. Другой детандер - детандер Гейландта - работал с поршневыми кольцами на масляной смазке. Он в принципе не мог служить прототипом новой машины.

Огромный инженерный талант позволил Капице успешно преодолеть все трудности, связанные с конструированием поршневых машин при очень низких температурах. Он не стал совершенствовать уплотнение и уменьшать трение. Им был создан поршневой детандер, в котором поршень ходит в цилиндре вообще без трения! *

* Идея эта в дальнейшем широко использовалась, в частности при разработке поршневых компрессоров, работающих без смазки.

Основная идея состояла в том, чтобы обеспечить между поверхностями поршня и цилиндра некоторый гарантированный зазор, величина которого мала настолько, что при достаточно высокой скорости поршня небольшие утечки газа незначительно отразятся на КПД машины. Поскольку требуемая величина зазора составляла всего 0,04-0,05 мм, сохранить его по всей поверхности поршня в ходе работы машины было чрезвычайно трудно. Конструкция детандера не должна была допускать никаких боковых усилий на поршне. Этому способствовало, во-первых, вертикальное расположение машины, а во-вторых, два шариковых сочленения штока. Существенно и то, что на поверхности поршня было прорезано несколько кольцевых канавок глубиной и шириной по 0,25 мм. Это устраняло возможность возникновения боковых усилий от разности давлений протекающего газа с обеих сторон поршня. Уменьшению утечек через зазор способствовал и быстрый ход поршня в стадии расширения. Для этого, а также для медленного его возвращения был разработан гидравлический механизм. Испытания показали, что в рабочем диапазоне температур (на выходе - около 10 К) количество холода, вырабатываемое детандером, составляет около 60% максимальной величины, которую можно получить при обратимом адиабатном расширении гелия. Достаточно высокий КПД такого детандера указывал на действительное отсутствие сколько-нибудь значительных потерь из-за тепловыделений от трения между поршнем и цилиндром: небольшое количество газа, которое утекало в зазор, действовало как "идеальная смазка".

Работа ожижителя была построена по схеме аналогичной той, которая использовалась в установке Клода. Существенное отличие, однако, состояло в том, что при ожижении воздуха газ после компрессора поступал в регенеративный теплообменник не при температуре 140-120 К, а дополнительно охлажденным до 65 К в ванне кипящего под вакуумом азота. В принципе, ожижение гелия при помощи адиабатного расширения в детандере могло бы производиться и без такого дополнительного охлаждения, но, как показал Капица, это увеличило бы габариты применяемых аппаратов по меньшей мере в четыре раза.

Первый поршневой детандер Капицы.
Расширительная машина Е соединяется с гидравлическим механизмом Н посредством штока 1. Входящий газ приводит в движение поршень 2, который в свою очередь толкает поршень 3; пространство над поршнем 3 заполнено водой, которая выталкивается в виде струи через отверстие 4. Зазор 5 между поршнем и цилиндром обеспечивается "газовой смазкой" и шариковыми сочленениями 6 и 7.

Для лабораторных условий использование дешевого и безопасного жидкого азота было выгоднее, чем усложнение аппаратуры. Интересно, что это соображение принималось во внимание и позже, вплоть до наших дней, и лишь небольшая часть самых современных ожижителей построена без предварительного охлаждения жидким азотом.

Производительность нового ожижителя после оптимизации его параметров составила огромную для того времени цифру - около 2 л/ч. С таким количеством жидкого гелия можно было развернуть низкотемпературные исследования уже по-настоящему. Расход жидкого азота был менее 1,5 л на каждый литр получаемого гелия. При недостаточной в то время изученности свойств гелия такая оптимизация была чрезвычайно ценной: для создателей многих будущих ожижителей Капица указал наилучшие значения температуры включения детандера и давления перед дросселирующим устройством. Впоследствии эти величины лишь немного уточнялись применительно к той или иной модификации ожижитель-ного аппарата.

ТЕХНИКА ОЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ 40- 70-Х ГОДОВ

Первый детандерный ожижитель гелия Капицы, продемонстрировавший целесообразность и принципиальную возможность применения адиабатного расширения, заложил основу перехода техники ожижения гелия на новую ступень развития - на его промышленное освоение. Использование гелиевых поршневых детандеров позволило получить для повседневной лабораторной практики безопасные (поскольку отсутствовал взрывоопасный водород), эффективные и простые в обращении ожижители.

В передовых странах был разработан целый ряд модификаций ожижителей "по Капице" и начат их серийный выпуск. В. Мейсснер в Мюнхене (1942 г.) был первым, кому удалось повторить ожижитель Капицы; однако наиболее удачные последующие работы связаны с именем С. Коллинза (США), создавшего несколько типов промышленных гелиевых ожижителей с детандерами.

Крупным достижением Коллинза и его сотрудников стало создание в 1970 г. поршневого детандера, способного работать на парожидкостной смеси, ниже критической точки гелия. Это позволило отказаться от традиционного ожижения в дросселе Джоуля-Томсона и увеличить производительность действующего ожижителя более чем на 30%.

Большое число разработок велось также и в нашей стране, но основное практическое значение имели работы, которые проводились в Институте физических проблем после возвращения в него П.Л. Капицы, когда закончился вынужденный перерыв в его исследованиях.

