Department of Cryogenic Engineering

Abstract

В 50-х годах XX века основанных отраслях науки и техники начались интенсивное развитие новых технологий, в значительной степени связанных с использованием криогенных темпе­ратур. Это относится В первую очередь к таким отраслям, как металлургия, химия и ракетно-космически техника. Для работы в них потребовались инженерные кадры, имеющие необходи­мые знания в области криогеники.

Full Text

В целях подготовки инженеров-механиков таком профиля в 1953 г. в Ленин­граде комтехнологической институте Пpомышленноств (ЛТИ ХП) по решении Минвуза СССР была от­ крыта кафедра глубокого охлаждения и разделены газов, которая позднее был переименована в кафедру криогенной техники. В ЛТИХПе подготовку инженеров-криогенщиков до 1953 г. проводили на ка­федре холодильных машин. Однако выпуска таких специалистов было малочисленным. Начиная с 1967 г. по инициативе Минвуза СССР ежегодный выпуск был уве­личен до 60 человек. В дальнейшем подготовку инженеров-криогенщиков стало планомерно осуществлять по всем формам обучения дневной, вечерней и заочной.  1974 г. была организована специальность "Криогенная техника", а в 1987 г. - «Texника и физика низких температур».

В настоящее время кафедра криогенной техники готовит инженеров по двум специальностям: 070200 «Техника и физика низких температур» со специализациями «Установки сжижения и разделения газовых смесей» и «Медико-технические криогенные системы» и 101700 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» со специализацией «Криогенные машины и установки».

С момента основания кафедры было выпушено свыше 3600 инженеров, которые трудятся во всех отраслях народного хозяйства нашей страны. С 1953 до 1974 г. кафедру возглавлял д-р техн. наук, проф. И. К. Кондряков.

Все эти годы плодотворная работа кафедры во многом определялась тем, что руководству кафедры и университета удалось привлечь к педогогической деятельности и научным исследованиям видных ученых и преподавателей промышленности и молодых наиболее способных выпускников кафедры.

В становлении кафедры активное участие принимали д-р техн. наук, проф. С.С. Будневеч и д-р техн, наук. проф. Г.К.Гейнрихс. Уже в то время они были достаточно известны по трудам в области криогенной техники. С 1955 г. на кафедре начал работать д-р техн.наук, проф. К. И. Страхович, принадлежавший к плеяде талантливых русских ученых, кpyг научных интересов которого был чрезвычайно широк. Он был признанным авторитетом в области гидро- и газодинамики, турбомашин всех типов, холодильных машин, машин и аппаратов криогенной техники и др. [4]. Совместная работа па кафедре К. И.Страхована с такими известными специалистами в области компрессоростроения, как д-р техн, наук, проф. В.Ф.Рис (главный конструктор по компрессоростроснию на Невском машиностроительном заводе) и д-р техн, наук, проф М. И. Френкель (начальник отдела поршневых компрессорных машин в Лен НИИ-химмаше), привела к развитию нового научного направления. связанного с созданием и совершенствованием компрессорных и криогенных машин. Практическими результатами деятельности кафедры в этом направлении в те годы стали работы, которые привели к защите кандидатских диссертаций В.Н.Новотельновым и группой аспирантов НИ И МКТ (в настоящее время АО «Сибкриотехника») во главе с генеральным директором АО «Сибкриотехники» А.К Грезиным. В последующие годы эти работы продолжались под руководством д-ра техн, наук, проф. И.К.Кондрякова и д-ра техн, наук, проф. В. Н. Новотельнова, а в настоящее время работы в этом направлении возглавил д-р техн. наук. проф. И. К. Прилуцкий.

Сотрудники кафедры уделяют значительное внимание совершенствованию учебного процесса и в первую очередь подготовке учебников и учебных пособий. В 1961 г. был издан учебник «Компрессорные машины», авторами которого были К. И.Страховая, М. И. Френкель, И. К. Кондря ков и В.Ф.Рис, а в 1966 г. — учебник «Расширительные машины» под редакцией К. И. Страхована, авторами которого кроме К.И.Страховича были И.К.Кондряков, В.И.Епифанова, КС. Буткевич и В. Н.Новотельное. Эти учебники длительное время использовались не только в СПбГУНиПТ, но и в тех вузах страны, где готовят инженеров-специалистов в области компрессорных машин и криогенной техники. И сейчас материал, изложенный в этих изданиях, нс потерял своей актуальности. В 1991 г. благодаря усилиям В.П.Новотельнова вышел в свет учебник «Криогенные машины» (авторы В.Н.Новотельное, А.Д.Суслов и В. П. Полтараус).

