Жидкий воздух | ТМ 1939-03

Академик П. КАПИЦА

Рассказывая о той новой установке для получения жидкого воздуха, которую мы разработали в Институте физических проблем, я хочу остановиться на причинах, которые вызвали эту работу, и на тех теоретических соображениях, которые послужили основой для ее развития.

В первый раз воздух был сжижен еще в 1877 г. учеными Кайете и Пикте. Но практического значения жидкий воздух вначале не имел. Внедрению его мешала чрезвычайная сложность аппаратуры, придуманной Пикте. Только в 1895 г., когда Линде и Гампсон почти одновременно разработали более простую установку для получения жидкого воздуха, он стал проникать в лабораторную практику. Несмотря на то, что аппаратура Линде мало эффективна, она благодаря своей простоте получила большое распространение. Было время, когда почти каждая крупная лаборатория имела установки Линде. Кое-где они сохранились и работают по сей день.

Изучение свойств жидкого воздуха привело к одному замечательному открытию, сделанному почти одновременно (в 1899 г.) Линде и Бали. Они обнаружили, что азот кипит при температуре на 12,8° более низкой, чем кислород. Поэтому при испарении жидкого воздуха, в который, как известно, входят и азот, и кислород, с самого начала испаряется больше азота, а остаток обогащается кислородом. Линде первый обратил внимание, что это свойство жидкого воздуха можно использовать для получения чистого кислорода путем многократных перегонок, как это делается, например, в нефтяной промышленности и в других областях, где надо разделить две жидкости с различными температурами кипения. В начале прошлого столетия Линде приступил к строительству ряда установок с практической целью — получить жидкий и газообразный кислород.

Как только был получен дешевый кислород, его начали сразу же применять в технике и главным образом в автогенном деле. По мере роста автогенного дела спрос на кислород все возрастал, и поэтому для получения газообразного и жидкого кислорода стали строить все более и более мощные установки.

Имея кислород уже в больших количествах, промышленность начала применять его и в других областях народного хозяйства. Выросли большие отрасли промышленности, которые пользуются кислородом. Но развитие еще целого ряда важных областей зависит от получения более дешевого кислорода. Большая потребность промышленности в кислороде объясняется тем, что он связан с процессом горения, который является основным и ведущим в ряде важнейших производств.

В воздухе, кроме кислорода, непосредственно необходимого для сгорания горючего, присутствует в четыре раза больше пассивного азота. Он не только понижает температуру горения, но и вызывает потери тепла (покидая топку, азот его уносит). Подсчеты показывают, что во многих случаях даже частичное обогащение воздуха кислородом может значительно повысить интенсивность и экономичность теплотехнических процессов. Вот почему так велик спрос на кислород и на обогащенный кислородом воздух со стороны металлургии, энергетического хозяйства, газификации угля и нефти. Десятки тысяч кубометров кислорода в час требуется нашей промышленности.

Не в меньших количествах требуется и отделенный от кислорода азот, который в виде азотистых удобрений является основным продуктом, призванным удовлетворить насущные нужды нашего сельского хозяйства.

Наконец, если улучшить способы разделения воздуха, можно будет выделять из него редкие газы, входящие в состав воздуха в самых ничтожных долях. Из них нужно особенно отметить криптон и ксенон, которые являются лучшими наполнителями для ламп накаливания. Коэффициент полезного действия электрических лампочек после наполнения их криптоном или ксеноном повышается на 20—30%.

Такой большой спрос на содержащиеся в воздухе газы со стороны промышленности заставляет науку искать наиболее экономичные методы получения этих газов.

Итак, для того чтобы получить из воздуха кислород и азот, эти газы надо разделить. Теоретически можно вычислить, что для выделения из воздуха 1 кубометра кислорода нужно затратить минимум 0,068 киловатт-часа энергии.

Но этот минимум относится к затратам на добывание кислорода из воздуха. Нельзя ли из других каких-нибудь источников получать кислород с меньшими затратами? На этот вопрос наука отвечает отрицательно. Кислород в воздухе находится в свободном состоянии, а в остальных веществах — в связанном, поэтому теоретически добывание кислорода из воздуха наиболее экономично.

