§ 113. Сжижение газов с использованием эффекта Джоуля — Томсона (метод Линде)

В исторически первой машине для сжижения газов (воздуха) в технических масштабах (Линде и Гэмпсон, 1895 г.) для охлаждения газов ниже критической температуры и последующего сжижения использовался метод дросселирования. В настоящее время для этой цели применяются главным образом машины с расширением в детандерах. Но мы все же приведем здесь схему машины Линде, поскольку в ней наряду с использованием эффекта Джоуля-Томсона был применен важный конструктивный принцип противоточного теплообмена, в той или иной форме и теперь, применяемый во всех ожижительных машинах.

Схема машины Линде представлена на рис. 139.

Воздух поступает в компрессор К, в котором он сжимается до 200 атм. После этого онпроходит через змеевик, охлаждаемый проточной водой, где он отдает тепло, выделившееся при сжатии. Таким образом, в дальнейший путь к сжижению идет сжатый газ с температурой такой же, как и до сжатия. Этот газ проходит затем через змеевик к дроссельному вентилю (крану) и расширяется через него в приемник до давления в 1 атм. При этом расширении газ несколько охлаждается, но, конечно, не настолько, чтобы превратиться в жидкость.

Охлажденный, но не сжижившийся газ возвращается затем обратно через змеевик Оба змеевика, расположены друг относительно друга так, что между ними, а также между порциями газа, проходящими по ним, существует тепловой контакт. Благодаря этому испытавший расширение и охлаждение газ охлаждает идущую ему навстречу порцию сжатого газа, которой еще предстоит расшириться через вентиль . В этом и заключается метод противоточного обмена теплом. Ясно, что вторая порция

газа подойдет к расширительному вентилю имея более низкую температуру, чем первая, а после дросселирования она еще более понизится. Проходя в свою очередь через теплообменник, этот уже дважды охлажденный газ снова поглотит тепло от новой встречной порции сжатого газа, и т. д. Таким образом к вентилю будет подходить все более холодный газ. Через некоторое время после начала работы машины постепенное охлаждение газа холодными встречными потоками приведет к тому, что газ при очередном дросселировании начнет частично сжижаться и накапливаться в приемнике откуда он может быть слит через кран в сосуд Дьюара.

При установившемся процессе работы машины в разных ее местах наблюдаются приблизительно такие температуры: у входа в змеевик температура 293 К (комнатная); на выходе из этого змеевика 170 К; после дросселирования 80 К, у входа в змеевик (в точке с) на выходе из него комнатная температура. Давление перед вентилем 200 атм, после дросселирования 1 атм.

Рис. 139.

Устройство, включающее оба змеевика в котором происходит охлаждение газа встречным потоком охлажденного газа, называется теплообменником. В машине Линде теплообменник осуществляется в виде вставленных одна в другую трубок, которым вместе придавалась форма змеевика. Газ высокого давления поступает по внутренней трубке (рис. 140). Встречный поток охлажденного газа низкого давления проходит по внешней трубке, омывая внутреннюю и охлаждая, таким образом, газ в ней.

Описанный принцип противотока применяется во всех холодйльных машинах, хотя конструкции теплообменников подверглись значительным изменениям. В современных установках они обеспечивают лучший теплообмен и, кроме того, делают возможной очистку сжижаемого газа от примесей.

На наших схемах мы будем изображать теплообменники расположенными урядом змеевиками, причем жирными линиями показываются трубки, по которым проходит газ под высоким давлением, тонкими - трубки, в которых проходит газ низкого давления.

Как мы уже упоминали, в настоящее время машины типа Линде для сжижения воздуха применяются редко. Однако для сжижения водорода и гелия машины этого типа, действие которых основано

на использовании эффекта Джоуля-Томсона, применяются и до сих пор. В качестве примера мы приведем здесь схему одной из машин для сжижения гелия.

Так как температура инверсии эффекта Джоуля-Гомсона для гелия очень низкая (около 50 К), то он должен быть предварительно охлажден до температуры ниже В описываемой машине гелий охлаждается жидким водородом до температуры 14,5 К. Работу машины иллюстрирует схема, представленная на рис. 141,.

Рис. 140.

Рис. 141.

Гелий, сжатый компрессором до давления 30 атм, поступает в машину двумя потоками по двум трубам, соединяющимся вместе в точке О. Обе эти трубы являются частями двух теплообменников — I и II. В теплообменнике I гелий охлаждается встречным потоком газообразного гелия, испаряющегося из приемняка и прошедшего уже через теплообменник IV. В теплообменнике II вторая часть сжатого газа охлаждается встречным потоком газообразного водорода, испаряющегося из ванны с жидким водородом

Соединившись в точке О, оба потока вместе поступают в змеевик III, проходящий через жидко во дородную ванну и принимают ее температуру (14,5 К). Пройдя через эту ванну, гелий попадает в теплообменник IV, где он дополнительно охлаждается испаряющимся из приемника гелием до температуры 5,8 К. При

такой температуре гелии подвергается дросселированию через вентиль V и сжижается.

Весь аппарат помещается в вакуумный чехол, обеспечивающий надежную тепловую изоляцию.

Приведенные выше цифры для температур в разных частях установки относятся, конечно, к установившемуся режиму работы. Во время разгона машины температура гелия перед дросселированием выше, чем 5,8 К (но, конечно, не выше 14,5 К), так как в это время в приемнике еще нет жидкого гелия. Машина обладает производительностью около 10 литров жидкого гелия в час, что является сравнительно высокой цифрой.