г. Изэнтропические холодильные процессы (процесс Ж. Клода).

Теперь мы можем глубже рассмотреть метод охлаждения, упомянутый в § 5: адиабатическое охлаждение газа в результате совершения внешней работы. Этот принцип используется в процессе ожижения газа по Клоду. Фиг. 21а и 21б иллюстрируют этот процесс; на

(кликните для просмотра скана)

первой представлена схема установки, на второй — -диаграмма процесса.

Воздух при комнатной температуре (300° К) и атмосферном давлении засасывается компрессором через трубку 1 и изотермически сжимается до давления 40 атм (линия 1—2 на фиг. 21 б). Затем воздух поступает через трубку 2 в теплообменник в котором он охлаждается примерно до 200° К. Охлаждение осуществляется за счет противотока холодного воздуха, поступающего в тот же теплообменник через трубку 5. (Происхождение этого встречного потока холодного воздуха выяснится из дальнейшего рассмотрения работы всей установки.) На -диаграмме состояние воздуха, охлажденного в теплообменнике, изобразится точкой 3. После теплообменника часть охлажденного воздуха из тройника 3 по трубке 3 поступает в расширительную машину (детандер), в которой он совершает внешнюю работу, что вызывает дальнейшее охлаждение. Заметим, что эта работа может быть использована на частичное возмещение расхода работы, затраченной на приведение в действие компрессора установки.

В детандере энтропия воздуха осталась бы неизменной, если бы процесс расширения воздуха в нем совершался адиабатически и квазистатически. В последнем случае расширение газа в детандере изобрази бы вертикальной пунктирной линией 3—3 и после детандера воздух (находящийся опять под давлением, близким к атмосферному) перешел бы область двухфазных состояний. Эта область ограничена на -диаграмме мелким пунктиром. При этом около 12% воздуха ожижилось бы. Однако фактически процесс расширения воздуха в детандере является не вполне изэнтропическим, и мы приходим к состоянию 4 на -диаграмме. Точка 4 лежит в однофазной области. Конечно, можно было бы так изменить исходное состояние чтобы действительно ожижать воздух в детандере, но технически неудобно иметь дело с жидким воздухом в цилиндре детандера. Поэтому удобнее, не доводя воздух до ожижения, использовать его после детандера лишь для охлаждения теплообменников в которые он поступает по трубке через тройник 4.

Воздух, не попавший в детандер после прохождения идет через теплообменники и дроссель Уже после теплообменника его температура падает примерно до При дросселировании воздух охлаждается вследствие эффекта Джоуля-Томсона, причем 60% его конденсируется (точка 8 на фиг. 216).

На -диаграмме изменения состояния этой порции воздуха изобразятся линиями, проходящими через точки 5, 7, 8. Энтропия воздуха в двухфазной изотермической системе в сборнике жидкого воздуха 9 описывается на -диаграмме линией 8—9 или в зависимости от соотношения количеств обеих фаз.

Испаряющийся жидкий воздух 10, проходя через теплообменник охлаждает следующие порции воздуха, поступающие на дроссель . В тройнике 4 испаренный воздух 10 сливается в общий поток с холодным воздухом, вышедшим из детандера и поступающим на охлаждение теплообменников Таким образом, в процессе Клода-Гейландта воздух охлаждается предварительно за счет использования процесса изэнтропического расширения с совершением внешней работы и окончательно ожижается вследствие эффекта Джоуля-Томсона. Капица недавно применил эти же процессы к ожижению гелия и воздуха. Ему удалось построить детандер, работающий без смазки, поскольку ни один вид смазки не остается жидким при низких температурах.

Принцип изэнтропического расширения использован также Симоном для ожижения гелия. Контейнер, содержащий гелий при давлении 80 атм, охлаждается сначала жидким, а затем твердым водородом до Затем контейнер адиабатизируется путем откачки водорода, а гелий частично выпускается через узкую трубку. Остающийся гелий охлаждается и его ожижается. Охлаждение обусловлено тем, что на проталкивание гелия через капилляр затрачивается работа,

В процессе ожижения по Линде адиабатическое расширение с совершением внешней работы не используется. Ожижение газа совершается за счет эффекта Джоуля — Томсона. Мы не будем обсуждать эти процессы подробнее, так как мы имели в виду только показать применение термодинамики к ожижению газов.