Главная | Обратная связь

Методы получения низких температур

И сжижения газов

В технике применяют 3 основных метода для получения низких температур: 1) испарение жидкостей; 2) эффект Джоуля-Томсона; 3) адиабатическое расширение газа. Иногда применяются различные химические охлаждающие смеси.

Газ может быть превращен в жидкое состояние только при температуре ниже критической Т_К. Сжижение газов, имеющих достаточно высокую температуру Т_К, обычно производят, сжимая газ компрессором, а затем охлаждают его ниже температуры кипения. Таким способом получают углекис­лоту (Т_К = 304 К), хлор (Т_К = 417 К), аммиак (Т_К = 405 К). Для получения жидкого кислорода (Т_К = 154 К), азота (Т_К = 126 К), водорода (Т_К = 33 К), гелия (Т_К = 5 К) используют специальные установки.

По принципу испарения жидкости (фреона или хладона) работает компрессионный холодильник (рис. 70). Когда включается компрессор К, в трубках морозильной камеры давление быстро падает. Это заставляет фреон интенсивно испаряться (кипеть при пониженном давлении). Необходимая для испарения энергия берётся из окружающей среды – морозильной камеры, которая охлаждается. После компрессора сжатый горячий фреон поступает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется, переходя в жидкое состояние. Охлажденный фреон поступает по капиллярной трубке в морозильную камеру, и процесс повторяется.

Комната не может охладиться при открытой двери холодильника, так как тепло, взятое из морозильной камеры, выделяется на задней стенке холодильника. Поэтому надо обеспечить хорошую вентиляцию задней стенки холодильника, иначе мотор-компрессор перегреется и выйдет из строя.

Первые машины для технического сжижения воздуха предложили независимо друг от друга в 1895 г. Хемпсон (Англия) и Линде (Германия) на эффекте Джоуля-Томсона.

Упрощенная схема машины Линде показана на рис. 71. Во всех машинах для сжижения газов используется метод противоточного теплообмена. Давление при дросселировании падает с 200 до 1 атм с понижением температуры на 50 °С. Охлажденный воздух отводится к компрессору, по пути охлаждая новую порцию воздуха, идущего к дросселю. Через несколько циклов часть воздуха начинает конденсироваться.

При адиаба­тическом расширении идеальные и реальные газы охлаждаются. Причиной охлаждения является то, что все молекулы, сталкивающиеся с движущимся поршнем, передают ему часть своей кинетической энергии и отражаются от него с меньшей, чем до удара, скоростью (рис. 72). Это приводит к уменьшению средней скорости молекул, а следовательно, и к уменьшению температуры. Устройство, в котором газ охлаждается, совершая внешнюю работу при адиабатическом расширении, называется детандером. Французскому инженеру Клоду удалось в 1902 г. с помощью такого метода получить жидкий воздух. Схема его установки аналогична машине Линде, но вместо дросселя использовался детандер – цилиндр с поршнем. Давление после компрессора составляло 40 атм, а после расширения – около 1 атм. Более совершенным является турбодетандер П.Л. Капи­цы, в котором поршень заменен турбиной: газ, сжатый всего до 5–7 атм, вращает турбину и, совершая работу, сильно охлаждается, расширяясь до давления »1,3 атм.

При прочих равных условиях эффект адиабатического охлаждения сильнее, чем при дросселировании. В промышленных установках для повышения эффективности комбинируют различные методы, разделяют газовые потоки, используют предварительное охлаждение.

Для получения сверхнизких температур (0,001 К) применяют метод магнитного охлаждения (адиабатического размагничивания). При этом используются парамагнитные соли (хромокалиевые или железоаммониевые квасцы), которые предварительно охлаждают до 0,7 К кипящим при пониженном давлении гелием. Затем соль намагничивают. Молекулы парамагнетика ориентируются в магнитном поле, возникает упорядоченность и энтропия уменьшается. Затем устраняют тепловой контакт гелия и парамагнетика (создавая условие адиабатичности) и выключают магнитное поле. Ионы ориентируются беспорядочно, что дает увеличение энтропии ионов. Но так как в адиабатическом процессе общая энтропия не должна изменяться, то должна уменьшиться энтропия, связанная с тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Это приводит к уменьшению температуры.

Сжиженные газы быстро испаряются. Для их сохранения применяются сосуды Дьюара (термосы). Это стеклянные или металлические сосуды с двойными (зеркальными) стенками, из промежутка между которыми выкачан воздух. Они обеспечивают почти адиабатическую оболочку.