Практически теплообменник устроен более сложно. Вместо одной трубки внутри теплообменника обычно находится целая система длинных и тонких трубок, изготовленных из меди — металла, хорошо проводящего тепло. Иногда, для увеличения охлаждающей поверхности теплообменника, внутреннюю трубку делают в виде спирали.
Теплообменник, как и все аппараты, работающие при низких температурах, тщательно покрывается снаружи толстым слоем материала, плохо проводящего тепло: шлаковой ваты, углекислой магнезии и других. Этот слой надежно предохраняет теплообменник от излишних потерь холода в окружающее пространство.
Каким же образом сжимается воздух, поступающий в теплообменник? В установке глубокого холода есть особая машина — компрессор, в котором воздух можно сжать до давления, в 200 раз превышающего атмосферное. Чаще всего ставят многоступенчатый поршневой компрессор. Он состоит из 5 или б цилиндров с поршнями. Воздух, проходя по особым трубам от одного цилиндра к другому, постепенна, ступенями, сжимается. В первом цилиндре давление воздуха повышается до 6–7 атмосфер, во втором — оно увеличивается до 20 атмосфер, и т. д. Наконец, в последнем цилиндре достигается сжатие до 200–250 атмосфер.
При сжатии воздух, конечно, нагревается, поэтому по выходе из каждого цилиндра он охлаждается в специальных холодильниках.
ОЧИСТКА ВОЗДУХА
О атмосферном воздухе всегда есть всякого рода нежелательные примеси — песок, дым, пыль и т. д. Попадая в компрессор, эти примеси могут вызвать преждевременный износ его трущихся частей. Поэтому на всасывающей трубе компрессора устанавливаются специальные фильтры, улавливающие эти твердые частицы.
Однако в воздухе есть еще и другие вредные примеси, от которых нельзя освободиться фильтрованием. Это — углекислота и водяные пары.
В каждом кубическом метре атмосферного воздуха содержится не менее 0,7 грамма углекислоты, которая уже при температуре около минус 80 градусов затвердевает.
Через современные установки глубокого холода проходят огромные количества воздуха, измеряемые сотнями и даже тысячами кубических метров в час. Ничтожные количества углекислоты, содержащиеся в воздухе, могут оказаться серьезной опасностью для холодильных аппаратов. Ведь через холодильные аппараты пройдут десятки килограммов этого газа в течение нескольких часов. Превращенная при низких температурах в твердые куски льда, углекислота в короткое время может плотно закупорить трубопроводы и вывести установку из строя. Тогда придется прекратить получение жидкого воздуха, отогревать установку и продувать все ее трубопроводы.
Чтобы удалить из воздуха углекислоту, его пропускают через растворы едкого кали или едкого натра. Углекислота химически соединяется со щелочью и из раствора выходит уже освобожденный от нее воздух. Такая промывка производится в особом аппарате — скрубере. Этот аппарат обычно устанавливается между вторым и третьим цилиндрами компрессора. Воздух поступает в скрубер уже под давлением, а это значительно ускоряет и облегчает удаление углекислоты.
Еще более вредной примесью атмосферного воздуха является влага. В обычных условиях в одном кубическом метре воздуха содержится около 20 граммов водяных паров. При сжатии воздуха большая часть этих паров превращается в воду. Для улавливания ее в многоступенчатом компрессоре после каждого цилиндра устанавливаются водоотделители. Но они освобождают воздух от влаги не полностью. А это может привести к серьезным неприятностям.
Попадая в холодную трубу теплообменника, остатки воды превратятся в лед, который вызовет если не аварию, то во всяком случае остановку машины. Поэтому сжатый компрессором воздух пропускается через целую батарею баллонов, которые наполнены веществами, хорошо поглощающими влагу, — каустической содой, хлористым кальцием, едким кали и т. д. Пройдя через такой химический осушитель, воздух оказывается уже совершенно сухим.
В более крупных установках остатки влаги из сжатого воздуха вымораживаются в особых холодильниках при 40–45 градусах ниже нуля. Каждая такая установка обычно имеет два холодильника. Пока работает один холодильник, второй отогревается и освобождается от льда.
Но вот воздух прошел все эти аппараты. Он очищен от механических примесей, от углекислоты и водяных паров. Теперь можно беспрепятственно понижать его температуру, не рискуя вывести из строя установку глубокого холода.
МАШИНЫ ГЛУБОКОГО ХОЛОДА
Компрессор, сжимающий воздух, расширительное устройство, предназначенное для его охлаждения, и теплообменник, позволяющий превращать в жидкость воздух, вот главные части установки глубокого холода.
Мы уже знаем, что воздух может охлаждаться гораздо больше, если заставить его при расширении работать, например, двигать поршень воздушного моторчика. Такое охлаждение ведут в установках, которые, кроме сжимающего компрессора и охлаждающего теплообменника, имеют еще и расширительную машину, детандер.
Детандер устроен так же, как любая поршневая машина. Это цилиндр о поршнем, но поршень в детандере приводится в движение не паром, а сжатым воздухом.
Обратимся к рисунку 3.
Рис. 3. Принципиальная схема установки для получения жидкого воздуха.
Многоступенчатый компрессор сжимает очищенный атмосферный воздух. Пройдя по внутренней трубке первого теплообменника, сжатый воздух разделяется на два потока. Один поток, составляющий около четырех пятых всего воздуха, направляется в детандер и, расширяясь, приводит в движение его поршень. При этом воздух значительно охлаждается. Затем он омывает внутренние трубки обоих теплообменников и, отдав свой холод текущим навстречу свежим порциям воздуха, покидает машину. Второй поток воздуха, охлажденный еще больше во втором теплообменнике, направляется через вентиль в расширительную камеру, затем вместе с воздухом из детандера идет к выходу. Вскоре наступает момент, когда сжатый воздух, устремляющийся в расширительную камеру, достигает температуры ожижения и часть его превращается в светло-голубую жидкость. Когда накопится достаточное количество этой жидкости, кран открывают и жидкий воздух выливают. Работа воздуха в детандере не пропадает даром. Поршень детандера может приводить в действие динамомашину. Но чаще всего механическая энергия детандера передается валу компрессора, в котором сжимается воздух. Таким образом, часть энергии, затраченной на сжатие воздуха, компрессор получает обратно, а это снижает расход энергии на ожижение воздуха.
СБЕРЕЖЕНИЕ ХОЛОДА
Итак, мы уже знаем, что теплообменник дает возможность получать весьма низкие температуры, необходимые для ожижения воздуха и других газов. Но одним этим роль теплообменника в установках глубокого холода не ограничивается.
Ведь ожижается обычно лишь небольшая часть расширяющегося воздуха. Однако охлаждать до низких температур приходится весь поступающий в установку воздух. Если бы не было теплообменника, воздух, не превращенный в жидкость, покидал бы установку при температуре около — 190 градусов и уносил бы с собою большое количество дорогостоящего холода. Но благодаря теплообменнику расширяющийся воздух покидает установку глубокого холода при температуре, очень мало отличающейся от температуры атмосферного воздуха. В современных установках эта разница температур обычно не превышает 4–5 градусов. Это значит, что за те несколько секунд, которые нужны расширившемуся воздуху для прохождения
