Борис Смагин - Вблизи абсолютного нуля

Пожалуй, чаще встречаются тормоза электромагнитные. Противодействует работе газа обычный маленький электромагнит.

А дальше все происходит так же, как и с тормозом гидравлическим. Газу ведь все равно, что там мешает работать, почему поршень сопротивляется его усилиям. Дело газа — давить на дно поршня, двигать его и… охлаждаться.

Некоторые, конечно, удивятся. Зачем придерживать поршень? Пустить его свободно. Но ведь наша задача — заставить газ работать посильнее, чтобы он тратил побольше энергии. Поэтому мы и создаем всяческие неприятности, «ставим палки в колеса».

В детандерах лучше, удобнее охлаждать газы. Правда, здесь приходится совершать лишнюю работу — «снабжать» энергией тормоз поршня. Но эта работа окупается хорошим охлаждением.

Кроме того, у детандеров есть еще одно важное преимущество перед дроссельными установками. Не надо газ ни сильно охлаждать предварительно, ни загонять в мощные компрессоры для сжатия. А детандерам нужно лишь некоторое предварительное охлаждение. Немного увеличить давление газа тоже неплохо. Но это уже дело нехитрое.

В технике существует много разных видов детандеров. Их описания занимают толстые книги. Но вот один из них нам особенно важен.

Потому что сделал его впервые замечательный советский ученый академик Петр Леонидович Капица.

И называется этот детандер турбодетандером.

С Петром Леонидовичем Капицей мы познакомимся, когда посетим институт, который он организовал, институт, где академик Капица — бессменный директор.

Это основной мировой научный центр по сверххолоду — Институт физических проблем. Там работают экспериментаторы, замечательные отважные исследователи «странного мира» сверхнизких температур. И теоретики, объясняющие чудеса этого странного мира. Инженеры института создают прекрасные установки, с помощью которых можно получать сверхнизкие температуры. Именно здесь П. Л. Капица создал первый турбодетандер.

Это устройство отличается от всех прочих детандеров одним — вместо поршня стоит там маленькая турбинка.

Удобно ли это? Да, конечно! Турбинка занимает меньше места, установка компактнее. Кажется, выгода невелика. Что же, в лабораториях жилищный кризис, что ли? Но когда речь идет о температурах, уже совсем близких к абсолютному нулю, чем меньше установка, тем лучше. Ее легче изолировать от окружающего тепла.

С турбинами удобнее работать, так считают ученые. Обычные детандеры гораздо капризнее. Наконец, у турбин больше коэффициент полезного действия. Они экономичнее и выгоднее.

Петр Леонидович Капица высказал еще одну очень интересную мысль. Он сказал, что турбодетандеры надо в первую очередь использовать для сжижения воздуха. И вот почему.

Воздух — газ. Но в холодильных машинах он попадает в особые условия. И в этих условиях воздух больше напоминает не газ, а… воду. Он ближе к воде по своим свойствам. Поэтому резонно использовать водяные турбины, строить детандеры вроде обычных турбин наших гидроэлектростанций, которые вырабатывают электрический ток.

Работает турбодетандер примерно так.

Сначала газ попадает на лопатки турбинного колеса, вращает колесо, отдает часть своей энергии, охлаждается. Но на этом путь очередной порции газа не кончается. Ее ждут специальные каналы. Газ врывается в каналы и расширяется там. Ему предоставлена такая возможность. Расширение адиабатное, газ, естественно, охлаждается еще сильнее. И окончательно обессилев, стекает каплями жидкости.

Конечно, вы понимаете, что в холодильных установках встречаются и дроссели, и детандеры, и турбодетандеры. У всякого есть свои преимущества и недостатки. Часто даже в одной и той же машине дружно работают детандер и дроссельная установка. Они весьма мирно уживаются, даже помогают друг другу.

Самые распространенные холодильные машины поставляют жидкий воздух. Потом уже из него готовят отдельно кислород, азот и другие «жидкости». Правда, странно называть жидкостью вещества, которые мы привыкли «видеть» газами. Но мы сейчас уже на подступах к абсолютному нулю. Поэтому надо привыкать к новому миру.

Минус сто девяносто один градус по Цельсию — 82 градуса Кельвина. Вот где мы сейчас находимся. Это температура жидкого воздуха.

Первая машина жидкого воздуха появилась около семидесяти лет назад. Сделал ее немецкий ученый Карл Линде.

1891 год. В стране сверххолода большой праздник. Из крана небольшой установки, носящей имя конструктора инженера Линде, падают первые капли новой жидкости— капли жидкого воздуха.

Немецкий инженер в первой машине жидкого воздуха воспользовался эффектом Джоуля — Томсона.

Кажется, что проще всего было создать детандер, где газ совершает внешнюю работу. Ведь двигатели внутреннего сгорания тогда уже работали вовсю. Но детандер появился позже.

Мы помним недостатки дросселирования. Надо сильно сжимать газ и хорошо охлаждать предварительно. Иначе ничего не выйдет.

Поэтому никто не удивится, если мы скажем, что самой важной частью машины Линде был теплообменник.

Линде заставил воздух проходить по установке несколько раз. Каждый раз порция газа становилась все холоднее и холоднее и охлаждала следующую. Так машина готовила воздух для ответственного шага. В дроссель подходил воздух, вполне подготовленный к дальнейшему. Еще одна ступень, еще раз понизилась температура. И вот победа. Первые капли первого жидкого воздуха.

Теплообменники до сих пор — самая хитрая часть конструкции любой холодильной машины. Машин множество. Конструкторы смело мешают детандеры и дроссели, заставляют газ путешествовать но замысловатым путям. Но неизменно стоит на этом пути теплообменник.

Итак, в руках ученых появилась новая сверххолодная жидкость — воздух.

Обычный газообразный воздух каждому знаком с первой минуты рождения. Правда, мы как будто не замечаем его. Просто привыкли. А вот воздух жидкий — новое незнакомое для нас вещество. Поэтому давайте познакомимся поближе с ним и его привычками.

Вот он, там, в глубине этого блестящего сосуда. Сосуд Дьюара или, попросту, дьюар. Джеймс Дьюар — английский ученый. Он когда-то первым получил жидкий водород. Но об этом давно забыли. И так же забыто было бы имя Дьюара, если бы не изобрел он помещение — ловушку для жидких газов. Там два цилиндрических сосуда. Один вставлен в другой. А между ними безвоздушное пространство — вакуум. Или специальные прокладки, через которые не сможет пробраться тепло.

Дьюар блестит, потому что его наружная стенка посеребренная. Помните, мы говорили, что один из способов передачи тепла — лучеиспускание. Так, например, Солнце издалека обогревает Землю. Блестящая поверхность дьюара хорошо отражает попавшие на нее световые и тепловые лучи. Поэтому дьюар не будет нагреваться снаружи.