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.
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.
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!
Комментарии