§ 304. Сжижение газов в технике

Когда было выяснено, что для сжижения газов нужно охлаждение их ниже критической температуры, усилия исследователей были направлены на разработку способов получения низких температур. Эти усилия увенчались успехом, и в настоящее время имеется ряд машин для получения всех без исключения газов в жидком виде. Эти машины, в особенности машины для сжижения воздуха, получили широкое распространение в технике.

Сжижение воздуха используется в технике для разделения его на составные части. Разделение достигается при испарении жидкого воздуха. При этом сначала испаряются составные части воздуха, имеющие более низкую температуру кипения: неон, азот, а затем аргон, кислород. Дело происходит совершенно так же, как, например, при отделении более легко кипящего спирта от воды путем перегонки. Полученные газы находят себе широкое применение: а) азот идет для получения аммиака; б) аргон, неон и другие инертные газы употребляются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп; в) кислород служит для многих целей: смешивая его с ацетиленом (или с водородом) и сжигая эту смесь, получают пламя, имеющее высокую температуру и употребляющееся для сварки и резки металлов (рис. 499). Большое значение приобрело кислородное дутье для ускорения металлургических процессов; кислород используют также и для медицинских целей.

Рис. 499. Автогенная сварка металлов. К горелке 1 поступают из баллонов по двум трубкам кислород и ацетилен; проволока 2 плавится в кислородно-ацетиленовом пламени и заливает свариваемый шов

Кроме того, жидкий кислород употребляется во взрывной технике. Смесь жидкого кислорода с опилками, сажей, нафталином и другими легко окисляемыми веществами представляет собой взрывчатое вещество громадной силы (оксиликвит). Взрыв происходит потому, что в присутствии кислорода, находящегося в жидком состоянии и, следовательно, занимающего малый объем, сгорание этих веществ протекает очень быстро. При сгорании происходит сильное нагревание, продукты реакции получаются газообразные (углекислота), происходит мгновенное и очень сильное расширение — взрыв. Это взрывчатое вещество имеет то преимущество, что по испарении кислорода оно перестает быть опасным.

Машины для получения жидкого воздуха бывают различных типов. Мы опишем здесь схему машины, действие которой основано на охлаждении сильно сжатого воздуха при его расширении (§ 225). Воздух поступает в компрессор 1 (рис. 500); здесь его сжимают до давления в несколько десятков атмосфер. При этом он нагревается. Из компрессора 1 воздух поступает в теплообменник 2, где он охлаждается проточной водой до первоначальной температуры и затем идет в детандер 3 (расширитель). Детандер представляет собой цилиндр с поршнем. В детандере воздух расширяется. При этом он выталкивает поршень и совершает работу. Внутренняя энергия воздуха расходуется на эту работу, и температура его падает настолько сильно, что он конденсируется в жидкость; сжиженный воздух собирается в сосуде 4.

Рис. 500. Схема машины для получения жидкого воздуха

Иногда детандеры осуществляются не в виде цилиндра с поршнем, а в виде турбины (турбодетандер П. Л. Капицы), в которой происходит расширение газа, производящего работу вращения турбины. Весьма важно, что ротор (вращающаяся часть турбины) во время работы машины «висит» в потоке расширяющегося газа, не касаясь стенок турбины. Вследствие этого отпадает необходимость смазки, что очень существенно, так как подбор смазки для частей машин, работающих при столь низких температурах, крайне затруднителен. Обычные смазки при низких температурах затвердевают. Кроме того, достоинством машин для сжижения газов, сконструированных П. Л. Капицей, является их высокая производительность при относительно малых размерах.

Температура кипения жидкого воздуха очень низка. При атмосферном давлении она равна . Поэтому жидкий воздух в открытом сосуде, когда давление его паров равняется атмосферному, кипит, пока температура его не понизится ниже . Так как окружающие тела значительно теплее, то приток теплоты к жидкому воздуху, если бы он хранился в обычных сосудах, был бы настолько значителен, что за очень короткий срок весь жидкий воздух испарился бы. Поэтому его сохраняют в специальных сосудах, создающих хорошую защиту от доступа теплоты извне. Это — сосуды того же типа, что и обычные термосы. Они представляют собой стеклянные или металлические сосуды с двойными стенками (рис. 501), из пространства между которыми воздух тщательно удален. Переход теплоты через такое пространство с очень разреженным газом крайне затруднен. С целью предохранения от нагревания лучами внутренние стенки полости делаются блестящими (посеребренными). Такие сосуды для хранения жидкого воздуха были предложены Дьюаром. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух испаряется настолько медленно, что его можно сохранять два, три дня и больше.

Рис. 501. Разрез сосуда Дьюара. Снизу виден конец трубки, через которую при изготовлении сосуда откачивался воздух из пространства между стенками и которая по окончании откачки отпаяна

Для того чтобы, несмотря на непрерывный, хотя и медленный приток теплоты, сжиженный газ не нагревался, он должен оставаться в открытом сосуде, чтобы иметь возможность постепенно испаряться. Вследствие затраты теплоты на испарение сжиженный газ остается все время холодным. Если закупорить сосуд Дьюара, т. е. воспрепятствовать испарению, то сжиженный газ нагреется и давление его паров возрастет настолько, что разорвет сосуд. Если бы сосуд был весьма прочным, например стальной баллон, вроде изображенного на рис. 375, то сжиженный газ нагрелся бы постепенно до температуры выше критической и перешел бы в газообразное состояние. Таким образом, единственный способ длительного сохранения сжиженного газа — это применение открытых сосудов Дьюара.