§ 114. Сжижение газов методом адиабатного расширения в детандерах (метод Клода)
Применение детандеров, в которых газ охлаждается при адиабатном расширении с совершением внешней работы, повышает, как мы уже видели, эффективность ожижительных машин. В машинах для сжижения гелия использование расширения в детандерах позволяет, кроме того, отказаться от предварительного охлаждения газа жидким водородом — веществом, легко воспламеняющимся и взрывоопасным. Обе эти причины привели к широкому использованию детандерных машин.
Рис. 142.
Впервые такая машина была построена Клодом (1902 г.) для сжижения воздуха. Схема машины представлена на рис. 142.
Газ подвергается изотермическому сжатию в, компрессоре К, откуда он поступает в теплообменник 
Здесь он разделяется на два потока (в точке О). Первый идет через теплообменник 
к дроссельному вентилю и подвергается дросселированию с охлаждением за счет эффекта Джоуля — Томсона; второй поток (на его долю приходится 80% газа) поступает в детандер, расширяется в нем, совершая работу, и за этот счет охлаждается.
Из детандера охлажденный газ возвращается в теплообменник 
охлаждая встречную очередную порцию сжатого газа. К нему в точке О присоединяется и тот газ, который охладился в результате дросселирования. До этого он, проходя через теплообменник 
тоже охлаждал встречный газовый поток.
Из приведенного краткого описания видно, что охлаждение в детандере используется для предварительного охлаждения леред дросселированием.
В первой машине Клода детандер представлял собой поршневую машину. Работу, которую в ней совершает сжатый газ, можно использовать для облегчения работы компрессора, для, принудительной смазки машины и т. д.
Условия, характерные для машины Клода (ожижающей воздух), примерно таковы: давление на выходе из компрессора 40 атм, температура на входе в детандер (т. е. после охлаждения в теплообменнике 
температура после расширения в детандере 110 К при давлении в 1 атм.
Существует много различных по конструкции машин типа Клода для сжижения воздуха. Одной из самых интересных является машина П. Л, Капицы, в которой поршневой детандер заменен турбиной (турбодетандер). Другой особенностью этой машины является низкое давление, под которым газ поступает в детандер. Оно равно лишь 6,5 атм. Зато в этой машине почти весь газ (а не 80%, как в машине Клода) проходит через детандер. В результате расширения в турбодетандере газ охлаждается до 86 К и сжижает ту часть газа, которая миновала детандер. Получившаяся жидкость находится под повышенным давлением и дросселируется через соответствующий вентиль к более низкому давлению.
Расширение в детандерах (исключительно поршневых) используется также в машинах для сжижения водорода и гелия. Первая детандерная машина для сжижения гелия также была построена П. Л. Капицей (1934 г.). Она была рассчитана на предварительное охлаждение гелия не жидким водородом, а жидким азотом. Недостающее охлаждение создавалось расширением в детандере. Самое ожижение газа производилось дросселированием.
При использовании детандеров в Гелиевых ожижительных машинах возникает острая проблема смазки, так как при тех низких температурах, которые создаются в таких машинах, все смазочные средства твердеют. В детандере П. Л. Капицы смазкой служит сам гелий, для которого между поршнем и цилиндром оставлялся зазор около 0,05 мм. Впоследствии Коллинз (1947 г.) построил детандерную машину для сжижения гелия, усовершенствовав детандер П. Л. Капицы (зазор в детацдере Коллинза не превышает 10 микрон). Машина Коллднза снабжена двухступенчатым
детандером и может работать без предварительного охлаждения гелия. Производительность машины сравнительно велика — до 10 литров в час, а с предварительным охлаждением жидким азотом — до 30 литров в час.
