Итак, для получения жидкого воздуха, необходимо сперва охладить воздушное пространство до низких температур. Как это сделать?
В случае, если смешивать снег с поваренной солью, то смесь охладится до —20 градусов по шкале Цельсия; смесь из разведенной серной снега и кислоты даст еще более низкую температуру —30 градусов, а вдруг смешать снег с поташом, то возможно взять температуру 46 градусов ниже нуля.
Но все это через чур большие температуры если сравнивать с критической температурой воздуха, которая равна —140,7 градуса, либо азота, равной —147,1 градуса, либо кроме того кислорода —118,8 градуса. Дабы достигнуть таких низких температур, нужных для сжижения воздуха, воздействие охлаждающих смесей выяснилось очевидно недостаточным. Более того, бессчётные изучения продемонстрировали, что таких низких температур никакой холодильной смесью достигнуть запрещено. Тут нужен более глубочайший мороз.
Продолжительное время казалось, что создание таких низких температур в земных условиях — дело неосуществимое. Но наука не знает безнадёжных положений, неразрешимых задач. Да и то, что на данный момент думается неосуществимым, на следующий день, в других условиях, при втором уровне науки и техники, будет не только вероятным, но и простым. Это произошло и с проблемой получения низких температур, проблемой глубокого холода. Ответ задачи было обнаружено, и не одно, а пара.
В далеком прошлом известно физическое явление нагревания воздуха при его сжатии. Происходит это нагревание по той несложной причине, что при сжатии воздуха либо другого какого-либо газа механическая работа сжатия преобразовывается в тепло. Чем больше эта работа сжатия, тем больше выделяется наряду с этим тепла, тем больше нагревается наряду с этим газ. Но представим себе обратный процесс. Сжатый газ мы вынудим расширяться с совершением работы. Конечно, что наряду с этим мы должны ожидать и обратного результата. Расширяющийся газ будет охлаждаться, и охлаждение будет тем посильнее, чем больше было сжатие. Но расширение сжатого газа возможно произвести двумя дорогами. Возможно очень сильно сжатый газ пропускать через какое-либо узкое отверстие, к примеру через особый кран, именуемый вентилем, в какой-либо количество, намного больший, чем начальный количество сжатого газа. Давление газа упадет, газ наряду с этим расширится и охладится. Газ при таком расширении никакой видимой работы не совершил, отчего же случилось его охлаждение? Дело в том, что молекулы сжатого газа при таком расширении должны очень сильно разойтись, уйти одна от второй на большее, чем в сжатом виде, расстояние. Но ввиду того, что между молекулами сжатого газа существовали определенные силы сцепления, то при собственном расширении газ обязан совершить работу против этих сил сцепления между молекулами. И без того как никакой постоянной энергии к газу не подводится, он расходует ее из собственных внутренних запасов, теряет ее и именно поэтому охлаждается.
Но это не предел охлаждения газа при его расширении. Это охлаждение возможно еще больше расширить, в случае, если сжатый газ при его расширении заставлять выполнять работу, в случае, если направить его, к примеру, в машину, приводимую в перемещение сжатым газом.
Эти два принципа охлаждения газа и были положены учеными в базу способов получения глубокого холода для целей сжижения воздуха и других газов.
В первоначальный раз воздушное пространство в лаборатории был сжижен во второй половине 70-ых годов XIX века. Но проходит, как мы уже указали, 18 лет, перед тем как сжижение воздуха, осуществленное в лаборатории, стало достоянием индустрии.
Опыт говорит, что чтобы тот либо другой процесс был реализован в индустрии, он должен быть не только принципиально вероятен, он должен быть кроме этого и достаточно экономичен. И вот с целью достижения данной экономичности в процессах получения жидких газов потребовалось введение крайне важного аппарата — теплообменника. Роль этого аппарата в процессах глубокого охлаждения станет ясной при описании самого процесса сжижения, к примеру, воздуха либо второй смеси газов.
