Конечно, вы понимаете, что в холодильных установках встречаются и дроссели, и детандеры, и турбодетандеры. У всякого есть свои преимущества и недостатки. Часто даже в одной и той же машине дружно работают детандер и дроссельная установка. Они весьма мирно уживаются, даже помогают друг другу.
Самые распространенные холодильные машины поставляют жидкий воздух. Потом уже из него готовят отдельно кислород, азот и другие «жидкости». Правда, странно называть жидкостью вещества, которые мы привыкли «видеть» газами. Но мы сейчас уже на подступах к абсолютному нулю. Поэтому надо привыкать к новому миру.
Минус сто девяносто один градус по Цельсию — 82 градуса Кельвина. Вот где мы сейчас находимся. Это температура жидкого воздуха.
Первая машина жидкого воздуха появилась около семидесяти лет назад. Сделал ее немецкий ученый Карл Линде.
Воздух капает из крана
1891 год. В стране сверххолода большой праздник. Из крана небольшой установки, носящей имя конструктора инженера Линде, падают первые капли новой жидкости— капли жидкого воздуха.
Немецкий инженер в первой машине жидкого воздуха воспользовался эффектом Джоуля — Томсона.
Кажется, что проще всего было создать детандер, где газ совершает внешнюю работу. Ведь двигатели внутреннего сгорания тогда уже работали вовсю. Но детандер появился позже.
Мы помним недостатки дросселирования. Надо сильно сжимать газ и хорошо охлаждать предварительно. Иначе ничего не выйдет.
Поэтому никто не удивится, если мы скажем, что самой важной частью машины Линде был теплообменник.
Линде заставил воздух проходить по установке несколько раз. Каждый раз порция газа становилась все холоднее и холоднее и охлаждала следующую. Так машина готовила воздух для ответственного шага. В дроссель подходил воздух, вполне подготовленный к дальнейшему. Еще одна ступень, еще раз понизилась температура. И вот победа. Первые капли первого жидкого воздуха.
Теплообменники до сих пор — самая хитрая часть конструкции любой холодильной машины. Машин множество. Конструкторы смело мешают детандеры и дроссели, заставляют газ путешествовать но замысловатым путям. Но неизменно стоит на этом пути теплообменник.
Итак, в руках ученых появилась новая сверххолодная жидкость — воздух.
Обычный газообразный воздух каждому знаком с первой минуты рождения. Правда, мы как будто не замечаем его. Просто привыкли. А вот воздух жидкий — новое незнакомое для нас вещество. Поэтому давайте познакомимся поближе с ним и его привычками.
Вот он, там, в глубине этого блестящего сосуда. Сосуд Дьюара или, попросту, дьюар. Джеймс Дьюар — английский ученый. Он когда-то первым получил жидкий водород. Но об этом давно забыли. И так же забыто было бы имя Дьюара, если бы не изобрел он помещение — ловушку для жидких газов. Там два цилиндрических сосуда. Один вставлен в другой. А между ними безвоздушное пространство — вакуум. Или специальные прокладки, через которые не сможет пробраться тепло.
Дьюар блестит, потому что его наружная стенка посеребренная. Помните, мы говорили, что один из способов передачи тепла — лучеиспускание. Так, например, Солнце издалека обогревает Землю. Блестящая поверхность дьюара хорошо отражает попавшие на нее световые и тепловые лучи. Поэтому дьюар не будет нагреваться снаружи.
Дьюар находится в открытом ящике, заполненном ватой и сухим льдом. Это еще одна теплоизоляция, еще один слой отделяет жидкий воздух от теплой комнаты. Окружен дьюар сухим льдом с температурой —78°. Все-таки не +20°! Это уже лучше.
Из дьюара вьется легкий дымок. Никакой крышки у сосуда нет. Она не нужна и даже опасна. Испаряющийся воздух может сорвать любую крышку. В виде жидкости много места он не занимает. А станет газом — потребует «жилплощади». И может наделать бед.
