Машины низкотемпературной техники. Криогенные машины и инструменты

Техническая физика

и энергомашиностроение

К 150-летию Научно-учебного комплекса 
«Энергомашиностроение»

Редакционный совет 

А. А. Александров (председатель), д-р техн. наук 
А. А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук 
В. Л. Бондаренко, д-р техн. наук 
А. Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН 
К. Е. Демихов д-р техн. наук 
Ю. Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН  
Н. А. Иващенко, д-р техн. наук   
В. И. Крылов, канд. техн. наук
М. К. Марахтанов, д-р техн. наук 
С. Е. Семенов, канд. техн. наук  
В. И. Хвесюк, д-р техн. наук  
Д. А. Ягодников, д-р техн. наук  

Машины 

низкотемпературной 

техники

Криогенные машины 

и инструменты

Под общей редакцией А. М. Архарова и И. К. Буткевича

2-е издание, исправленное

Допущено Учебно -методическим объединением вузов России по образованию 
в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Холодильная, 

криогенная техника и кондиционирование» направления подготовки 
«Энергомашиностроение» и «Техника и физика низких температур» 

направления подготовки «Техническая физика»

УДК 621.59(075.8)
ББК 31.392
 
М38

Авторы:

А. Н. Антонов, А. М. Архаров, И. А. Архаров, В. Л. Бондаренко, Е. И. Борзенко, 

И. К. Буткевич, А. В. Буторина, А. П. Викулов, И. С. Воздвиженский, 

А. Ш. Кобулашвили, С. Н. Козлов, Н. А. Лавров, В. П. Леонов, В. А. Матвеев, 

В. Н. Митрохин, В. Н. Новотельнов, В. И. Петров, Ю. В. Пешти, 

В. Б. Полтараус, Б. А. Поляев, Т. М. Розеноер, М. Ю. Савинов, А. Д. Суслов, 

В.П. Харитонов, Д.И. Цыганов

Рецензенты:

кафедра криогенной техники Санкт-Петербургского государственного

университета низкотемпературных и пищевых технологий;

д-р техн. наук, проф. С. П. Горбачев

М38

  
Машины низкотемпературной техники. Криогенные машины и инструменты : 
учебник для вузов / [А. Н. Антонов, А. М. Архаров, И. А. Архаров 
и др.] ; под общ. ред. А. М. Архарова и И. К. Буткевича. – 2-е изд., испр. – Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. – 533, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3931-7

Во втором издании (первое – 2010 г.) приведены методы расчета и конструирования 
криогенных машин, безмашинных криогенераторов и криоинструмен-
тов, наиболее широко применяемых в низкотемпературной технике. Рассмотрены 
поршневые и лопастные машины, предназначенные для криогенерации (детанде-
ры, криогенные газовые машины) и для циркуляции криоагента (насосы), а так-
же криогенные аппараты, реализующие струйный, вихревой, пульсационный, 
волновой и магнитокалорический эффекты при получении холода. Даны расчеты 
и конструкции специфических криогенераторов и криоинструментов, использу-
емых в криохирургии. Описаны процессы, которые происходят в машинах и ап-
паратах, работающих в двухфазной области параметров состояния криоагентов.

Содержание учебника соответствует курсу лекций, который авторы читают 

в МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Для студентов, инженеров, магистров, аспирантов и специалистов.

УДК 621.59(075.8)
ББК 31.392

ISBN 978-5-7038-3931-7

© Оформление. Издательство
    МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие председателя Редакционного совета  ......................................................7
Предисловие ..........................................................................................................................9
Список основных сокращений ..........................................................................................11
Глава 1. Области применения криогенных и низкотемпературных машин ......13

1.1. Назначение криогенных и низкотемпературных машин ......................13
1.2. Основные этапы развития криогенных и низкотемпературных

машин ........................................................................................................14

1.3. Определение рациональной области применения расширительных 

машин ........................................................................................................20

