Александр Федоров - Огненный воздух

Компрессор, сжимающий воздух, расширительное устройство, предназначенное для его охлаждения, и теплообменник, позволяющий превращать в жидкость воздух, вот главные части установки глубокого холода.

Мы уже знаем, что воздух может охлаждаться гораздо больше, если заставить его при расширении работать, например, двигать поршень воздушного моторчика. Такое охлаждение ведут в установках, которые, кроме сжимающего компрессора и охлаждающего теплообменника, имеют еще и расширительную машину, детандер.

Детандер устроен так же, как любая поршневая машина. Это цилиндр о поршнем, но поршень в детандере приводится в движение не паром, а сжатым воздухом.

Обратимся к рисунку 3.

Рис. 3. Принципиальная схема установки для получения жидкого воздуха.

Многоступенчатый компрессор сжимает очищенный атмосферный воздух. Пройдя по внутренней трубке первого теплообменника, сжатый воздух разделяется на два потока. Один поток, составляющий около четырех пятых всего воздуха, направляется в детандер и, расширяясь, приводит в движение его поршень. При этом воздух значительно охлаждается. Затем он омывает внутренние трубки обоих теплообменников и, отдав свой холод текущим навстречу свежим порциям воздуха, покидает машину. Второй поток воздуха, охлажденный еще больше во втором теплообменнике, направляется через вентиль в расширительную камеру, затем вместе с воздухом из детандера идет к выходу. Вскоре наступает момент, когда сжатый воздух, устремляющийся в расширительную камеру, достигает температуры ожижения и часть его превращается в светло-голубую жидкость. Когда накопится достаточное количество этой жидкости, кран открывают и жидкий воздух выливают. Работа воздуха в детандере не пропадает даром. Поршень детандера может приводить в действие динамомашину. Но чаще всего механическая энергия детандера передается валу компрессора, в котором сжимается воздух. Таким образом, часть энергии, затраченной на сжатие воздуха, компрессор получает обратно, а это снижает расход энергии на ожижение воздуха.

Итак, мы уже знаем, что теплообменник дает возможность получать весьма низкие температуры, необходимые для ожижения воздуха и других газов. Но одним этим роль теплообменника в установках глубокого холода не ограничивается.

Ведь ожижается обычно лишь небольшая часть расширяющегося воздуха. Однако охлаждать до низких температур приходится весь поступающий в установку воздух. Если бы не было теплообменника, воздух, не превращенный в жидкость, покидал бы установку при температуре около — 190 градусов и уносил бы с собою большое количество дорогостоящего холода. Но благодаря теплообменнику расширяющийся воздух покидает установку глубокого холода при температуре, очень мало отличающейся от температуры атмосферного воздуха. В современных установках эта разница температур обычно не превышает 4–5 градусов. Это значит, что за те несколько секунд, которые нужны расширившемуся воздуху для прохождения через теплообменник и другие аппараты установки, его температура повышается с — 192 градусов почти до температуры окружающего пространства. Почти весь холод, полученный воздухом в детандере и расширительной камере, передается им на обратном пути встречному потоку воздуха.

Тщательная тепловая изоляция всех аппаратов установки не позволяет холоду уходить в атмосферу. Такое сбережение холода позволяет получить больше жидкого воздуха и уменьшает расход энергии на его ожижение.

Широко распространенные установки для получения жидкого воздуха требуют применения громоздких поршневых компрессоров, в которых атмосферный воздух сжимается до нескольких десятков и даже сотен атмосфер. Естественно поэтому, что производительность установок глубокого холода ограничивается, прежде всего, размерами компрессоров. Очень трудно построить сложный поршневой компрессор, дающий большое количество воздуха высокого давления.

Использование воздуха, сжатого до высокого давления имеет и другие существенные недостатки. Все детали установок глубокого холода — трубы, арматура и т. д. — должны обладать высокой прочностью. Поэтому многие из этих деталей делаются массивными. Для их изготовления приходится расходовать много высококачественных металлов.

В начале текущего столетия получили распространение турбинные механизмы, в которых возвратно-поступательное движение основных деталей заменялось вращением. Небольшие по размерам и высокопроизводительные турбокомпрессоры оказались значительно удобнее громоздких поршневых машин в тех случаях, когда требовалось сжимать газ до сравнительно небольших давлений, в 6-10 атмосфер. Многие из металлургов помнят гигантские поршневые компрессоры недавнего прошлого, применявшиеся для вдувания воздуха в доменную печь. Теперь эти сложные и уродливые механизмы повсеместно заменены небольшими турбовоздуходувками, занимающими мало места и исключительно надежными в работе.

Появление турбинных машин заставило ученых задуматься над созданием установок глубокого холода, работающих на низком давлении воздуха. Почти 50 лет назад английский физик Релей пытался использовать турбину для получения холода. Однако из этого ничего не вышло. Турбинный механизм, заменивший поршневую расширительную машину — детандер, имел крайне низкий коэффициент полезного действия. Он не давал возможности получить столько холода, сколько требовалось для экономичного сжижения воздуха.

Советский академик П. Л. Капица тщательно проанализировал неудачи Релея и других исследователей. Ему удалось установить их ошибку. Все расчеты турбинных машин производились применительно к работе с паром. В условиях паровой турбины потери энергии, зависящие от плотности пара, были настолько малы, что не принимались во внимание. Однако исследования холодильных турбин показали, что в условиях глубокого холода эти потери резко возрастают. Воздух, охлажденный до низкой температуры, становится настолько плотным, что по некоторым своим физическим свойствам скорее похож на жидкость, чем на пар. Все это привело к мысли обращаться с воздухом, охлажденным до низкой температуры, не как с газом, а как с жидкостью. Таким образом, и турбодетандер, сконструированный П. Л. Капицей, был построен по образцу водяной турбины, а не по образцу паровой.

Первая опытная проверка холодильных механизмов турбинного типа дала обнадеживающие результаты. Крохотная турбинка, построенная в 1938 году в Институте физических проблем Академии наук СССР, имела ротор диаметром всего в 8 сантиметров. Она весила несколько килограммов, но обеспечивала получение 30 литров жидкого воздуха в час. Возможность ожижения воздуха с использованием только установок низкого давления была доказана. Открылась новая область применения турбинных механизмов. Турбина получила права гражданства и в промышленности глубокого холода.