Месяцами бороздят просторы океанов суда, добывающие рыбу. Но где и
как удается морякам хранить рыбу все это время? В судах-рефрижераторах -
плавающих холодильниках. По железным дорогам курсируют
поезда-рефрижераторы, по автомобильным магистралям и городским улицам -
авторефрижераторы. Свежие продукты, доставленные ими на склады, в
магазины и столовые, тоже хранятся в холодильниках. И в наших квартирах
продукты сохраняются в холодильниках.
Однако холод нужен не только для хранения продуктов. На заводах его
применяют для закалки стали (см. Термическая обработка металлов), в
строительстве - для замораживания грунтов, чтобы избежать затопления
шахт и тоннелей. Биологи и медики хранят при низкой температуре
различные препараты, химики проводят ряд химических реакций.
Как <создать> холод? Оказывается, с помощью кипящей жидкости. И это не
парадокс, а законы физики.
Схема устройства компрессорного холодильника
Чтобы заставить кипеть жидкость, надо нагреть ее, т.
е. подвести к ней теплоту. Но передать одному телу теплоту, - значит,
отнять ее у другого, охладить его. Это первый важный принцип, который
помогает создавать холод. И все-таки от него было бы мало проку, если бы
не другой принцип.
Всякая жидкость кипит при определенной температуре, например вода при
+100°С. Но только в том случае, если давление равно атмосферному. Если
же понизить давление, вода закипит и при меньшей температуре. На этом
важном свойстве жидкостей основан второй принцип работы холодильника.
Для получения в нем холода берут летучие жидкости, которые кипят при
низких температурах, например жидкий аммиак. Он кипит даже при
температурах ниже 0°С. Именно сжиженные газы и применяют в
холодильниках, точнее, в парокомпрессионных холодильных машинах.
Расскажем об устройстве такой машины. Сжиженный газ - его называют еще
холодильным агентом - циркулирует в герметичной замкнутой системе,
состоящей из четырех
основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора и дроссельного
вентиля. Испаритель размещен прямо в холодильной камере, а остальные
узлы - снаружи. Благодаря работе компрессора в испарителе создается
низкое давление и жидкость в нем начинает кипеть, отнимая тепло из
камеры. Часть жидкости превращается в пар, который непрерывно
отсасывается компрессором. Пройдя через компрессор, пар сжимается и
нагревается при этом до температуры выше окружающей среды, например
воздуха в помещении. Это нужно для того, чтобы, поступая в конденсатор,
пар охлаждался и превращался снова в жидкость, конденсировался. Затем
жидкость пропускается через узкое отверстие в дроссельном вентиле.
Давление при этом резко падает, и жидкость снова начинает кипеть в
испарителе, поглощая тепло из холодильной камеры.
Температура кипящей жидкости в испарителе домашнего холодильника бывает
от -15° до -20°С и ниже. Благодаря этому в камере обычного холодильника
можно поддерживать температуру от 0° до -6°С, в камере холодильника
длительного хранения до - 18°С. А в больших промышленных холодильниках
до -40°С и ниже.
Существуют и другие типы холодильных машин, например эжекторные и
абсорбционные. От парокомпрессионных они отличаются способами
поддержания низкого давление в испарителе. В эжекторйых холодильниках
для откачки паров из испарителя применен эжектор - нечто вроде
реактивного сопла. В абсорбционной машине пары из испарителя отводятся
путем поглощения их жидкостью в специальном аппарате - абсорбере.
(Абсорбцией называют процесс поглощения веществ из газовой смеси
жидкостями.) Но главный принцип работы у этих холодильных машин один -
холод создается с помощью кипящей жидкости. Этот же принцип используется
и для создания более низких температур, т. е. температур ниже 120 К.
Техника получения и использования низких температур называется
криогенной. Получить сверхнизкие температуры помогают такие сжиженные
газы, как кислород, который испаряется при -183°С (90 К), азот - при
-196°С (77 К) или водород - при -253°С (20 К). Самый лучший холодильный
агент - жидкий гелий, который кипит под атмосферным давлением при
-269°С(4 К).
Принципиальная схема работы инжекторного
холодильника
Схема получения глубокого холода температур ниже
120К
Теперь рассмотрим способы сжижения газа, т. е. превращения его в
жидкость.
Один из способов глубокого охлаждения - дросселирование, быстрое
охлаждение сжатого газа с помощью дроссельного вентиля. Газ сжимают
компрессором, потом охлаждают до температуры окружающей среды, например
в теплообменнике, а затем расширяют, пропуская через дроссельный
вентиль. При резком расширении молекулы газа преодолевают силы взаимного
сцепления, их тепловое движение замедляется, газ охлаждается и переходит
в жидкое состояние.
Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например,
водород или гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот,
нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении
заставить его совершать работу скажем, в поршневом двигателе или
турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают
им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает.
Расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью
осу-
ществляется один из важных промышленных способов сжижения газов.
Особенно широко применяется турбинный детандер, предложенный в 1939 г.
советским физиком академиком П. Л. Капицей.
Схема его работы такова. Газ, сжатый в компрессоре примерно до 1 МПа,
охлаждается в теплообменнике. Часть его из теплообменника попадает на
лопатки вращающегося тур-бодетандера и совершает работу, вращая турбину.
Еще более охладившись, газ поступает в конденсатор, где сам охлаждает и
превращает в жидкость другую часть газа из теплообменника. Через
дроссельный вентиль сжиженный газ направляется в нижнюю часть
конденсатора, давление в котором уже 0,1 МПа. Здесь и накапливается
жидкость, готовая к употреблению.
Хранят и перевозят сжиженный газ в так называемых сосудах Дьюара с
двойными стенками, между которыми для лучшей теплоизоляции создается
вакуум.
Методы глубокого охлаждения позволяют открыть много интересных свойств
веществ. При температурах, близких к абсолютному нулю (0 К или -273°С),
электрическое сопротивление некоторых металлов становится бесконечно
малым, и ток течет в них практически без потерь. Это явление называют
сверхпроводимостью. Используя сверхпроводимость, например, в мощных
электрических генераторах, можно в несколько раз уменьшить их размеры и
потери электроэнергии. Как обнаружили совсем недавно советские ученые, в
условиях глубокого холода, даже космического, довольно успешно идут
некоторые реакции, в том числе и синтез сложных органических молекул.