На самом же деле даже в лучших заграничных установках при больших масштабах производства на получение 1 кубометра кислорода расходуется 0,5 киловатт-часа, т. е. расходуется в восемь-девять раз больше, чем следовало бы по теоретическим подсчетам, следовательно, коэффициент полезного действия этих установок не превышает 14%.

Почему же все эти циклы совершаются с таким низким коэффициентом полезного действия? В чем здесь дело? Какие стадии процесса разделения бесполезно пожирают такое колоссальное количество энергии?

Разделение кислорода и азота приходится вести при очень низкой температуре: —194°. При этой температуре, которая очень резко отличается от комнатной, трудно избежать проникновения тепла в аппаратуру. Действительно, только для покрытия этих «потерь холода» в существующих холодильных установках нужно затратить 0,2—0,3 киловатт-часа энергии, т. е. примерно в три-четыре раза больше, чем на само разделение. Это показывает, что та аппаратура, которая пополняет «потерянный холод», чрезвычайно несовершенна. Когда это было установлено, мы нашли, с чего надо начать: в первую очередь нужно сделать холодильные машины более совершенными.

Прежде чем сказать о том, как эта задача была решена, надо остановиться на общем описании современных установок для получения жидкого воздуха.

Чтобы получить воздух в жидком виде, его нужно, как уже сказано выше, охладить до температуры —194°. В холодильных машинах сжатый воздух охлаждают, заставляя его при расширении производить внешнюю работу. Доказано, что охлаждение воздуха при этом равноценно произведенной им работе.

Сконструировать эффективную машину, которая работала бы при низких температурах, оказалось очень трудно. Над этой проблемой бились много лет. Обычная холодильная машина (детандер) очень напоминает паровую, но вместо пара в нее подается сжатый воздух: расширяясь, он производит работу (толкает поршень) и при этом охлаждается. Но расширяется он в этих машинах не до нормального давления, а только до 8—10 атмосфер, и охлаждается не до температуры —194°, а только до —150°.

Для того чтобы охладить воздух еще на 44° — до температуры, при которой он становится жидкостью, приходится прибегать уже не к внешней, механической, работе газа, а использовать так называемое явление Томсон—Джоуля: внутреннюю работу, возникающую при свободном расширении газа. Воздух, сжатый до высокого давления (до 200 атмосфер), предварительно охлаждают до —150° посредством холодильной машины. Затем ему позволяют свободно расшириться до нормального давления; при этом он за счет внутренней работы охлаждается настолько, что часть его переходит в жидкое состояние.

Главным источником потерь в современных установках является плохой коэффициент полезного действия расширительной машины. Причина такого низкого коэффициента полезного действия лежит в том, что технически трудно выполнить эти машины. Трудно, например, заставить плотно пригнанный к цилиндру поршень двигаться с малым трением, так как при таких низких температурах нельзя даже применять смазку.

Остроумнее всего обходит это затруднение Гейландт. В его машине цилиндр и поршень находятся в комнатной температуре. Охладившийся воздух за время своего короткого пребывания в цилиндре не успевает потерять много холода от соприкосновения со стенками цилиндра. Но избежать больших потерь холода можно только тогда, когда давление газа в цилиндре достаточно велико, т. е. когда велика его объемная теплоемкость, которая пропорциональна давлению. Ясно, что при этом «количество холода» в газе будет велико, а поверхность соприкосновения газа с теплыми стенками цилиндра — незначительна. Вот почему теплота, проникающая через стенки цилиндра, не будет существенно повышать температуру охлажденного газа. Этим объясняется то, что в поршневых охладителях расширение производится от 200 атмосфер только до 8—10 атмосфер. Приходится терять ту работу, которую дало бы дальнейшее расширение от этого давления до нормального. Следовательно, теряется и ценный холод, соответствующий наиболее низким температурам.

Таким образом, в установках для разделения воздуха, работающих от поршневых детандеров, должен применяться воздух, сжатый до высокого давления. Для агрегата, пополняющего потери холода, приходится употреблять дополнительный цикл высокого давления. Несмотря на то, что через этот агрегат проходит всего лишь около 1/10 всего количества воздуха, он получается весьма громоздким. Это объясняется тем, что в таких агрегатах действуют поршневые компрессоры высокого давления, которые значительно более громоздки, чем турбокомпрессоры, работающие на центробежном принципе и применяющиеся при низком давлении.