Обширные научные исследования в области совершенствования поршневых компрессорных и детандерных машин были выполнены в последние годы под руководством и при участии д-ра техн, наук, проф. И.К.Прилуикого. Применение в поршневых детандерах автоматических самодействующих клапанов позволило снизить массу и габаритные размеры детандерных агрегатов и повысить их эффективность. Такие клапаны, использованные при создании новых моделей детандеров в АО «Сибкриотехни ка» (г. Омск), показали высокую работоспособность и надежность.

В настоящее время И.К Прилуцким совместно с кандидатами технических наук АЛ. Горбенко, Д. Н Ивановым и Л.Г.Кузнецовым и другими сотрудниками кафедры проводится большой объем работ по созданию поршневых детандеров нового поколения.

Эта деятельность осуществляется совместно с Caнкт-Петербургскими предприятиями: ОАО «Компрессор», ОАО «Пневматика».

Особое внимание уделяется разработке малорасходных поршневых комп рессорой и детандеров без смазки [15, 6]. Такие компрессоры и детандеры выполняют на унифицированных базах Ш и У-образного исполнения. В этих машинах коленчатый вал и шатун-неразъемные, установлены на подшипниках качения. Для уплотнения поршней использованы неметаллические поршневые кольца. В качестве органов газораспределения применены кольцевые (тарельчатые) самодействующие клапаны.

Машины рассчитаны на объемный расход воздуха в диапазоне от 6 до 250 м3/ч, что соответствует холодопроизводительности детандерных агрегатов до 5 кВт и мощности компрессорных агрегатов до 11 кВт. Рабочая среда не содержит примесей масел и осушена до температуры точки росы —70 °C.

Такие экологически чистые автономные холодильные машины, использующие в качестве рабочей среды атмосферный воздух, могут обеспечить регулируемый уровень температур воздуха от +5 до -70°С. Их можно применять для снабжения воздухом различных технологических производств, включая обеспечение сухим и чистым воздухом систем поддержания дыхания для аквалангистов, пожарников и спасателей.

Еще одно важное научное направление, развиваемое на кафедре, связано с ожижением, разделением газовых смесей и низкотемпературной очисткой газов и газовых смесей. Начало этому направлению было положено научными работами д-ра техн, паук, проф. С. С.Будневича л д-ра техн, наук, проф. И.К.Кондрякова, в ходе которых с участием Л. А. Акулова, Г.А. Головко и Н. В. Крылова были выполнены обширные исследования по созданию эффективных схем крупных воздухоразделительных установок, в том числе основанных на эффективном совмещенном детандерном цикле ожижения газов, предложенном С. С.Будневичем и И. К. Кондряковым. Работы по этой тематике, проведенные по инициативе ВНИИКИмаша (Москва), вызнали интерес у специалистов в области воздухоразделительной техники.

В то же время большое внимание уделялось повышению эффективности воздухоразделительных установок, работающих по циклу низкого давления и предназначенных для получения жидкого кислорода. Результаты данных исследовании были использованы при модернизации установки ТК-200, созданной па основе цикла низкого давления. предложенного академиком П.Л.Капицей, которая эксплуатировалась на Ленинградском адмиралтейском заводе. Модернизация этой установки позволила почти в три раза увеличить ее производительность по кисло роду (из-за возможности одновременного получения жидкого и газообразного кислорода) и существенно снизить удельные энергозатраты на его производство. Примерно в это же время д-р техн, наук, проф. С.С.Будневич разработал и опубликовал новый метод расчета трехпоточных регенераторов воздухоразделительных установок.

