Фото: «Уралкриомаш»
Человечество довольно быстро распознало пользу высоких температур и научилось применять тепло себе во благо. А вот с «полезным» холодом дело обстояло не так просто – понизить температуру оказалось гораздо сложнее, чем поднять ее. Первая холодильная техника появилась только во второй половине XIX века, за ней пришел черед низкотемпературной, или криогенной техники.
Сегодня криогенное, то есть рождающее холод, оборудование применяется широко – в медицине, авиации, электротехнике. Но основное направление, где нужны низкие температуры, − это сжижение газов. Для транспортировки сжиженных газов, востребованных в металлургии, химии, машиностроении и других областях, используются специальные цистерны, контейнеры и трубопроводы, разработкой которых занимается «Уралкриомаш» в составе Уралвагонзавода Ростеха.
От пассивного охлаждения к активному
Многие столетия источником полезного холода в странах с умеренным климатом оставался лед, запасенный и бережно хранящийся с зимы. Этот метод охлаждения можно назвать пассивным. Но человечеству всегда было интересно покорять природу, искусственно повторяя ее возможности. Кроме того, лед был недоступен в жарких странах или доступен только для очень состоятельных людей. Поэтому было так необходимо найти способы активного охлаждения.
По всей видимости, первыми были древние египтяне, применявшие еще около 4,5 тыс. лет назад для охлаждения питьевой воды специальные сосуды с пористой структурой стенок. Испаряясь, часть воды охлаждала основную массу на 10-15 °С. Затем были открыты охлаждающие смеси, например вода с солью или вода с селитрой.
Ученые веками изучали свойства тепла и холода, развивали термометрию, разрабатывали теоретическую базу. Однако на практике испарение и охлаждающие смеси оставались единственным средством искусственного охлаждения вплоть до конца XVIII века.
Холод для сжижения газов
Импульсом к развитию искусственного охлаждения послужило стремление ученых получить сжиженный газ. Открытия, сделанные в конце XVIII века, показали, что для сжижения газов нужно повышать их давление и интенсивно охлаждать.
Важное открытие в 1823 году совершил англичанин Майкл Фарадей, добившийся сжижения нескольких разных газов, комбинируя высокое давление и низкие температуры. В 1835 году, продолжая опыты Фарадея, французский физик Тилорье придумал сухой лед (диоксид углерода), на основе которого были созданы и другие охлаждающие смеси − этиловый эфир, хлорметил. К этому времени ученым уже удавалось опустить температуру ниже –100 °С, однако для сжижения таких газов, как азот или кислород, этого было недостаточно. Прорыв в криогенные температуры состоялся в 1877 году, когда женевский физик Рауль Пикте смог получить сжиженный кислород при температуре –140 °С.
Сжижение газа в лаборатории Рауля Пикте на Всемирной выставке в Париже в 1878 году
Параллельно с этим развивались и холодильные машины. Здесь работа велась в двух направлениях. Сначала это были газовые устройства, в которых эффект охлаждения получался вследствие расширения газа. На смену им пришли более компактные паровые компрессионные машины, где охлаждение вызывалось непрерывным испарением. В конце XIX века такие машины уже производились массово и могли охлаждать все, что было необходимо, до –20 °С.
Время криогенной техники
Криогенная техника, создающая температуры ниже 120 кельвинов (–153,15 °С, температура конденсации природного газа), появилась позже холодильной, так как долгие годы в ней просто не было необходимости. Стимулом к ее развитию послужило дальнейшее изучение свойств веществ при экстремально низких температурах. Большой вклад в это внесли и русские физики – Лев Шубников, Лев Ландау и Петр Капица. Новые прорывы были связаны с открытием явлений сверхтекучести и сверхпроводимости, которые возникали при сверхнизких температурах.
Лаборатория криогенной техники МГТУ им. Баумана
Первые промышленные криогенные установки были построены в 1930-х годах. Они использовались для производства жидкого кислорода, азота и других инертных газов. После Второй мировой войны криогенная техника активно применялась в научных исследованиях, в промышленности, в медицине и других областях. В период космических исследований 1950-60-х гг. криогенные технологии стали их неотъемлемой частью, например для создания ракетного топлива.
Сегодня криогенное оборудование применяется при производстве и хранении суперпроводников, для хранения и транспортировки биологических образцов в медицине, в космических программах, энергетике, экспериментальной физике. Но все же самым востребованным и массовым оно остается при производстве и транспортировке сжиженных газов, особенно природного газа.
Заморозка для перевозки
Природный газ повсеместно используется в промышленности, теплоснабжении, производстве электроэнергии, отоплении домов, подогреве воды и приготовлении пищи. При этом не всегда есть возможность проложить газопровод от места добычи, а для перевозки газа в естественном состоянии нужен очень большой объем. Поэтому сначала природный газ сжижают.
При сжижении природный газ охлаждается до –160 °С, в результате чего его объем уменьшается в 600 раз. В таком виде, поддерживая нужное давление и температуру, его можно транспортировать в любую точку, а уже там регазифицировать и использовать по назначению. Транспортировка сжиженного природного газа (СПГ) происходит по морю, на железнодорожном и автомобильном транспорте, а также по трубопроводам. Для транспортировки и хранения СПГ нужны специальные емкости, способные длительное время поддерживать низкие температуры.
Фото: «Уралкриомаш»
Именно такие средства транспортировки сжиженного природного газа производит в составе Ростеха предприятие Уралвагонзавода – «Уралкриомаш». Компания выпускает уникальные железнодорожные цистерны и контейнеры-цистерны, предназначенные для транспортировки и хранения СПГ. Такие цистерны оснащаются высокоэффективными термоизоляционными структурами, долгое время сохраняющими низкие температуры. За параметрами газа следят контрольно-измерительные устройства. По спектру криогенных продуктов разработки «Уралкриомаша» не имеют аналогов в России. Кроме СПГ это может быть жидкий кислород, азот, аргон, этилен, этан и другие газы.
Индустрия криогенной техники за последние полтора столетия превратилась в заметный и мощный фактор прогресса человечества. Применение холодильной техники постоянно расширяется, и впереди нас ждут новые открытия и новые технологии из мира низких температур.