Таким образом, мы приходим к задаче найти какой-либо другой способ сжижения воздуха, чтобы обойтись без этих высоких давлений. Но можно ли, пользуясь только низкими давлениями, вести процесс сжижения воздуха с таким большим коэффициентом полезного действия, чтобы дешево покрывать потери при охлаждении?

Прежде всего нужно ответить на вопрос, при каких условиях такой процесс вообще возможен. Ясно что, если мы хотим работать при давлениях, скажем, в 5—6 атмосфер, мы должны добиться возможности получать весь холод, до —194°, за счет механической работы газа, так как пользоваться внутренней работой для охлаждения можно только от газа, сжатого предварительно до высокого давления. Единственная машина, в которой можно теоретически получить такую низкую температуру, — это турбина.

Турбина имеет целый ряд преимуществ перед поршневой машиной. Отпадает затруднение со смазкой: подшипники, на которых вращается ротор, можно вынести при помощи длинной тонкой оси и держать при комнатной температуре, в то время как турбина будет вращаться в холодном воздухе.

Эта идея сама по себе не нова — первым ее высказал в 1898 г. английский физик Рэлей. Но с тех пор прошло 40 лет, а турбины все еще не получили большого распространения для получения холода. Попытки применять их предпринимались фирмами Линде в Германии и Клода во Франции, проектировались турбодетандеры и у нас. Но оказалось, что коэффициент полезного действия всех типов турбин, с которыми ставились эксперименты, очень низок (60%). С таким низким коэффициентом полезного действия при низком давлении нельзя рассчитывать на получение холода, достаточного для дешевого сжижения воздуха.

Пришлось поставить следующий вопрос: почему турбины имеют такой низкий коэффициент полезного действия? Неизбежно ли это вытекает из того, что они работают при низких температурах, или это просто недостаток конструкции, результат неправильного расчета машины?

До сих пор этот вопрос четко не ставился, и для получения холода применялся наиболее распространенный тип активной паровой турбины. Активная турбина представляет собой не что иное, как сопло, из которого выходит газ, и ряд лопаток, в которые этот газ ударяется. Кинетическая энергия ударяющего в лопатки газа и превращается в энергию вращения.

Как получить наилучший коэффициент полезного действия турбины? К исследованию этого вопроса мы подошли чисто теоретически, не входя вначале в конструктивные детали. Мы стремились теоретически выяснить, от каких физических факторов зависят потери в турбине.

Обычно все расчеты турбин производились применительно к работе с паром. Некоторые потери, зависящие от плотности газа, в условиях паровой турбины были настолько малы, что их не принимали во внимание. Но, как показали наши теоретические исследования, именно эти потери в холодильных турбинах становятся особенно значительными, так как воздух при низких температурах становится настолько плотным, что по некоторым физическим свойствам больше напоминает жидкость, чем пар. Особенно увеличиваются потери, вызванные беспорядочным движением газа под влиянием центробежных сил.

Выяснив это, мы поставили себе задачу: нельзя ли эти, приносящие вред центробежные силы использовать с выгодой, как это делается в водяных турбинах.

Так мы пришли к мысли о том, что с газом при низкой температуре нужно обращаться не как с паром, а скорее, как с водой, и строить турбодетандер не по образцу паровой турбины, а по образцу водяной. При этом, конечно, нельзя упускать из виду, что газ все же остается газом с целым рядом свойств, присущих сжимаемой среде. Поэтому мы задались целью построить турбину, мощность которой складывалась бы из двух частей: 1) активного действия струи и 2) использования центробежной силы. Одно это дало бы удвоение мощности турбины при тех же ее размерах.

Эти теоретические соображения нужно было проверить на практике. В нашем институте была построена турбина, которая сочетает в себе принципы и активной турбины, и водяной. Эта турбина получилась очень маленькой. Ее ротор имеет всего 8 сантиметров в диаметре и весит примерно 250 граммов. Вся турбина весит несколько килограммов, но через нее проходит около 600 кубических метров воздуха в час. Турбина делает 40 тыс. оборотов в минуту. Такие маленькие размеры турбины как раз и объясняются тем, что воздух при низких температурах имеет большую плотность.