Перед тем как воздушное пространство подвергать сжижению, его направляться шепетильно очистить от пыли, углекислоты, жидкости. Засасываемый воздушное пространство сжимается компрессором. Дабы при предстоящем расширении воздуха сходу взять температуру, достаточную для его сжижения, было нужно бы воздушное пространство сжимать до высокого давления. Но благодаря наличию в ходе теплообменника этого делать не требуется.
Теплообменник воображает совокупность из узких отлично проводящих тепло трубок, по которым протекает сжатый воздушное пространство. Противотоком в межтрубном пространстве теплообменника протекает поток холодного воздуха. Роль теплообменника пребывает в том, что данный поток холодного воздуха охлаждает свежий сжатый воздушное пространство до таковой температуры, при которой уже при малом расширении сжатый воздушное пространство преобразовывается в жидкость. Помимо этого, теплообменник помогает для накопления холода, потому что целый воздушное пространство, что не сжижился перед тем как покинуть аппарат, отдает собственный мороз сжатому воздуху, идущему на сжижение. Такая разработка получения жидкого воздуха вошла в заводскую практику начиная с 1895 года.
Но практика потребовала самоё полного применения теоретических возможностей. Если бы возможно было сконструировать такую машину, где сжатый воздушное пространство создавал бы работу, то жидкий воздушное пространство возможно было бы приобретать еще экономичнее. И это требование практики было удовлетворено наукой. Такая машина, где сжатый воздушное пространство при собственном расширении создаёт работу и еще посильнее охлаждается, была сконструирована и названа детандером.
С применением таковой автомобили процесс, сжижения воздуха можно-представить в следующем виде.
Очищенный воздушное пространство, как и ранее, сжимается многоступенчатым компрессором до нужного давления. Потом, сжатый воздушное пространство направляется в первоначальный по ходу процесса теплообменник, пройдя что он разделяется на два потока.
Один поток направляется в расширительную машину — детандер, второй поток — конкретно во второй теплообменник. Детандер — это простая поршневая машина, где работу расширения создаёт не пар, а сжатый воздушное пространство. При совершении данной работы сжатый воздушное пространство очень сильно охлаждается. Данный воздушное пространство и помогает для охлаждения другого потока, вступающего во второй теплообменник. Охлажденный сжатый воздушное пространство по окончании второго теплообменника, пройдя через соответствующий вентиль, попадает в расширительную камеру в частично сжиженном виде. Детандер соединен с валом динамо-машины, которая превращает механическую энергию расширения сжатого воздуха в энергию электрическую.
В эру пятилеток потребность народного хозяйства в жидком воздухе и особенно в газообразном кислороде так количественно возросла, что потребовалась как следует другая техника его получения, которая разрешила бы самый экономично удовлетворить эти выросшие запросы. Создание в ходе получения газообразного кислорода большого давления порядка до 200 воздухов требует применения дорогих, громоздких и другого оборудования и сложных компрессоров большого давления. В большинстве случаев такие установки дороги в изготовлении, относительно мало производительны и требуют громадных цехов для установки.
Академик П. Л. Капица внес предложение способ сжижения воздуха при низком давлении. Первая маленькая установка по способу Капицы была выстроена в Советском Альянсе во второй половине 30-ых годов двадцатого века.
Принцип ее работы содержится в следующем. Так как в этом ходе воздушное пространство не требуется сжимать до большого давления, то место поршневого компрессора тут занимает высокопроизводительный турбокомпрессор, развивающий давление всего лишь 5—6 воздухов. Сжатый воздушное пространство направляется в аппарат, именуемый регенератором, где охлаждается до —160 градусов. Часть сжатого охлажденного воздуха потом направляется в расширительную машину — турбодетандер, где воздушное пространство, создавая работу расширения, охлаждается наряду с этим до —185 градусов и помогает для сжижения и охлаждения той части воздуха, которая по окончании регенератора направляется в конденсатор и теплообменник жидкого воздуха.