Текст книги "Огненный воздух"
Автор книги: Александр Фёдоров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
СБЕРЕЖЕНИЕ ХОЛОДА
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.
ОТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ – К НИЗКОМУ
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.
Как же работают холодильные установки, использующие воздух только низкого давления?
ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА 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.
КАК УБЕРЕЧЬ ЖИДКИЙ ВОЗДУХ ОТ ИСПАРЕНИЯ
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.
О НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВАХ ЖИДКОГО ВОЗДУХА
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.
Многие из окружающих нас веществ и предметов нашего обихода, охлажденные до температуры жидкого воздуха, приобретают совершенно необычные для них свойства. Гибкая резиновая трубка после погружения в жидкий воздух становится хрупкой, как стекло, и легко разбивается молотком. Охлажденные в жидком воздухе цветы становятся похожими на тонкий изящный фарфор и при малейшем сотрясении легко превращаются в пыль.
Новые свойства тел, вызванные глубоким охлаждением, широко используются в практике. Пробка, фрукты или мясо в обычных условиях с трудом поддаются измельчению, а после смачивания жидким воздухом они легко превращаются в порошок. Однако, как только эти тела снова приобретают обычную температуру, к ним возвращаются их прежние качества.
Меняют некоторые свойства и многие металлы, погруженные в жидкий воздух. Спираль, изготовленная из мягкого свинца и замороженная в жидком воздухе, становится такой же упругой, как стальная. Бутыль из мягкого листового железа, наполненная жидким воздухом, приобретает такую же хрупкость, как и бутыль из стекла. Однако, несмотря на повышение хрупкости при низких температурах, сопротивление металлов разрыву увеличивается. Железная проволока, охлажденная в жидком воздухе, выдерживает, не разрываясь, вдвое больший груз, чем при обычной температуре.
Интересно отметить, что некоторые вещества при охлаждении жидким воздухом не изменяют своей эластичности. К их числу относится обезжиренная кожа, красная медь, нержавеющие стали и некоторые другие материалы. Этими материалами и пользуются для создания приборов и аппаратов, работающих при весьма низких температурах.
МИЛЛИОННЫЕ ДОЛИ АТМОСФЕРЫ
Изучая свойства различных веществ при низких температурах, исследователи обратили внимание на интересную особенность древесного угля. Хорошо обожженный и высушенный уголь при очень низких температурах прекрасно поглощает газы. Этим свойством древесного угля пользуются для создания сильно разреженной атмосферы или, как говорят, для получения вакуума, то-есть пустоты.
Пусть требуется удалить атмосферный воздух из какого-либо специального прибора, например, из трубки Гейслера, предназначенной для изучения электрического разряда в пустоте. Для этого достаточно соединить внутреннюю область трубки с погруженным в жидкий воздух сосудом, содержащим древесный уголь. Охлажденный уголь очень быстро вберет в себя почти весь атмосферный воздух, находящийся в трубке. Таким простым приемом удается получить высокую степень разрежения воздуха, измеряемую миллионными и даже десятимиллионными долями атмосферы. Описанным свойством древесного угля пользуются для создания совершенной теплоизоляции – пустоты – в сосудах, предназначенных для хранения и перевозки жидких газов. Такие сосуды делаются из металла и имеют две стенки. Во внутреннюю стенку сосуда вделывается металлическая трубка, в которую насыпается древесный уголь. При наполнении сосуда жидким воздухом уголь автоматически поддерживает разрежение, несмотря на то, что некоторое количество атмосферного воздуха может проникать через поры в металле. С течением времени поглотительная способность угля уменьшается, уголь как бы насыщается газом. Сосуды приходится перезаряжать новым углем. Однако прежние свойства древесного угля легко восстанавливаются: при нагревании до 100–200 градусов при пониженном давлении уголь теряет поглощенный газ. Таким образом, одну и ту же порцию угля можно применять много раз.
Сосуды, снабженные углем и предназначенные для хранения жидкого воздуха, вмещают от 5 до 25, а иногда и более литров (рис. 6).
Рис. 6. Такие сосуды вместимостью от 5 до 25 литров широко применяются для хранения и перевозки жидкого воздуха.
В течение часа из такого сосуда испаряется меньше двухсотой части содержащейся в нем жидкости.
Жидкий воздух применяется во многих областях техники, особенно там, где нужны очень низкие температуры.
В машиностроении нередко требуется прочно насадить одну деталь на другую, например стальной диск турбины на ее ось. Раньше, а кое-где и теперь, диск нагревали. При повышении температуры металл расширялся и отверстие в диске увеличивалось. Нагретый диск легко насаживался на ось и плотно охватывал ее при охлаждении. Однако нагревание громоздких колес турбины или других машин часто представляет собою довольно сложную и ответственную операцию. При неправильном нагреве легко можно вызвать искривление диска или ухудшение его механических свойств.