Заработала наша экспериментальная турбина не сразу. Как всегда бывает в исследовательских работах, трудности пришли не оттуда, откуда их ждали. Первая серьезная трудность заключалась в том, что нельзя было добиться устойчивости движения турбины и уничтожить вибрации. А это очень важно, так как при большом числе оборотов скорость движения наружного края ротора достигает 200 метров в секунду, что приближается к скорости полета дроби при выстреле из охотничьего ружья. Между тем во избежание «потерь холода» зазор между ротором и кожухом приходится делать очень маленьким (0,15 миллиметра). При таком маленьком зазоре и больших скоростях всякая вибрация турбины очень опасна.

Разрешая эту проблему, мы натолкнулись на ряд явлений, объяснение которых не только позволило сделать совершенно устойчивым движение ротора нашей турбины, но, возможно, повлияет на создание более устойчивого движения и в крупных быстроходных турбинах. Это может повлечь за собой уменьшение зазоров и допусков, а следовательно, и повышение коэффициента полезного действия турбин.

Общий вид новой установки для охлаждения воздуха.

Общая схема установки для получения жидкого воздуха с помощью новой турбины. Через фильтр 1 воздух поступает на компрессор 2, где сжимается до 6—7 атмосфер. Поток сжатого воздуха проходит через водяной трубчатый холодильник 3 и маслоотделитель 4 и поступает в клапанную коробку регенераторов 5. После клапанного устройства поток сжатого воздуха попадает в один из регенераторов 6, представляющий собой трубу, заполненную большим количеством металлической ленты, называемой насадкой. Оттуда сжатый воздух идет в турбину 7, где расширяется и охлаждается. Затем он возвращается через другой регенератор, насадке которого отдает свой холод. Через каждые полминуты направление воздуха меняется посредством переключательного клапана 5. Поступающий извне воздух входит в тот регенератор, через который только что шел холодный поток. Таким образом, воздух поступает в турбину уже предварительно охлажденный. В результате последовательного повторения этого процесса воздух охлаждается до температуры, достаточно низкой, чтобы превратить в жидкость сжатый воздух, идущий в конденсор 8. Жидкий воздух из конденсора попадает в сборник 9, откуда он может быть слит наружу через кран 10.

Новая турбина для получения жидкого воздуха отличается компактностью. Диаметр ее ротора равен всего 8 сантиметрам. Вся турбина весит несколько килограммов.

*

Испытания построенной в институте турбины показали, что наши теоретические предпосылки полностью подтвердились: коэффициент полезного действия нашей турбины оказался выше 80%, несмотря на ее маленькие размеры. Надо сказать, что в больших турбинах коэффициент полезного действия всегда больше, чем в малых, потому что в них отношение поверхности к объему установки меньше. А так как количество переработанного газа пропорционально объему, а потери — поверхности, то, следовательно, в таких турбинах меньше и потерь.

Новая установка, работающая при низких давлениях, обладает многими преимуществами: она отличается безопасностью и большой надежностью, дает возможность употреблять турбокомпрессоры и обходиться без предварительного очищения воздуха от примеси углекислоты и влаги. Известно, что регенераторы при низких давлениях не требуют очистки воздуха от примесей углекислоты и водяных паров. Эти примеси осаждаются в регенераторах, когда воздух входит, но выдуваются обратно выходящим потоком, что значительно упрощает и облегчает установку.

Новая установка дает возможность осуществить более экономичный способ получения жидкого воздуха. Эта установка в восемь-девять раз легче и значительно дешевле, чем обычная.

Наша экспериментальная установка находится уже 9 месяцев в опытной эксплуатации и бесперебойно снабжает институт жидким воздухом. Она начинает сжижать воздух через 18—20 минут после запуска, в то время как обычно процесс сжижения начинается через несколько часов.

Итак, новая турбина дает нам более экономичный способ получения жидкого воздуха. Тем самым мы решаем одну из основных проблем, связанных с получением кислорода из воздуха. В данное время институт уже работает над другими задачами, разрешение которых может дать возможность получать более дешевый кислород. В основу этих работ мы кладем те преимущества, которые приносит с собой новая, созданная нами турбина.

(Переработанная стенограмма доклада на заседании президиума Академии наук Союза ССР от 25 декабря 1938 г.)