ОГНЕННЫЙ ВОЗДУХ

От высокого давления — к низкому

Ироко распространённые 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 металлургрв 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 надёжными в работе.

Появление турбинных машин заставило учёных 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 расчёты 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, охлаждённый до низкой темпе­ратуры, становится настолько плотным, что по некоторым своим физическим свойствам скорее похож на жидкость, чем на пар. Всё это привело к мысли обращаться с возду­хом, охлаждённым до низкой температуры, не как с га­зом, а как с жидкостью. Таким образом, и турбодетан­дер, сконструированный П. JI. Капицей, был построен по образцу водяной турбины, а не по образцу паровой.

Первая опытная проверка холодильных механизмов турбинного типа дала обнадёживающие результаты. Кро­хотная турбинка, построенная в 1938 году в Институт^ 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?