Прочие способы сжижения газов. Жидкий воздух

Содержание

  1. 1. Каскадный способ
  2. 2. Детандеры
  3. 3. Жидкий воздух
  4. 4. Тест по теме «Методы сжижения газов»

Помимо рассмотренной ранее схемы Линде, основанной на эффекте Джоуля-Томсона, существуют и некоторые другие методы сжижения газов.

Каскадный способ

Для сжижения водорода и гелия английский ученый Дж. Дьюар (1842-1923) и голландский физик X. Камерлинг-Оннес (1853-1926) использовали т.н. каскадный способ, то есть последовательное охлаждение с применением сжиженных газов, которые кипят при значительно более низкой температуре.

Например, в опытах Дж. Дьюара водород для сжижения из баллона А под давлением 20 МПа проходил через ряд змеевиков, погруженных в жидкие газы в сосудах В, С, D. В первом сосуде кипел диоксид углерода при 193 К, во втором – жидкий воздух при 83 к, в третьем – при пониженном давлении происходило интенсивнее кипение жидкого воздуха, вследствие чего его температура снижалась до 68 К.

каскад.png

В последних двух каскадах, кроме внешнего охлаждения, водород дополнительно охлаждался благодаря расширению и положительному эффекту Джоуля-Томсона; поэтому под конец он сжижается.

В процессе кипения жидкого водорода при пониженном давлении Дж. Дьюар зафиксировал температуру 14 К. Позже X. Камерлинг-Оннес использовал эту температуру в каскаде для сжижения гелия. В процессе кипения жидкого гелия при пониженном давлении (~ 2 Па) X. Камерлинг-Оннес зафиксировал температуру 0,9 К.

В 1926 г. голландский физик В. X. Кеезом (1876-1956) добыл твердый гелий. Итак, было доказано, что все газы можно перевести в жидкое и твердое состояния.

Детандеры

Газы сжижают также охлаждением их в процессе адиабатического расширения и выполнения внешней работы. Машины, действие которых основано на использовании этого способа, называются детандеры. Первые детандеры в виде поршневых машин были малоэффективными.

В 1939 г. российский физик П. Л. Капица (1894-1984) построил очень эффективную машину – турбодетандер для сжижения воздуха.

В ней воздух под давлением 600 кПа подводится к турбине, приводит ее в движение, выполняет внешнюю работу и при этом настолько охлаждается, что часть его сжижается.

Идея построения турбодетандера не была новой, но осуществить ее никому не удавалось. Академик П. Л. Капица доказал, что с воздухом при значительной плотности и малой скорости потока надо вести себя как с веществом, промежуточным между жидкостью и газом. Турбодетандер Капицы имеет сравнительно малые размеры и представляет собой нечто среднее между водяными и паровыми турбинами. Например, в турбодетандере с пропускной способностью 500 … 600 м3 воздуха за 1 ч диаметр ротора составляет 8 см, его масса – 250 г. Ротор делает 40 000 об/мин. Машина дает 30 кг жидкого воздуха за 1 ч, ее коэффициент полезного действия достигает 80%.

Жидкий воздух

Жидкий воздух прозрачен, имеет голубоватый оттенок. При комнатных условиях он интенсивно кипит, поэтому сохраняют его в открытых сосудах Дьюара. Это сосуды с узкими горлышками и двойными стенками, между которыми создают очень высокий вакуум.

дьюаровский сосуд.png

Воздух сжижают, чтобы разделить его на составляющие: из него сначала испаряют неон и азот, а затем кислород и аргон.

Эти газы имеют важное значение. Азот используют для получения синтетического аммиака; инертные газы – для наполнения газосветных ламп и т. п. Кислород в смеси с ацетиленом или водородом широко применяется для автогенной сварки и резки металлов; в металлургии кислород используют для доменного дутья; жидкий кислород в смеси с угольным порошком или хлопком применяют как взрывчатое вещество в горном деле.

Вам нужно срочно заказать статью по физике для публикации? Обратитесь за помощью к нашим экспертам!

Тест по теме «Методы сжижения газов»

Комментарии

Нет комментариев
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Прямой эфир