Широко распространенные 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 металлургов 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 надежными в работе.

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

Первая опытная проверка холодильных механизмов турбинного типа дала обнадеживающие результаты. Крохотная турбинка, построенная в 1938 году в Институте 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?

Схема установки глубокого холода, работающей с использованием воздуха низкого давления, изображена на рисунке 4.

^{Рис. 4. Схема установки глубокого холода, работающей с использованием воздуха низкого давления.}

Турбокомпрессор, приводимый в действие электрическим мотором, засасывает атмосферный воздух и сжимает его до давления в 5–6 атмосфер. Поток сжатого воздуха направляется в теплообменник, в котором он охлаждается до — 155–160 градусов за счет холодного воздуха, уходящего из установки.

Пройдя теплообменник, поток воздуха расходится по двум руслам. Основная часть сжатого воздуха поступает в расширительную турбину — турбодетандер, где воздух расширяется и совершает работу — приводит в движение динамомашину или вращает турбокомпрессор. При этом воздух еще больше охлаждается и, покидая турбодетандер при температуре в 185–187 градусов ниже нуля, направляется в конденсатор.

Второй поток холодного воздуха из теплообменника поступает прямо в конденсатор, проходя при этом между трубок, через которые движется более холодный воздух из турбодетандера. Расширяясь и охлаждаясь в междутрубном пространстве конденсатора, некоторая часть сжатого воздуха превращается в жидкость и сливается через кран в резервуар жидкого воздуха. Основное же количество воздуха, не превращенное в жидкое состояние, направляется из конденсатора в теплообменник, где отдает свой холод новым порциям сжатого воздуха, идущим из турбокомпрессора в детандер и конденсатор.

Холодильные установки низкого давления компактны. Замена поршневых компрессоров турбокомпрессорами позволяет в несколько раз увеличить количество перерабатываемого воздуха и этим значительно увеличить производительность установок. Но отдельные части установок низкого давления еще недостаточно совершенны, поэтому расход электроэнергии при получении жидкого воздуха на таких установках пока еще несколько выше, чем на машинах старой системы. Однако нужно надеяться, что дальнейшее совершенствование установок глубокого холода, работающих на низком давлении, позволит получать жидкий воздух в больших количествах при таких же и даже еще меньших затратах энергии, как и на установках высокого давления.

Итак, мы теперь знаем, как получается жидкий воздух.

Откроем сливной кран работающей установки глубокого холода, поставив под него какой-нибудь сосуд. Шипящая, окруженная густым белым паром струя устремится в сосуд и он наполнится почти прозрачной, светло-голубой жидкостью, похожей на воду.

Иногда жидкий воздух бывает мутным и напоминает молоко. Это значит, что осушка и очистка воздуха от углекислоты были недостаточно тщательными. Присутствие мельчайших кристаллов замороженной воды или углекислоты и приводит к помутнению жидкого воздуха. Однако его очень легко освободить от мути. Для этого достаточно пропустить жидкий воздух сквозь обычную фильтровальную бумагу.

При нормальном атмосферном давлении жидкий воздух, как уже говорилось, имеет температуру на 192 градуса ниже нуля. Естественно, что налитый в обычный металлический или стеклянный сосуд жидкий воздух быстро испаряется. Если бы можно было, не боясь обморожения, опустить руку в жидкий воздух, а потом дотронуться до куска льда, то последний показался бы нам невероятно горячим! Жидкий воздух, налитый в медную и предварительно охлажденную кастрюлю, бурно кипит, даже если кастрюлю поставить на лед.

Густые белые пары постоянно сопутствуют опытам с жидким воздухом. Однако не следует думать, что это пары улетучивающегося жидкого воздуха. На самом деле мы наблюдаем своеобразный туман, образовавшийся благодаря быстрой конденсации влаги и углекислоты, содержащихся в окружающей атмосфере.

Как же замедлить испарение жидкого воздуха? Очевидно, нужно тщательно отделить сосуд, содержащий эту необычную жидкость, от окружающего воздуха. Так, если окружить банку с жидким воздухом слоем шлаковой ваты или войлока, то его испарение замедлится. Но долго сохранить жидкий воздух в таком сосуде нельзя. Шерсть, вата, хотя и плохо, но все-таки проводят тепло.

Самым совершенным теплоизолятором является… пустота. Еще 60 лет назад для сохранения сжиженных газов начали изготовлять специальные сосуды с двойными стенками (рис. 5).