Лед искусственный*

— Невыгода хранения, особенно в больших городах, и перевозки, часто издалека, природного Л. и необходимость иметь в некоторых отраслях техники охлаждение гораздо ниже 0° заставили искать как способов получения искусственного Л., так и вообще способов искусственного охлаждения. Л. искусственный по своей прозрачности и чистоте стоит гораздо выше натурального, так как приготовляется из стерилизованной и часто даже из перегнанной воды. Для технических же целей, в крупных производствах, как напр. в пивоваренном, сахарном, парафиновом, при отливках и пр., а также при хранении в больших городах и при перевозке на судах провизии, охлаждение производить гораздо выгоднее, пользуясь не Л., а непосредственно циркуляцией по трубам воздуха или незамерзающего соляного раствора, охлажденных предварительно до любой температуры в холодильной машине. Вопрос об искусственном Л. издавна занимал изобретателей, но решен вполне удовлетворительно лишь в последние 40 лет. Судьба его стояла в тесной связи с развитием механической теории тепла и машиностроительной техники (особенно паровых машин и котлов). На практике, главным образом, пользуются следующими явлениями, сопровождающимися понижением температуры: растворением солей, расширением воздуха и испарением более или менее легко летучих жидкостей; во всех этих случаях теплота отнимается от охлаждаемого тела, производя внешнюю или внутреннюю работу; но такое преобразование теплоты в работу не совершается само собой. Такому преобразованию должна непременно предшествовать или затрата механической работы (преобразование ее в теплоту), или подобная же затрата энергии химического сродства, или вообще процесс, влекущий за собой уменьшение запаса энергии, способной производить работу. Поэтому для получения искусственного охлаждения могут служить все средства, которыми мы пользуемся для получения механической работы.

I) Способы получения искусственного Л., основанные на охлаждении при растворении, не требуют сложных и дорогих приспособлений; вся операция состоит лишь в том, чтобы быстро смешать мелко истолченную соль с водой и погрузить в раствор сосуд с замораживаемой водой. При охлаждении растворением азотно-аммиачной солью, которая чаще всего употребляется в ледяных машинах, нужно пользоваться лишь такими концентрациями, при которых не могло бы происходить при охлаждении раствора выделения ни соли, ни льда, так как в том и другом случае произошло бы выделение тепла. На приводимой таблице Толлингера ("Wien. Akad. Bericht", B. LXXII, 1875) даны понижение температуры смеси и количество всей поглощаемой теплоты, а также количества теплоты, на которые можно рассчитывать при охлаждении от +20°, 15°, 10° и 6° Ц. до предельных температур кристаллизации θ и замерзания τ.

Вызываемое понижение темп. раствора

При этом поглощается теплоты

Раствор делается насыщ. при температ. θ =

Если взять соль и воду при температуре +20, +15, +10, +5, то поглощается тепла при охлаждении до температ. θ и τ 1 гр. соли с 0,75 г воды

44,7° Ц.

49,7

+ 5,0

30,0

38,0

44,1

49,7 0,20 г воды

41,3° Ц.

51,6

— 2,0

24,1

30,3

36,6

42,8 0,99 г воды

39,3° Ц.

52,9

— 6,0

17,8

24,5

31,2

37,1 1,14 г воды

36,4° Ц.

54,5

—10,0

6,7

14,1

21,6

29,1 1,31 г воды

33,9° Ц.

56,2

—17,5

—

2,3

10,6

18,9

Раствор замерзает при темп. τ = 1,49 г воды

31,5° Ц.

57,6

—16,0

—

0,9

10,1

19,3 2,76 г воды

22,1° Ц.

66,0

—10,0

—

—

6,5

21,4 22,50 г воды

3,7° Ц.