В 1959 г. Капица опубликовал статью "Расчет гелиевого ожижительного цикла с каскадным включением детандеров". Работа эта стала классической и впоследствии вошла практически во все учебные пособия по криогенной технике. Был разобран вопрос о наиболее эффективном каскадном включении детандеров. Количественно разобран каскадный детандерный гелиевый процесс для охлаждения потока от комнатной температуры до температуры, близкой к ожижению. Вскоре как практическое воплощение теории в ИФП под руководством Капицы был создан эффективный детандерный ожижитель гелия с каскадным детандерным процессом без посторонних хладоагентов. Новая установка с двумя поршневыми детандерами вообще не требовала для своей работы жидкого азота. Ее производительность составляла 25 л/ч, а расход энергии был минимальным - всего лишь 2 кВт-ч на 1 л жидкого гелия.

В конце 60-х годов начался следующий этап совершенствования ожижителей гелия - переход на детандеры турбинного типа Капицы. Еще в 1934 г., описывая свой первый ожижитель гелия, Капица отмечал, что "наиболее естественным было бы применение турбины". Однако "практический смысл" это может иметь "только в тех случаях, когда ожижение гелия производится в очень большом масштабе".

Это время наступило. И тогда еще одну область применения нашел тот самый высокоэффективный турбодетандер, который был разработан Капицей в 1938-1940 гг. для ожижения воздуха и получения кислорода. Таким образом, в гелиевых ожижителях (а затем и в установках выделения гелия из природного газа) встретились и объединились уже в модернизированном виде два изобретения Капицы - детандерный ожижитель гелия и эффективный турбодетандер. О результатах этой "встречи" можно судить как по единичной мощности новых установок, так и по масштабам производства и использования жидкого гелия.

Современные промышленные ожижители гелия производительностью от нескольких сотен до тысяч литров в час характеризуются высокой энергетической эффективностью и надежностью, а также отсутствием каких-либо дополнительных хладоагентов (таких, как жидкий азот).

СОВРЕМЕННОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ГЕЛИЯ

Чтобы по достоинству оценить результаты, к которым привели идеи Капицы в рассматриваемой области, необходимо показать, насколько обширными и важными стали сейчас сферы деятельности человека, связанные с использованием больших количеств жидкого гелия.

Прежде всего, появились прекрасные возможности, используя сверхпроводимость, создавать сильные магнитные поля при низких энергетических затратах. В связи с этим значительная часть гелия используется в виде жидкости при физических исследованиях в области криотемператур. Здесь следует отметить исследования ультранизких температур, физику плазмы для термоядерных реакторов (токамаки) и сооружение новых гигантских ускорителей высоких энергий для исследований в физике элементарных частиц, создание инертной среды при сварке металлов. В 1993 г. в Дубне введен в действие новый ускоритель Объединенного института ядерных исследований - сверхпроводящий ускоритель релятивистских ядер - нуклотрон.

В медицине широкое распространение получили так называемые ЯМР-томографы, в которых благодаря сверхпроводящим магнитам, охлаждаемым жидким гелием, впервые стало возможным представить на экране дисплея анатомию внутренних органов человека в любом сечении. Другие важные сферы в медицине более традиционны: приготовление анестезирующих газов и дыхательных смесей, лазерная хирургия и аппараты, заменяющие работу легких. Смеси гелия и радиоактивного криптона используют в биомедицинских исследованиях. Широко известно применение гелия против кессонной болезни у водолазов. Из других сфер применения следует упомянуть хроматографию, поиски течей в лабораторных и индустриальных процессах, воздухоплавание.

Несмотря на то, что большей частью гелий используется в газообразном виде, теперь ожижают не менее 85% получаемого гелия. Почему это так необходимо?

Прежде всего, поставка гелия в жидком виде - гарантия высокого качества продукта.

Ожижение гелия необходимо также и в связи с тем, что количество разведанных и освоенных мест на Земле, где гелий содержится в природных газах в заметных количествах, весьма ограничено: основное производство - в США; меньшие объемы - в России и Польше. В 1994 г. начнет работать крупное производство гелия в Алжире. Использование гелия в Европе, на Дальнем Востоке и в других развитых регионах мира неизбежно связано с перевозкой его на очень большие расстояния. В этих условиях экономически успешным может быть транспортирование гелия исключительно в жидком состоянии.

Для осуществления таких перевозок построены и эксплуатируются несколько сотен крупных контейнеров жидкого гелия, приспособленных как для морских, так и для автомобильных транспортировок. Вместимость каждого из них достигает 40 тыс. л., а срок хранения без потерь составляет более месяца.

Чтобы оценить путь, пройденный с 1908 г. от ожижителя Камерлинг-Оннеса (0,7 л/ч) и с 1934 г. от первого ожижителя Капицы (2 л/ч, нужно сравнить их с показателями настоящего времени. Производительность современного крупного ожижителя достигает нескольких тысяч литров в час.

Годовая производительность всех ожижителей оценивается в 65-70 млн. л. За 10 лет до 1990 г. мировое потребление гелия возросло в 2,7 раза. Прогнозы специалистов на ближайшее будущее показывают ежегодный прирост потребления гелия около 10%.

Говоря об огромном вкладе П.Л. Капицы в технологию жидкого гелия и о влиянии этой технологии на важнейшие сферы современной науки и техники, необходимо особо подчеркнуть, что его ведущая роль не была ограничена созданием новых, оригинальных конструкций машин и аппаратов. Как правило, Капица подробно анализировал состояние рассматриваемой области техники, тщательно обосновывал то или иное решение, детально описывал принципиальные элементы своих устройств и, главное, на этой основе прогнозировал их развитие.