Гораздо проще произвести такую же насадку, используя жидкий воздух. Сравнительно тонкая ось турбины быстро охлаждается этой сверххолодной жидкостью и размер ее резко уменьшается. В таком виде ось легко вставляется во втулку колеса или диска. Проходит немного времени, температура металла повышается, диаметр оси увеличивается и диск накрепко соединяется с осью.
ОБ ИНТЕРЕСНЫХ, НО МАЛО ПОЛЕЗНЫХ ПРОЕКТАХ
Мы уже научились хранить жидкий воздух в специальных сосудах. Однако эти сосуды всегда открыты, и пары жидкости свободно улетучиваются в атмосферу. Тепло, приходящее из окружающего пространства, затрачивается на испарение жидкости. Таким образом, температура жидкого воздуха, до его полного испарения, остается примерно постоянной, около – 190 градусов.
Что же получится, если налить жидкий воздух в сосуд и закупорить его плотно завинчивающейся пробкой? Жидкость будет испаряться, и давление в сосуде возрастет. Одновременно в сосуде будет накапливаться запас теплоты, и температура жидкого воздуха начнет повышаться. Наконец, она достигает – 140 градусов ниже нуля. При такой температуре воздух уже не может находиться в жидком виде. Это – критическая температура воздуха, при которой вся жидкость превратится в газ. А когда температура сосуда сравняется с температурой наружного воздуха, давление в нем возрастет до 800 атмосфер! И это понятно. Плотность жидкого воздуха примерно в 800 раз больше плотности газообразного воздуха при обычной температуре. Таким образом, наш сосуд, если он до этого времени еще не разорвался на куски, превратится в опасный снаряд, в котором не осталось ни одной капли жидкого воздуха.
Несколько десятилетий назад были попытки применять жидкий воздух для зарядки металлических патронов. Патроны взрывались в тот момент, когда давление в них достигало определенной величины. Применялись они при горных разработках. Однако вследствие неудобств в обращении с такими патронами и сравнительно небольшой разрушительной силы они не получили распространения.
Огромные давления, возникающие при испарении жидкого воздуха в закрытом сосуде, привели изобретателей к мысли о создании специальных двигателей, работающих на жидком воздухе. Такие двигатели в свое время были построены. В 1900 году, например, на Парижской выставке демонстрировался экипаж, приводимый в движение жидким воздухом. Однако подобные экипажи не получили практического распространения. Причины этого установить нетрудно. Для того чтобы даже в течение короткого промежутка времени получить мощность в 1 лошадиную силу, надо испарить по крайней мере 5 килограммов воздуха. Ясно, что использование жидкого воздуха в качестве двигательной силы крайне невыгодно. Затраты энергии на его получение ни в какой мере не окупятся.
Интересен и другой проект, связанный с использованием жидкого воздуха. При низких температурах электрическое сопротивление чистых металлов сильно уменьшается. Это легко подтвердить на простом опыте.
Составим электрическую цепь (рис. 7) из аккумулятора, лампочки накаливания и катушки медной проволоки с таким сопротивлением, чтобы при замыкании цепи лампочка едва накалялась.
Рис. 7. Электрическое сопротивление проводника, охлажденного до температуры жидкого воздуха, резко понижается. Включенная в цепь лампочка вспыхивает ярким светом.
Если погрузить теперь катушку в жидкий воздух, сопротивление медной проволоки резко уменьшится, и лампочка вспыхнет ярким светом.
Это интересное явление в свое время тоже пытались использовать. Существовал проект, по которому медные электрические провода должны были заключаться в кожух, наполненный жидким воздухом. По мысли авторов этого проекта, экономия электроэнергии от уменьшения сопротивления проводов могла быть использована для получения жидкого воздуха и постоянного пополнения его потерь от испарения. Кроме того, уменьшение электрического сопротивления проводов позволило бы значительно сократить их сечение, что, в свою очередь, привело бы к экономии больших количеств меди.
Однако этот проект также относится к числу нереальных. Использование жидкого воздуха для охлаждения электрических проводов не только трудно осуществимо технически, но и весьма неэкономично. Для получения жидкого воздуха потребуется затратить значительно большее количество энергии по сравнению с тем, которое удастся сэкономить за счет уменьшения сопротивления проводов.
Можно назвать немало отраслей народного хозяйства, где жидкий воздух стал необходим. Широко используется он и в различных исследовательских лабораториях. Однако все это не главные потребители жидкого воздуха. Целая отрасль промышленности, занятая ожижением атмосферного воздуха, ставит перед собою другую задачу – получение кислорода. Для этого главным образом и работают многочисленные установки глубокого холода во всех странах мира.