Глава 2. Оcобенности основных рабочих процессов расширительных машин .24

2.1. Изменение параметров рабочего тела в полости
 
низкотемпературной расширительной объемной машины ..................24

2.2. Особенности процесса расширения рабочего тела в двухфазной 

области параметров состояния ...............................................................30

2.3. Истечение газов. Газодинамические функции ......................................33

Глава 3. Поршневые криогенные и низкотемпературные детандеры .................41

3.1. Устройство, действие и классификация поршневых детандеров ........41
3.2. Основные определения. Индикаторная диаграмма поршневого 

детандера ..................................................................................................44

3.3. Энергетический баланс. Потери холодопроизводительности 

вследствие необратимости рабочих процессов. Оценка                            
эффективности поршневого детандера .................................................48

3.4. Действительный цикл поршневого детандера. Влияние реальных 

свойств криоагента ..................................................................................57

3.5. Алгоритм теплового расчета адиабатного поршневого детандера .....66
3.6. Динамические характеристики поршневого детандера .......................79
3.7. Поршневое уплотнение ...........................................................................84
3.8. Механизм газораспределения .................................................................89
3.9. Отбор и утилизация энергии расширения газа. Защита от разноса ....98
3.10. Основные конструктивные особенности воздушных, водородных 

и гелиевых поршневых детандеров .....................................................101

3.11. Особенности эксплуатации и автоматизации

поршневых детандеров .........................................................................114

Глава 4. Криогенные турбодетандеры ......................................................................117

4.1. Области применения турбодетандеров. Схема, основные понятия   117
4.2. Расчет процесса в турбодетандере .......................................................122
4.3. Оптимизация параметров турбинной ступени ....................................127
4.4. Термодинамический расчет газовой турбины. Определение 

геометрических и режимных параметров ...........................................133

Оглавление
6

4.5. Сопловые аппараты турбинной ступени .............................................139
4.6. Профилирование элементов турбинной ступени ...............................156
4.7. Определение параметров турбодетандеров при нерасчетных 
 
режимах ..................................................................................................168

4.8. Конструкции турбодетандеров .............................................................177
4.9. Системы подвески ротора. Основы динамики турбодетандеров ......204

Глава 5. Криогенные газовые машины ....................................................................210

5.1. Принцип действия и классификация ...................................................210
5.2. Принципиальные схемы криогенных газовых машин .......................216
5.3. Циклы и особенности рабочего процесса ...........................................222
5.4. Развитие теории и методов расчета криогенных газовых машин .....230
5.5. Гидродинамическая модель криогенной газовой машины. 

Расчет индикаторных диаграмм полостей...........................................237

5.6. Аппараты внешнего теплообмена ........................................................246
5.7. Конструкции и тепловой расчет регенераторов ..................................262
5.8. Последовательность расчета криогенных газовых машин ................283
5.9. Рекомендации по оптимизации криогенных газовых машин ............287
5.10. Многоступенчатые криогенные газовые машины

и особенности их расчета......................................................................291

5.11. Конструкции криогенных газовых машин ..........................................293

Глава 6. Безмашинные криогенераторы ..................................................................335

6.1. Эжекторы ................................................................................................335
6.2. Вихревые трубы .....................................................................................349
6.3. Пульсационные криогенераторы ..........................................................362
6.4. Магнитокалорические криогенераторы ...............................................383
6.5. Волновые криогенераторы ....................................................................399
6.6. Медицинские криогенераторы и криоинструменты для хирургии .....410

Глава 7. Криогенные насосы ......................................................................................454

7.1. Центробежные насосы ..........................................................................454
7.2. Поршневые насосы ................................................................................496
7.3. Насосы для жидкого гелия ....................................................................520

Литература .........................................................................................................................532

ПРЕДИСЛОВИЕ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ 

РЕДАКЦИОННОГО СОВЕТА 

В МГТУ им. Н. Э. Баумана успешно развиваются научно-педагогические 

школы, завоевавшие мировое признание. Одна из таких школ, возникшая 
в 40-х годах XIX века, объединила научно-педагогических работников, занима-
ющихся прикладной и теоретической теплотехникой.