89,2

— 1,5

—

—

—

—

Например, поставим себе целью получить 1 кг. Л. из воды, взятой при +20° Ц, для чего нужно отнять около 20+80 = 100 калорий. Чтобы замораживание происходило быстро, нужно иметь раствор градусов на 5 или на 6 ниже 0°; поэтому возьмем раствор 1 ч. азотно-аммиачной соли в 0,99 частях воды; по таблице видно, что в таких условиях можно рассчитывать на поглощение 17,8 калорий на 1 кг соли, поэтому для получения 1 кг. Л. нужно взять (100/17,8), т. e. около 6 кг соли. Испаряя раствор азотно-аммиачной соли, который кипит при +165° Ц., можно вновь получить ее в твердом виде и она может служить, таким образом, неопределенно долгое время. Несмотря на все усовершенствования, сделанные Сименсом, Росси, Вильсоном и др. с целью поднять производительность этого способа, он не дает более 2—3 весовых единиц Л. на затрачиваемую для испарения воды вес. единицу угля. Причина такой малой производительности заключается в трудности утилизировать столь незначительное охлаждение, которое дает 1 кг смеси, т. e. всего 8 калорий. Тем не менее малые машинки для домашних целей распространены достаточно. Кроме азотно-аммиачной можно употреблять и другие соли и смеси их, напр. селитры, нашатырь, сульфат, а также растворение некоторых солей в кислотах. Напр., при смешении 8 частей сульфата и 9 ч. соляной кислоты температура понижается с +10° Ц до —17 °, а при смешении 9 ч. сульфата и 4 ч. разбавленной азотной кислоты с +10° до —24° и т. п.

II) Более производительными, но более сложными, являются ледяные машины, в которых охлаждение получается при испарении жидкостей в разреженном пространстве. Сначала рассмотрим так называемые абсорбционные машины, в которых необходимое разрежение достигается быстрым поглощением паров кипящей жидкости. Наиболее подходящими для испарения в подобных машинах оказались вода и жидкий аммиак. Для поглощения паров воды служит крепкая серная кислота, а пары аммиака поглощаются или водой, или глицерином. Пользоваться испарением воды в холодильных машинах представляется выгодным, так как при испарении 1 кг. воды при 0° поглощается 606,5 калорий. Поэтому приходится испарить лишь около 1/6 взятого количества воды, чтобы обратить остальные 5/6 в Л. при 0°. Но так как упругость насыщенных паров воды при 0° всего 4,6 мм. ртутного столба, то является необходимым действовать таким разрежающим воздушным насосом, который способен доводить разрежение от 2 до 4 мм. ртутного столба. Первую подобного рода ледяную машинку устроил в 1810 г. Лесли; затем ее значительно усовершенствовал в 1867 г. Kappe, для получения небольших количества Л.; наконец, с 1880 г., по патенту Виндгаузена, начали применять этот способ получения искусственного Л. в больших размерах (до 24 тонн Л. в сутки). Устройство больших машин этого рода доведено до высокой степени совершенства: концентрирование серной кислоты, ослабевшей с 60° до 55° Б. вследствие поглощения паров воды, производится в разреженном пространстве при сравнительно невысокой температуре; для нагревания утилизируется отработавший пар паровой машины, приводящей в действие насосы, мешалку и пр.; охлаждение концентрированной серной кислоты производится текущей навстречу по змеевику холодной отработавшей кислотой. Производительность таких машин довольна велика: на весовую единицу угля они могут давать от 10 до 15 вес. единиц Л.; но неудобства обращения с серной кислотой и обилие сложных механизмов заставили искать лучших. Жидкий аммиак впервые был применен в ледяной абсорбционной машинке в 1861 г. Kappe и в настоящее время из всех ледяных машин — на долю аммиачных приходится до 90%. Жидкий аммиак бесцветен и имеет плотность около 0,76, скрытая теплота испарения его λ значительна и выражается довольно близко формулой λ = 310—0,7t в пределах применения температуры t от —15° Ц. до +25°. Упругость паров при температурах: —30°; —20°; —10°; 0°; +10°; +20°; +30° составляет атмосфера: 1,1; 1,8; 2,8; 4,2; 6,0; 8,4; 11,4. Из этих данных видно, что при температурах низких, как, например, при —30° Ц. уже не придется прибегать к разрежению менее одной атмосферы, а при сравнительно высоких температурах упругости не настолько велики, чтобы представлялись особенные технические трудности. Аммиак весьма сильно поглощается водой, причем выделяется 502,3 калорий на килограмм аммиака, поглощаемый под давлением одной атмосферы и при температуре +16,5° Ц. (Strombeck, "Journal of the Franclin Institute" 1890—1891).

Фиг. 1. Машина Карре.

