Эти два способа расширения сжатого газа — простое расширение и расширение с преодолением значительного внешнего сопротивления — и послужили основой современных промышленных способов ожижения газов, в том числе и воздуха.
ОБ ОДНОМ ПРОСТОМ, НО ВАЖНОМ АППАРАТЕ
Мы уже знаем, что при нормальном атмосферном давлении температура жидкого воздуха исключительно низка. Если попытаться достигнуть такой температуры обычным расширением воздуха, то придется предварительно сжимать его до колоссальных давлений. Это вызовет огромные затраты и вряд ли сможет быть выполнено по техническим причинам.
Но есть довольно простой аппарат, в котором можно сильно охладить газ, не прибегая к большому сжатию. Этот аппарат — теплообменник — необходимая часть любой современной машины, предназначенной для получения глубокого холода.
Простейший теплообменник состоит из двух металлических трубок, вставленных одна в другую (рис. 2).
Рис. 2. Так устроен теплообменник — простейший аппарат для охлаждения газов.
По внутренней трубке сжатый воздух идет к особому крану, называемому расширительным вентилем. Выходя из вентиля в камеру, воздух расширяется. При этом его давление падает до атмосферного, а температура понижается на несколько градусов. Затем охлажденный воздух покидает расширительную камеру. Направляясь к выходу из аппарата по наружной трубке теплообменника, он омывает внутреннюю трубку со следующей порцией сжатого воздуха и отдает ему часть своего холода. К моменту расширения новые порции сжатого воздуха, поступающего по внутренней трубке теплообменника, будут уже более холодными, а в камере их температура станет еще ниже.
С каждой минутой работы теплообменника температура расширяющегося воздуха становится все более и более низкой. Наконец, наступает момент, когда часть расширяющегося воздуха превращается в жидкость. Жидкий воздух собирается в нижней части расширительной камеры и может быть слит оттуда через специальный кран. Таким образом, теплообменник, исключительный по своей простоте аппарат, позволяет постепенно, как бы автоматически, понижать температуру расширяющегося воздуха до нужного предела, когда наступает момент превращения его в жидкость.
Практически теплообменник устроен более сложно. Вместо одной трубки внутри теплообменника обычно находится целая система длинных и тонких трубок, изготовленных из меди — металла, хорошо проводящего тепло. Иногда, для увеличения охлаждающей поверхности теплообменника, внутреннюю трубку делают в виде спирали.
Теплообменник, как и все аппараты, работающие при низких температурах, тщательно покрывается снаружи толстым слоем материала, плохо проводящего тепло: шлаковой ваты, углекислой магнезии и других. Этот слой надежно предохраняет теплообменник от излишних потерь холода в окружающее пространство.
Каким же образом сжимается воздух, поступающий в теплообменник? В установке глубокого холода есть особая машина — компрессор, в котором воздух можно сжать до давления, в 200 раз превышающего атмосферное. Чаще всего ставят многоступенчатый поршневой компрессор. Он состоит из 5 или б цилиндров с поршнями. Воздух, проходя по особым трубам от одного цилиндра к другому, постепенна, ступенями, сжимается. В первом цилиндре давление воздуха повышается до 6–7 атмосфер, во втором — оно увеличивается до 20 атмосфер, и т. д. Наконец, в последнем цилиндре достигается сжатие до 200–250 атмосфер.
При сжатии воздух, конечно, нагревается, поэтому по выходе из каждого цилиндра он охлаждается в специальных холодильниках.
ОЧИСТКА ВОЗДУХА
О атмосферном воздухе всегда есть всякого рода нежелательные примеси — песок, дым, пыль и т. д. Попадая в компрессор, эти примеси могут вызвать преждевременный износ его трущихся частей. Поэтому на всасывающей трубе компрессора устанавливаются специальные фильтры, улавливающие эти твердые частицы.
Однако в воздухе есть еще и другие вредные примеси, от которых нельзя освободиться фильтрованием. Это — углекислота и водяные пары.
В каждом кубическом метре атмосферного воздуха содержится не менее 0,7 грамма углекислоты, которая уже при температуре около минус 80 градусов затвердевает.
Через современные установки глубокого холода проходят огромные количества воздуха, измеряемые сотнями и даже тысячами кубических метров в час. Ничтожные количества углекислоты, содержащиеся в воздухе, могут оказаться серьезной опасностью для холодильных аппаратов. Ведь через холодильные аппараты пройдут десятки килограммов этого газа в течение нескольких часов. Превращенная при низких температурах в твердые куски льда, углекислота в короткое время может плотно закупорить трубопроводы и вывести установку из строя. Тогда придется прекратить получение жидкого воздуха, отогревать установку и продувать все ее трубопроводы.