В 1845 году в предтече нашего Университета – Московском ремесленном 

учебном заведении (РУЗ) появляется молодой преподаватель практической 
механики Александр Степанович Ершов. До этого, побывав в командировках 
в петербургских и европейских учебных заведениях, он в 1844 году защищает 
в Московском университете магистерскую диссертацию на тему: «О воде как 
двигателе». В 1859 году А. С. Ершова назначают директором РУЗ. Знакомство 
с техническим образованием в Германии, Франции и Англии позволяет ему опре-
делить основную задачу руководимого им учебного заведения – воспитание уче-
ных-техников. При этом основным элементом образования, как и раньше, оста-
ется обучение ремеслу в мастерских РУЗ. Так начал формироваться знаменитый 
«русский метод» подготовки инженеров. Проект Устава, разработанный в конце 
1866 года коллективом преподавателей РУЗ, 1 июля 1868 года был утвержден 
императором Александром II. В соответствии с Уставом учебное заведение пре-
образовывалось в Императорское Московское техническое училище, в котором 
одним из первых трех открываемых отделений было инженерно-механическое.

Датой основания научно-педагогической школы прикладной и теоретиче-

ской теплотехники, сосредоточенной на инженерно-механическом отделении, 
можно считать 1846 год, когда в РУЗ стали производить паровые двигатели. 
Первые три паровые машины в 1849 году были проданы на крупнейшие тогда 
фабрики в Москве и в с. Иваново. Первоклассный по оснащению и органи-
зации производства завод РУЗ позволял, кроме паровых машин (машин-дви-
гателей), выпускать и машины-орудия: насосы и вентиляторы, типографские 
и токарные станки, гидравлические прессы и многое другое.

С конца XIX века в Училище начинают создаваться лаборатории, в которых 

проводились полные экспериментальные исследования паровых машин, кот-
лов, нефтяных и газовых двигателей. В учебных планах появились новые курсы 
по прикладной теплотехнике: «Двигатели внутреннего сгорания», «Специаль-
ные паровые машины», «Паровые турбины», «Теплосиловые станции и топки», 
«Гидромашины». Результаты исследований, к которым преподаватели привле-
кали своих студентов, публиковались в многочисленных трудах конференций, 

технических журналах, книгах и учебниках. Например, в 1909 году на Москов-
ской мясной выставке Училище демонстрировало обстоятельные научные ис-
следования холодильных машин, выполненные студентами под руководством 
Ивана Ивановича Куколевского.

С момента основания Инженерно-механического отделения минуло без 

малого 150 лет. На пороге этой знаменательной даты преподаватели и сотруд-
ники НУК «Энергомашиностроение», являющегося преемником достижений 
Императорского Московского технического училища в области теплотехники, 
подготовили к изданию целый ряд учебников, монографий, сборников статей. 

Настоящая книга является первой в планируемой серии и отражает разви-

тие холодильного и криогенного машиностроения. В 1920 году, впервые в на-
шем Отечестве, в Московском высшем техническом училище на факультете 
«Тепловые и гидравлические машины» профессор Владимир Евгеньевич Цыд-
зик формирует холодильное отделение, а в 1932–1933 годах на этом же фа-
культете выдающийся ученый, лауреат Сталинской премии, профессор Семен 
Яковлевич Герш создает криогенное отделение.