Прибор Карре, замечательной простоты, состоит из двух сосудов котельного железа А и С, соединяющихся между собой трубой gf. Сосуд А есть котел с раствором аммиака в воде (нашатырным спиртом). В верхней части котла А находится камера В, которая соединяется с нижней или при помощи клапана а , отворяющегося снизу вверх, или же клапана b, отворяющегося вниз, и трубки h, доходящей почти до дна котла A. C представляет собой открытый сверху сосуд с резервуаром для аммиака внутри двойных стенок. В сосуд С наливается или спирт, или соляной незамерзающий раствор. Если котел А поставить на жаровню и нагревать, а сосуд С поставить в чан с холодной водой, то в котле начнется выделение аммиачного газа с небольшим количеством паров воды. Вследствие увеличения давления клапан а откроется и аммиак, пройдя камеру В , достигнет резервуара, находящегося внутри стенок С. Когда давление внутри прибора достигнет атмосфер до 10, аммиак будет сгущаться внутри С в жидкость. Темп. выше 130° служит указанием прекращения выделения аммиака из раствора и увеличения давления внутри прибора. Затем поднимают весь прибор, обертывают сосуд С войлоком и быстро погружают котел А в чан с холодной водой. Вследствие охлаждения, давление внутри котла А сразу падает; давлением паров аммиака запирается клапан а и отворяется клапан b; жидкий аммиак, находящийся внутри приемника С, вследствие уменьшения давления, начинает быстро испаряться; пары его, при выходе из трубки h, поглощаются слабым раствором аммиака, находящегося в котле А. Результатом испарения жидкого аммиака будет сильное охлаждение приемника С. Для получения льда погружают формы с водой в рассол, находящийся в сосуде С. В приборе, содержащем до 2 литров аммиачного раствора, получается до 5 кг. льда на один килограмм сгоревшего угля; вся операция продолжается около часа. Для быстрого действия необходимо из прибора выгнать воздух, нагревая прибор и открывая на некоторое время отверстие I. Перед началом действия необходимо также выливать раствор аммиака из приемника С в А, наклоняя несколько весь прибор. В больших абсорбционных машинах типа Kappe, как напр. машина Понтифекса и Вуда (фиг. 2) все процессы совершаются непрерывно. Кроме того, для большей утилизации топлива устроено более совершенное нагревание аммиачного раствора, введен также ректификационный аппарат, позволяющий получать из водного раствора почти совершенно сухой аммиачный газ.

Фиг. 2. Абсорбционная аммиачная машина Понтифекса и Вуда. Система Карре.

Непрерывное действие достигается особым устройством поглотительного аппарата А', охлаждаемого текучей водой. В нем встречаются пары кипящего в R аммиака и слабый раствор аммиака, идущий из нижней части котла А; насыщенный аммиачный раствор накачивается при помощи помпы р, через подогреватель R', на тарелки ректификатора, где вновь выделяет аммиак, стекая каскадом в нижнюю часть котла А. В таких сложных абсорбционных машинах получается от 15 до 20 весовых единиц Л. на затраченную единицу угля. Главная особенность этих машин — это отсутствие механизмов, что может иметь большое значение в местах со слабо развитой техникой. При изготовлении абсорбционных аммиачных машин уже не требуется такой тщательности и точности работы, которая составляет необходимое условие полной производительности как воздушных холодильных машин, так и машин, сгущающих газы посредством насосов. Первая воздушная холодильная машина изобретена еще в 1852 г. Насмондом, затем подобного рода машины постепенно совершенствовались и с 70-х годов, благодаря настойчивости Ф. Виндгаузена, стали применяться в технике в очень больших размерах. Видоизменений воздушных машин очень много. На фиг. 3 изображена вертикальная машина С. Обера, приводимая в действие от привода. А — цилиндр воздушного компрессора (насоса). Воздух поступает в А при ходе поршня вниз из холодильной камеры (называемой рефрижератором), где применяется искусственный холод для той или другой цели, через всасывающий клапан p, сжимается до 2—3,5 атмосфер, при ходе поршня вверх и через нагнетательный клапан, сильно нагретый (обыкновенно выше 100° Ц.), проходит в камеру С, потом в колонну D, внутри которых проходят трубы с циркулирующей водой; в колонне D воздух охлаждается градусов до +20° Ц. Холодная вода, входящая в M, проходит в колонну D (конденсатор) и оттуда поступает в рубашку, окружающую компрессор, охлаждает его и вытекает из N при температуре —50° Ц. Воздух из конденсатора проходит в цилиндр B, называемый расширительным цилиндром, который представляет из себя цилиндр двигателя, действующего сжатым воздухом. Клапаны в этом цилиндре действуют автоматически. Расширяясь в B, воздух охлаждается до —50° или —60° Ц. При ходе поршня вверх холодный воздух вытесняется через автоматически открывающийся клапан q в холодильник (рефрижератор), оттуда, производя охлаждение, возвращается назад в компрессор, уже нагревшись, примерно, до +10° Ц. Для того, чтобы как можно сильнее охладить воздух при сжатии, в машине С. Обера устроена циркуляция глицерина, служащего для охлаждения и смазки поршня в цилиндре А. Холодный глицерин нагнетается особой, не изображенной на фигуре помпочкой по гибкой трубке, входящей в нижнюю часть поршня во время сжатия воздуха, затем вместе с воздухом поступает в резервуар С. В этом резервуаре глицерин оседает на дно, охлаждается циркулирующей холодной водой и вновь гонится в компрессор и т. д.

