Глубокое охлаждение


Итак, чтобы получить жидкий воздух, нужно сначала охладить воздух до очень низких температур. Как это сделать?

Если смешивать снег с поваренной солью, то смесь охладится до —20 градусов по Цельсию; смесь из разведенной серной кислоты и снега даст еще более низкую температуру —30 градусов, а если смешать снег с поташом, то можно получить температуру 46 градусов ниже нуля.

Однако все это слишком высокие температуры по сравнению с критической температурой воздуха, которая равна —140,7 градуса, или азота, равной —147,1 градуса, или даже кислорода —118,8 градуса. Чтобы достигнуть таких низких температур, необходимых для сжижения воздуха, действие охлаждающих смесей оказалось явно недостаточным. Более того, многочисленные исследования показали, что таких низких температур никакой холодильной смесью достигнуть нельзя. Здесь нужен более глубокий холод.

Долгое время казалось, что создание таких низких температур в земных условиях — дело невозможное. Но наука не знает безвыходных положений, неразрешимых задач. И то, что сейчас кажется невозможным, завтра, в других условиях, при другом уровне техники и науки, будет не только возможным, но и обычным. Это случилось и с проблемой получения очень низких температур, проблемой глубокого холода. Решение задачи было найдено, и не одно, а несколько.

Давно известно физическое явление нагревания воздуха при его сжатии. Происходит это нагревание по той простой причине, что при сжатии воздуха или другого какого-либо газа механическая работа сжатия превращается в тепло. Чем больше эта работа сжатия, тем больше выделяется при этом тепла, тем больше нагревается при этом газ. Но представим себе обратный процесс. Сжатый газ мы заставим расширяться с совершением работы. Естественно, что при этом мы должны ждать и обратного эффекта. Расширяющийся газ будет охлаждаться, и охлаждение будет тем сильнее, чем больше было сжатие. Но расширение сжатого газа можно произвести двумя путями. Можно сильно сжатый газ пропускать через какое-либо узкое отверстие, например через специальный кран, называемый вентилем, в какой-либо объем, значительно больший, чем первоначальный объем сжатого газа. Давление газа упадет, газ при этом расширится и охладится. Газ при таком расширении никакой видимой работы не совершил, почему же произошло его охлаждение? Дело в том, что молекулы сжатого газа при таком расширении должны сильно разойтись, удалиться одна от другой на большее, чем в сжатом виде, расстояние. Но ввиду того, что между молекулами сжатого газа существовали определенные силы сцепления, то при своем расширении газ должен совершить работу против этих сил сцепления между молекулами. И так как никакой постоянной энергии к газу не подводится, он расходует ее из своих внутренних запасов, теряет ее и благодаря этому охлаждается.

Но это не предел охлаждения газа при его расширении. Это охлаждение можно еще больше увеличить, если сжатый газ при его расширении заставлять совершать работу, если направить его, например, в машину, приводимую в движение сжатым газом.

Эти два принципа охлаждения газа и были положены учеными в основу способов получения глубокого холода для целей сжижения воздуха и других газов.

В первый раз воздух в лаборатории был сжижен в 1877 году. Однако проходит, как мы уже указали, 18 лет, прежде чем сжижение воздуха, осуществленное в лаборатории, стало достоянием промышленности.

Практика показывает, что для того, чтобы тот или иной процесс был реализован в промышленности, он должен быть не только принципиально возможен, он должен быть также и достаточно экономичен. И вот для достижения этой экономичности в процессах получения жидких газов потребовалось введение очень важного аппарата — теплообменника. Роль этого аппарата в процессах глубокого охлаждения станет ясной при описании самого процесса сжижения, например, воздуха или другой смеси газов.

Прежде чем воздух подвергать сжижению, его следует тщательно очистить от пыли, углекислоты, влаги. Засасываемый воздух сжимается компрессором. Чтобы при дальнейшем расширении воздуха сразу получить температуру, достаточную для его сжижения, пришлось бы воздух сжимать до очень высокого давления. Но благодаря наличию в процессе теплообменника этого делать не нужно.

Теплообменник представляет систему из тонких хорошо проводящих тепло трубок, по которым протекает сжатый воздух. Противотоком в межтрубном пространстве теплообменника протекает поток холодного воздуха. Роль теплообменника состоит в том, что этот поток холодного воздуха охлаждает свежий сжатый воздух до такой температуры, при которой уже при незначительном расширении сжатый воздух превращается в жидкость. Кроме того, теплообменник служит для сбережения холода, ибо весь воздух, который не сжижился прежде чем покинуть аппарат, отдает свой холод сжатому воздуху, идущему на сжижение. Такая технология получения жидкого воздуха вошла в заводскую практику начиная с 1895 года.

Но практика требовала наиболее полного использования теоретических возможностей. Если бы можно было сконструировать такую машину, где сжатый воздух производил бы работу, то жидкий воздух можно было бы получать еще экономичнее. И это требование практики было удовлетворено наукой. Такая машина, где сжатый воздух при своем расширении производит работу и еще сильнее охлаждается, была сконструирована и названа детандером.

С применением такой машины процесс, сжижения воздуха можно-представить в следующем виде.

Очищенный воздух, как и ранее, сжимается многоступенчатым компрессором до необходимого давления. Далее, сжатый воздух направляется в первый по ходу процесса теплообменник, пройдя который он разделяется на два потока.

Один поток направляется в расширительную машину — детандер, другой поток — непосредственно во второй теплообменник. Детандер — это обычная поршневая машина, где работу расширения производит не пар, а сжатый воздух. При совершении этой работы сжатый воздух сильно охлаждается. Этот воздух и служит для охлаждения другого потока, вступающего во второй теплообменник. Охлажденный сжатый воздух после второго теплообменника, пройдя через сооответствующий вентиль, попадает в расширительную камеру в частично сжиженном виде. Детандер соединен с валом динамо-машины, которая превращает механическую энергию расширения сжатого воздуха в энергию электрическую.

В эпоху пятилеток потребность народного хозяйства в жидком воздухе и особенно в газообразном кислороде настолько количественно возросла, что потребовалась качественно иная техника его получения, которая позволила бы наиболее экономично удовлетворить эти выросшие запросы. Создание в процессе получения газообразного кислорода высокого давления порядка до 200 атмосфер требует применения дорогих, громоздких и сложных компрессоров и другого оборудования высокого давления. Обычно такие установки дороги в изготовлении, сравнительно мало производительны и требуют больших цехов для установки.

Академик П. Л. Капица предложил метод сжижения воздуха при низком давлении. Первая небольшая установка по методу Капицы была построена в Советском Союзе в 1938 году.

Принцип ее работы заключается в следующем. Так как в этом процессе воздух не нужно сжимать до высокого давления, то место поршневого компрессора здесь занимает высокопроизводительный турбокомпрессор, развивающий давление всего лишь 5—6 атмосфер. Сжатый воздух направляется в аппарат, называемый регенератором, где охлаждается до —160 градусов. Часть сжатого охлажденного воздуха далее направляется в расширительную машину — турбодетандер, где воздух, производя работу расширения, охлаждается при этом до —185 градусов и служит для охлаждения и сжижения той части воздуха, которая после регенератора направляется в теплообменник и конденсатор жидкого воздуха.