За прошедшие годы холодильное и криогенное машиностроение сыграло 

огромную роль в развитии металлургической, химической и газовой промыш-
ленности, ракетно-космической техники, авиации, электротехники, приборо-
строения, пищевой индустрии. Работы кафедры «Холодильная, криогенная 
техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» отмечены рядом 
международных и государственных наград, в том числе государственными 
премиями СССР и Российской Федерации, премиями Правительства Россий-
ской Федерации и Москвы. На кафедре работали выдающиеся ученые и пе-
дагоги, профессора Григорий Иванович Воронин, Вера Ивановна Епифанова, 
Евгений Иванович Микулин, Виктор Александрович Румянцев, Константин 
Степанович Буткевич, Федор Макарович Чистяков, Александр Дмитриевич 
Суслов, Ирина Васильевна Марфенина, Михаил Борисович Столпер, Андрей 
Григорьевич Головинцов, Анатолий Сергеевич Нуждин, Виктор Петрович Бе-
ляков, Виктор Михайлович Кулаков, Владимир Николаевич Козлов, Михаил 
Иванович Дьячков, Владимир Ильич Ардашов, Юрий Дмитриевич Фролов.

Кафедре по праву принадлежит ведущая роль в развитии криологии. Се-

годня на кафедре работают известные профессора и специалисты: В.Л. Бондаренко,
И.А. Архаров, М.Ю. Савинов, А.И. Смородин, С.Д. Глухов, Г.Ю. Гончарова,
Е.С. Навасардян, В.Ю. Семенов, И.К. Буткевич, А.А. Жердев, В.Р. Романовский, 
В.В. Шишов, М.А. Колосов, А.А. Казак ова, А.Н. Паркин, В.П. Леонов, Н.А. Лавров, 
А.М. Архаров, Ю.А. Шевич, Ю.В. Пешти, С.А. Гаранов. 

Ректор МГТУ им. Н. Э. Баумана                                                         А.  А. Александров

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая книга является логическим продолжением двухтомни-

ка «Криогенные системы» (А. М. Архаров и др., 1-е изд. – 1999 г., 2-е изд. – 
1987–1988 гг.). Опыт использования материалов обоих томов при подготовке 
специалистов по разработке и исследованию различных криогенных систем 
и криоинструментов показал эффективность применения в процессе обучения 
единых методических подходов в изложении материала, возможность исполь-
зования информации первого тома как теоретической основы для ознакомле-
ния с методами анализа и расчета конкретных криогенных систем и оборудо-
вания. Однако во втором томе не были описаны криогенные машины, которые, 
как генераторы холода и источники циркуляции криоагента, являются неотъемлемой 
частью многих криогенных систем.

Вместе с тем в 1991 г. был опубликован учебник «Криогенные машины» 

авторов В. Н. Новотельнова, А. Д. Суслова и В. Б. Полтарауса, который удачно 
дополнил двухтомник «Криогенные системы». Однако со времени его издания 
прошло уже более 20 лет, в течение которых в результате развития холодильного 
и криогенного машиностроения изменились не только некоторые 
методические подходы к расчету и конструированию криогенных машин, 
но и идеология преимущественного применения машин и криоинструментов 
того или иного типа. Это предопределило необходимость подготовки учебника, 
в котором было бы отражено современное состояние этой отрасли техники. 
К сожалению, уход из жизни авторов учебника «Криогенные машины» не позволил 
использовать их богатый профессиональный опыт и глубокие знания. 
В связи с этим при подготовке материалов данного издания были привлечены 
ведущие специалисты кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы 
кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Использо-
ван опыт ведущих российских и зарубежных фирм (ОАО «Криогенмаш», НПО 
«Гелиймаш», АО «Сибкриотехника», Air Liquide (Франция), Linde (Германия), 
Janis (Нидерланды), Leybold, Sun Power Inc. (США) и др.), а также опыт работы 
соответствующих кафедр  МГУИЭ, МЭИ, СПбГУНиПТ, СПбГПУ, ОмПИ и пр. 
При подготовке учебника авторы опирались на труды своего учителя – профес-
сора С. Я. Герша, на известные работы основоположников теории, методов рас-
чета и конструирования криогенных машин: К. С. Буткевича, В. И. Епифановой, 
И. К. Кондрякова, А. Н. Шерстюка.