Фиг. 3. Воздушная машина С. Обера.

Холодильные воздушные машины производят в лучшем случае до 10 весовых единиц Л. на весовую единицу угля, но такая малая производительность зависит от несовершенства паровых машин, превращающих в работу не больше 12% всей тепловой энергии угля. Но воздушные машины безвредны: пользуясь воздухом они допускают, без значительного ущерба в полезном действии, получение низких температур, достижимых лишь в машинах, действующих с углекислотой при давлениях часто превосходящих 75 атмосфер. Машины же, применяющие для искусственного охлаждения летучие жидкости, как, напр., эфир и сжижаемые газы, гораздо экономичнее воздушных, так как сжатие паров этих жидкостей может совершаться без сильного повышения температуры, напр., не выше +30°, +40° Ц. По своему устройству машины со сжижаемыми газами отличаются от воздушных, главным образом в том, что не имеют расширительного цилиндра (В в машине С. Обера), так как смесь жидкости и пара, в условиях действия холодильных машин с аммиаком, сернистой кислотой, при расширении, может дать лишь весьма незначительную внешнюю работу, едва превосходящую вредные сопротивления расширяющегося цилиндра. Но данным Линде, для получения 100 кг. Л. из воды в +10° Ц, нужно пропустить через машину

Аммиака

5,6 куб.м. Метил. эфира

10,0 куб.м. Сернистой кисл.

15,0 куб.м. Серного эфира

150,0 куб.м. Воздуха

740,0 куб.м.

Разница в размерах машины получается громадная, а следовательно, влияние всех вредных сопротивлений скажется гораздо менее на аммиачной машине, чем на всех прочих. Аммиачные машины могут давать до 30 весовых единиц Л. на единицу угля или до 40 кг. Л. на индикаторную паровую лошадь компрессора в час. Ледяные машины с сжиженными газами появились с 1861 г., и, благодаря усовершенствованиям Теллье, Пикте, Линде, Фиксари и др., доведены до высокой степени совершенства. В ледяных машинах этого рода главным образом употребляются: хлористый метил, аммиак и углекислота. Серный эфир, метиловый эфир и сернистая кислота, имеющие небольшие упругости паров, не могли особенно укорениться в практике, первые два вследствие крайней воспламеняемости и незначительности скрытой теплоты (около 90 кал.), а последняя по своей опасности для здоровья и быстрого изнашивания машины. Хлористый метил, применяемый в машинах Венсана (Vincent), не действует на металлы, воспламеняется гораздо труднее эфира, и имеет при температурах —23°, 0°, +20°, +30° не особенно высокую упругость паров 1; 2,5; 4,8; 6,5 атмосф. Машины с углекислотой получают в настоящее время все большее и большее распространение; размеры компрессоров при той же охлаждающей способности могут быть уменьшены в 15 раз сравнительно с аммиачными. Работают эти машины с расширением углекислоты от 70 атмосфер до 20, или как воздушные, или как машины со сжиженными газами, смотря по температуре, имеющейся в конденсаторе: при температуре выше +31° Ц. углекислота никаким давлением не может быть обращена в жидкость (см. Газы в критическом состоянии). Скрытая теплота испарения жидкой углекислоты составляет всего около 51 калории при —6° Ц. Для пояснения действия машин с сжиженными газами, приводим описание малой машины Венсана, производящей до 3 кг. Л. в час (рис. 4).

Фиг. 4. Машина с хлористым метилом Венсана (Vincent).

Она состоит из компрессора С , змеевика С', резервуара E с жидким хлористым метилом, бака для замораживания G и резервуара B, в котором происходит кипение жидкого хлористого метила. Жидкий хлористый метил из резервуара E проходит по трубке А в сосуд B, где, испаряясь, охлаждает бак G. Пары хлористого метила проходят через регулируемый кран D в нижнюю часть насоса С, откуда через клапан а всасываются в цилиндр насоса при ходе поршня вверх, затем при опускании поршня сквозь клапан r, находящийся в поршне, переходят поверх поршня, и, наконец, при подъеме поршня, вновь сдавливаются и через нагнетательный клапан, помещенный в верхней части насоса, проходят в змеевик С', охлаждаемый водой, сгущаются в жидкость, которая и переходит в резервуар E и т. д. Сальник насоса, находящийся вверху насоса, соединен трубочкой с трубой, по которой выходят из В пары хлористого метила, имеющие давление немного меньше атмосферы, поэтому потеря хлористого метила наружу делается невозможной.