Значительный объем работ был выполнен понизкотемпературному разделению и очистке газовых смесей. Так, с 1963 г. на кафедре под руководством д-ра техн. наук. проф. Г.А.Головко был проведен комплекс научных исследований по криогенному разделению газовых смесей на основные сочетания процессов ректификации и молекулярной адсорбции. Было предложено несколько новых схем воздухоразделительных установок для комплексного разделения воздуха и очистки инертных газов с помощью синтетических цеолитов и других молекулярных сит. Один из итогов этой работы-создание ректификационного адсорбционной технологии производства чистого аргона с помощью синтетических  цеолитов. Эта технология впервые в отечественной практике получила промышленное применение в ПО «Ижорскиезаводы» (Санкт-Петербург где была введена в действ» установка производительностью по чистому арго около 20 м/ч.

Положительные результаты, полученные при промышленной эксплуатации, позволили в дальнейшем разработать аналогичные установки большей производительности, которые были смонтированы на Черноморском судостроительном заводе (Николаев) и Московском коксогазовом заводе и обеспечивала получение аргона чистотой не ниже 99,999% по объему. Разработанная технология была защищена 13 авторскими свидетельствами и 26 зарубежными патентами ведущих промышленных стран мира. Три лицензии на эту технологию были проданы заграницу.

Большой объем работы низкотемпературной очистного типа выполнен в традиционном трехзонном исполнении. Установка используется для замораживания филе судака и окуня до температуры 40 °C. Производительность установки 400 кг/ч при расходе около 1,3 кг жидкого азота на 1 кг рыбы. Более подробно конструкция установки и данные о ее эксплуатации приведены в [7].

Азотная система охлаждения для автомобильного рефрижератора, разработанная на кафедре, предназначена для поддержания заданной температуры в изотермическом кузове авторефрижератора. Путем разбрызгивания жидкого азота в кузове авторефрижератора создается и поддерживается заданный температурный режим, позволяющий сохранить товарный вид колбасных изделий и мясных полуфабрикатов в течение рабочего дня при доставке продукции в летнее время на предприятия торговли и общественного питания. Особенности конструкции данной системы охлаждения и ее эксплуатации приведены в [2]. Эта система успешно использовалась в течение нескольких летних сезонов в АО «Самсон» (Санкт-Петербург).

Рис. 1. Многорядный поршневой детандер низкого давления (СПбГУНиПТ, ОАО «Компрессор»)

В настоящее время закончены экспериментальные исследования, которые проводили в ЗАО «Нела» пекарня «Обуховский хлеб» (Санкт-Петербург). по замораживанию полуфабрикатов хлебобулочных изделий в холодильной камере до температур - 40 °C с использованием жидкого азота для последующего длительного хранения полуфабрикатов. Результаты исследований свидетельствуют о перспективности данной технологии, которая обеспечивает возможности получения высококачественной продукции широкого ассортимента. Это позволит создать запас отдельных изделий, а следовательно, снизить частоту пере налаживания технологических линий и повысить их производительность. На основании полученных опытных данных разработана промышленная азотная система для замораживания хлебобулочных изделий, монтаж которой находится в стадии завершения.

Одно из направлений использования азотных технологий в медицине - применение газообразного азота с температурой - 120...—150 °C для физиотерапевтического воздействия на организм человека. Положительный эффект от таких процедур, которые осуществлялись в медицинских учреждениях в нашей стране и зарубежом, подробно описан в [13].

Разработка крио терапевтических кабин для проведения сеансов аэроионотерапии на кафедре начала проводиться под научным руководством д-ра техн, наук, проф. Г.А.Головко и в настоящее время успешно осуществляется канд. техн, наук, доц. А. Ю. Барановым.

Рис. 2. Аэрокриотерапевтический комплекс КАЭКТ-01

Стимулирующее воздействие низкотемпературных газовых ванн на организм человека основано на пробуждении и восстановлении его естественных защитных функций, которые в обычных условиях, как правило, ослаблены.

В настоящее время на кафедре разработан аэрокриотерапевтический комплекс КАЭТК-0,1, который прошел государственные клинические испытания и зарегистрирован в качестве разрешенного к применению физиотерапевтического устройства.

Коллектив сотрудников кафедры отличает высокий профессионализм в области учебно-методической и научной работы. Результаты их научных исследований неоднократно публиковались в многочисленных отечественных и зарубежных периодических изданиях, представлялись в докладах на различных семинарах, конференциях и конгрессах. На основе материалов исследований были написаны 17 монографий.