В последнем десятилетии XX в. наряду с традиционными направления-

ми получили развитие новые области применения холодильной и криогенной 

Предисловие
10

техники, в которых машинные и безмашинные генераторы холода завоевы-
вают свое место. Кроме того, постоянно усиливающаяся тенденция широко-
масштабного использования сжиженного природного газа в качестве топлива 
обусловила серьезные предпосылки для исследования и совершенствования 
перспективных генераторов холода. Высокие требования к обеспечению на-
дежности криогенных и низкотемпературных систем вызвали значительное 
расширение применения безмашинных генераторов холода, что привело к не-
обходимости ввести в учебник соответствующий материал, а также сведения 
о медицинских криогенераторах и криоинструментах, использование которых 
в медицине постоянно расширяется.
Авторы обращают внимание читателей на то, что иногда в учебнике для 
обозначения ра зных величин используются одни и те же буквенные обозначе-
ния. Это объясняется тем, что отдельные эмпирические зависимости приво-
дятся в тех же буквенных обозначениях, что и в цитируемых работах. Однако 
сам контекст, где присутствуют такие обозначения, не дает возможности оши-
биться в их толковании.
Приняв за основу материал авторов учебника «Криогенные машины» 
В. Н. Новотельнова, А. Д. Суслова и В. Б. Полтарауса, в создании данного 
учебника участвовали А. М. Архаров – гл. 1, 2, 5, 6; И. К. Буткевич – гл. 1–3, 
разд. 6.1–6.4, 7.3; Е. И. Борзенко – гл. 2–5; Т. М. Розеноер, В. П. Леонов, А. Ш. 
Кобулашвили – гл. 4; А. П. Викулов – разд. 4.9; Ю. В. Пешти, И. А. Арха-
ров – гл. 5; И. С. Воздвиженский, В. А. Матвеев, Б. А. Поляев, В. Н. Митрохин, 
Д. И. Цыганов, А. Н. Антонов – гл. 6; Н. А. Лавров – разд. 6.4; В. Л. Бондаренко, 
М. Ю. Савинов – разд. 6.5; А. В. Буторина – разд. 6.6; В. В. Малюшенко, 
С. Н. Козлов, В. И. Петров – гл. 7; В. П. Харитонов – разд. 7.3

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АВТ 
– аппарат внешнего теплообмена
ВКГ 
– волновой криогенератор
ВМТ 
– верхняя мертвая точка
ВРУ 
– воздухоразделительная установка
ВТ 
– вихревая труба
ГГГ 
– гадолиниево-галлиевый гранат
ГДСД – гелиевый детандер среднего давления
ДВД 
– детандер высокого давления
ДПВ 
– детандер прямоточный воздушный
ДПГ 
– детандер поршневой гелиевый
ДСД 
– детандер среднего давления
ИМП – источник магнитного поля
КГМ 
– криогенная газовая машина
КГУ 
– криогенная гелиевая установка
КПД 
– коэффициент полезного действия
КСА 
– канальный сопловой аппарат
КХА 
– криогенная хирургическая аппаратура
ЛСА 
– лопаточный сопловой аппарат
МК 
– магнитокалорический
МККГ – магнитокалорический криогенератор
МТТ 
– медико-технические требования
НА 
– направляющий аппарат
НМТ 
– нижняя мертвая точка
НУ 
– нагрузочное устройство
ОРГ 
– ожижитель-рефрижератор гелиевый
ПД 
– поршневой детандер
ПОГ 
– пульсационный охладитель газа
РТ 
– рабочее тело
СВЧ 
– сверхвысокочастотный
СОО 
– ступень окончательного охлаждения
СП 
– сверхпроводящий
СПГ 
– сжиженный природный газ
СПК 
– сверхпроводящий кабель
СПМ – сверхпроводящий магнит
СПО 
– ступень предварительного охлаждения

Список основных сокращений
12

ТД 
– турбодетандер
ТИ 
– теплый источник
ТК 
– тепловой ключ
ТКГМ – теплоиспользующая криогенная газовая машина
ХИ 
– холодный источник
ЭМП – электромагнитное поле
ЭМПК – электромагнитный привод клапанов