Фиг. 5. Общий вид завода для производства искусственного льда (машина Васса и Литмана).

На фиг. 5 изображен общий вид завода, производящего искусственный Л. при помощи машины Васса и Литмана с углекислотой: С — компрессор, приводимый в движение через посредство трансмиссии, В вертикальный конденсатор, А — бак с соляным раствором, в который погружаются формы с замораживаемой водой. Стоимость устройства подобного рода завода, при производстве 500 кг. Л. в час составит около 43500 марок, считая:

Стоимость ледяной машины

29000 марок Стоимость паровой машины и котла.

12000 марок Стоимость установки

2500 марок

При 270 рабочих днях в году, полный расход на рабочих и действие машин, погашение и пр. составит 73 марки в день, и 50 кг. Л. обойдутся 0,3 марки. Л. получается прозрачным лишь при очень медленном замораживании воды, приблизительно при —3° Ц., иначе воздух, заключенный в воде, не успевает выделиться, и Л. получается белым. При быстром замораживании, прозрачный Л. может быть получен или при размешивании воды, или при приготовлении Л. из прокипяченной воды. Приводим способ Линде для экономической дистилляции воды и для удаления из нее воздуха. Фиг. 6 указывает на расположение котлов в этом способе.

Фиг. 6. Способ Линде для экономического получения прозрачного льда из перегнанной воды.

Пар, производимый котлом высокого давления А, конденсируясь в змеевике b, нагревает котел низкого давления В, паром которого приводится в действие паровая машина G. Вода, получаемая вследствие конденсации в змеевике b, давлением проталкивается через кран g (вентиль) в приемник С, имеющий внутри давление атм. Здесь вода закипает и выделяет воздух, выходящий наружу через трубку g. Из С, дистиллированная и лишенная воздуха, вода идет по трубке h в холодильник D, потом по трубе q в помпу H и, наконец, по трубе r идет в цилиндры, в которых получается Л. Питание котлов совершается помпой Е; она качает воду по трубе i и гонит ее через змеевик p, где вода нагревается, охлаждая дистиллированную воду, в D, в котлы А и В. Теория ледяных машин представляет собой частный случай паровой механики, в которой изучаются и условия действия совершенных машин; в применении к холодильным машинам, наиболее близким является процесс, совершающийся в машине Карно и, действительно, наиболее производительные, холодильные машины со сжижаемыми газами довольно близко подходят к этой машине. Действие теоретически совершенной машины (без вредных сопротивлений) совершенно не зависит от употребляемого вещества в машине, а только от тех пределов температуры, между которыми работает машина, и чем ближе эти пределы, тем выше и полезнее действие машины. Механическая теория тепла указывает на точное соотношение между количеством тепла Q0, поглощаемого в совершенной машине при охлаждении при t0 °, и количеством тепла, отдаваемого конденсатору Q1 при температуре t1: Q0/Q1=(t0+273)/(t1 —273). Отсюда видно, что, по мере приближения t 0 к t 1, количества теплоты Q0 и Q1 приближаются друг к другу. Необходимая для действия такой машины работа будет эквивалентна Q1-Q0 и полезное действие машины должно равняться Q0/(Q1-Q0)=(t0+273)/(t1-t0).

В действительности же в лучших машинах, работающих в пределах температуры от —25° до +25°, полезное действие машин = Q0/T, т. е. отношение количества поглощенной теплоты к затраченной работе, выраженной в калориях = около 4, что составляет почти 0,8 теоретического отношения.

Литература. Наиболее полные данные собраны G. Richard, "Les machines frigorifiques et leurs applications à l'exposition universelle de 1889" (1893); также Ritchle Leask, "Refrigerating Machinery" (1895) и Behrend, "Eis und K älterze igungs-Maschinen". Теория изложена в "Les machines frigorifiques" par de Marchena. На русском языке Плущевский, "Искусственное охлаждение в применении к производству, хранению и перевозке пищевых продуктов" ("Рыбное дело", 1892).

Н. А. Смирнов. Δ.