Помните, что случилось с мистером Бэйли из романа А. Беляева «Продавец воздуха»? Он проглотил несколько бисеринок твердого воздуха. И гнусного негодяя немедленно раздуло так, что он лопнул с треском. Воздух снова стал газом, и — исчез мистер Бэйли!
Поэтому сосуды для хранения жидких газов и их перевозки делают обязательно такими, чтобы газ мог при случае спокойно испаряться, покидая свое хранилище. Но больших потерь при этом не происходит.
Итак, мы заглянули внутрь сосуда, в котором дымит жидкий воздух. Минус 190 градусов! Даже с лишком. Внушительная температура!
Испытываешь желание сунуть в жидкий воздух палец. Но этого делать не следует. Вот плеснуть на руку его можно. Чуть обожжет руку — и нет жидкого воздуха. Весь испарился. Только легкий пар поднялся. Можно вылить немного жидкого воздуха, скажем, на блюдце. Он быстро-быстро испаряется.
Ртуть жидкая. Это знают все — если разобьешь термометр, потом долго приходится собирать быструю, юркую жидкость. Но стоит только опустить ртуть в жидкий воздух, как она моментально замерзает.
Обычно на популярных лекциях из ртути изготовляют молоточек, и лектор торжественно забивает им гвоздь.
Но вот в жидкий воздух попала резинка. Самая обыкновенная резинка, которую мы называем ластиком. И погиб ластик. Резина, побывав в жидком воздухе, перестает быть эластичной, она крошится, ломается. Особые структурные связи между молекулами нарушились, пропали. Резина перестала быть резиной. И при нормальной температуре осталась такой же хрупкой, ломкой. Даже самая крепкая сталь, встретившись с жидким воздухом, становится такой же хрупкой, как графит наших карандашей.
Одним словом, с материалом творятся истинные чудеса.
Жидкий воздух добывают сейчас в больших количествах в основном для того, чтобы разделить газы воздуха, чтобы получить отдельно кислород и азот.
С первого взгляда это кажется очень странным. Посудите сами: чтобы разделить два основных газа, смесь которых и называется воздухом, их сначала надо сложным образом охладить, чтобы сделались они жидкими, отделить один от другого, а потом уже использовать, чаще всего снова в виде газа.
Но, оказывается, разделять газы дешевле именно таким, на первый взгляд достаточно сложным, способом.
Кислород — газ жизни
Кислород — газ жизни, газ живой природы. Это знают все. Любой лектор, рассказывая о жизни на других планетах, начинает с кислорода. Действительно, без кислорода человек существовать не может. Альпинисты, уходя в горы, берут с собой кислородные аппараты. Кислородом дышит летчик в высотном полете. Больные используют кислородные подушки. После операций сердца больных держат но нескольку дней в особых кислородных палатках. Правда, если употреблять очень много кислорода, то может наступить и опьянение. Помните, как в романе Жюля Верна «Вокруг Луны» веселились опьяневшие Николь Барбикен и Ардан. Они забыли закрыть кран кислородного аппарата. И стали очень веселыми, пели, кричали, шумели.
Однако кислород нужен не только живым существам. Без кислорода в технике сейчас буквально и шагу ступить нельзя.
Прежде всего кислород очень нужен в металлургии. Металлургия занимается выплавкой металлов. Черная металлургия интересуется чугуном и сталью. Это и есть «черные» металлы.
Получают чугун в доменных печах. Закладывают туда железную руду, поджигают топливо. От тепла руда плавится, и появляется чугун. Его разливают в специальные отливки. Так получаются различные чугунные изделия. Зачем здесь нужен кислород? А вот зачем. Чтобы топливо лучше, полнее сгорало, в него вдувают струю кислорода. Это очень хорошо действует. Для плавки в этом случае требуется меньше топлива, значит, и чугун обходится дешевле.