Александр Федоров - Огненный воздух

Как же работают холодильные установки, использующие воздух только низкого давления?

Схема установки глубокого холода, работающей с использованием воздуха низкого давления, изображена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема установки глубокого холода, работающей с использованием воздуха низкого давления.

Турбокомпрессор , приводимый в действие электрическим мотором, засасывает атмосферный воздух и сжимает его до давления в 5–6 атмосфер. Поток сжатого воздуха направляется в теплообменник, в котором он охлаждается до — 155–160 градусов за счет холодного воздуха, уходящего из установки.

Пройдя теплообменник, поток воздуха расходится по двум руслам. Основная часть сжатого воздуха поступает в расширительную турбину — турбодетандер, где воздух расширяется и совершает работу — приводит в движение динамомашину или вращает турбокомпрессор. При этом воздух еще больше охлаждается и, покидая турбодетандер при температуре в 185–187 градусов ниже нуля, направляется в конденсатор.

Второй поток холодного воздуха из теплообменника поступает прямо в конденсатор, проходя при этом между трубок, через которые движется более холодный воздух из турбодетандера. Расширяясь и охлаждаясь в междутрубном пространстве конденсатора, некоторая часть сжатого воздуха превращается в жидкость и сливается через кран в резервуар жидкого воздуха. Основное же количество воздуха, не превращенное в жидкое состояние, направляется из конденсатора в теплообменник, где отдает свой холод новым порциям сжатого воздуха, идущим из турбокомпрессора в детандер и конденсатор.

Холодильные установки низкого давления компактны. Замена поршневых компрессоров турбокомпрессорами позволяет в несколько раз увеличить количество перерабатываемого воздуха и этим значительно увеличить производительность установок. Но отдельные части установок низкого давления еще недостаточно совершенны, поэтому расход электроэнергии при получении жидкого воздуха на таких установках пока еще несколько выше, чем на машинах старой системы. Однако нужно надеяться, что дальнейшее совершенствование установок глубокого холода, работающих на низком давлении, позволит получать жидкий воздух в больших количествах при таких же и даже еще меньших затратах энергии, как и на установках высокого давления.

Итак, мы теперь знаем, как получается жидкий воздух.

Откроем сливной кран работающей установки глубокого холода, поставив под него какой-нибудь сосуд. Шипящая, окруженная густым белым паром струя устремится в сосуд и он наполнится почти прозрачной, светло-голубой жидкостью, похожей на воду.

Иногда жидкий воздух бывает мутным и напоминает молоко. Это значит, что осушка и очистка воздуха от углекислоты были недостаточно тщательными. Присутствие мельчайших кристаллов замороженной воды или углекислоты и приводит к помутнению жидкого воздуха. Однако его очень легко освободить от мути. Для этого достаточно пропустить жидкий воздух сквозь обычную фильтровальную бумагу.

При нормальном атмосферном давлении жидкий воздух, как уже говорилось, имеет температуру на 192 градуса ниже нуля. Естественно, что налитый в обычный металлический или стеклянный сосуд жидкий воздух быстро испаряется. Если бы можно было, не боясь обморожения, опустить руку в жидкий воздух, а потом дотронуться до куска льда, то последний показался бы нам невероятно горячим! Жидкий воздух, налитый в медную и предварительно охлажденную кастрюлю, бурно кипит, даже если кастрюлю поставить на лед.

Густые белые пары постоянно сопутствуют опытам с жидким воздухом. Однако не следует думать, что это пары улетучивающегося жидкого воздуха. На самом деле мы наблюдаем своеобразный туман, образовавшийся благодаря быстрой конденсации влаги и углекислоты, содержащихся в окружающей атмосфере.

Как же замедлить испарение жидкого воздуха? Очевидно, нужно тщательно отделить сосуд, содержащий эту необычную жидкость, от окружающего воздуха. Так, если окружить банку с жидким воздухом слоем шлаковой ваты или войлока, то его испарение замедлится. Но долго сохранить жидкий воздух в таком сосуде нельзя. Шерсть, вата, хотя и плохо, но все-таки проводят тепло.

Самым совершенным теплоизолятором является… пустота. Еще 60 лет назад для сохранения сжиженных газов начали изготовлять специальные сосуды с двойными стенками (рис. 5).

Рис. 5. Двухстенные стеклянные сосуды для хранения жидкого воздуха.

Воздух, находившийся между стенками, выкачивался через нижнее отверстие сосуда, которое затем тщательно запаивалось. В таких сосудах испарение уменьшалось весьма значительно.

Однако тепло распространяется не только за счет теплопроводности тел. Наша планета, например, получает тепловую энергию от Солнца в виде тепловых лучей. А лучистое тепло беспрепятственно проникает к жидкому воздуху и через пустую оболочку сосуда. Оно поглощается стеклянными стейками и передается жидкости.

Как же предохранить жидкий воздух от действия тепловых лучей?

Много лет назад ученые заметили, что не все тела обладают одинаковой способностью поглощать тепловые лучи. Предметы с темной и матовой поверхностью поглощают значительно больше тепла, чем блестящие и светлые. Поэтому летом люди стремятся носить белую одежду — она хорошо отражает горячие солнечные лучи. Эти наблюдения позволили найти простую защиту сосудов от тепловых лучей. Достаточно только посеребрить внутреннюю поверхность стенок сосуда. Зеркальная поверхность сосуда отражает падающие на него лучи, и жидкий воздух в таких сосудах можно хранить неделями. Однако стеклянные сосуды для хранения жидких газов применяются только в лабораториях. В промышленной практике, где приходится иметь дело с тоннами и даже десятками тонн жидких газов, для хранения и перевозки их применяются другие устройства. С ними мы познакомимся несколько позже.

С жидким воздухом можно проделать ряд весьма интересных опытов.

Наполним стеклянную банку водой и вольем туда немного жидкого воздуха. Прежде всего мы увидим, как бурно закипит жидкий воздух. И это не удивительно. Для жидкого воздуха поверхность воды в банке то же, что раскаленная плита для выплеснутой на нее воды.

Из жидкого воздуха, вылитого в банку с водой, образуются подвижные шарики. Вначале они будут скользить по поверхности воды, а затем, несмотря на бурное испарение, погрузятся в воду. Это любопытное явление объясняется очень просто. Плотность жидкого азота составляет примерно 0,9 плотности воды, а плотность жидкого кислорода в 1,12 раза больше плотности воды. Жидкий воздух, только что полученный на установке и вылитый в банку с водой, содержит много азота. Поэтому он легче воды и плавает на ее поверхности. По мере испарения жидкого воздуха улетучивается прежде всего азот, обладающий более низкой по сравнению с кислородом температурой ожижения. Остающаяся часть жидкого воздуха все больше обогащается кислородом и плотность его непрерывно растет. Вскоре шарики жидкого воздуха становятся тяжелее воды и опускаются на дно банки.