Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Схема сжижения воздуха с использованием детандера предложена Сименсом (рис. 166) [277].
Сжатый газ по центральной трубе I поступает в цилиндр Поршневого детандера 5, расширяется с отдачей работы на поршень, охлаждается и ццет по трубе 2 противотоком основному потоку. Конденсат собирается в отделителе жидкости 3, откуда сливается через вентиль 4. Обратный поток служит для предварительного охлаждения потока сжатого газа, поступающего в цилиндр машины. Получаемая при расширении газа в цилиндре работа используется для привода электрогенератора 6.
Большие видоизмененные детандеры обладают высокой производительностью, их термодинамический к.п.д. достигает 17 %. В детандерах можно проводить сжижение не только воздуха, но и гелия, водорода. Для сжижения гелия требуется более глубокое предварительное охлаждение сжижаемого газа.
В технике применяется также метод получения низких температур за счет испарения, основанный на нарушении динамического равновесия между жидкостью и паром. Если, например, из сосуда, где установилось равновесие жидкость - пар, начать откачивать пар и таким образом уменьшать его давление, то количество молекул, переходящих в единицу времени из жидкости в пар, будет больше, чем из пара в жидкость. Поэтому и количество теплоты, поглощенной в каждый момент испаряющейся жидкостью, будет меньше количества теплоты, выделенной конденсирующимся паром. Разница между поглощенной
357
Рис. 166. Схема ожижения воздуха с использованием детандера
и выделенной в каждый момент теплотой приводит к охлаждению находящейся в сосуде жидкости в течение времени откачивания пара.
Откачивание паровой фазы и уменьшение давления снижают температуру жидкости вплоть до достижёния тройной точки (см. гл. 1).
Вакуумирование парового пространства используют и для получения веществ в шугообразном состояний (смесей одного и того же вещества в жидкой и твердой фазах).
Очень низкую температуру можно получить при растворении жидкого He3 в He4 (эффект Лондона). С помощью рефрижераторов, использующих растворение He3 в He4, можно получить температуры вплоть до 0,003 К. Однако в этом случае необходима начальная температура
< 0,7 К.
Еще более низкую температуру можно получить с помощью метода адиабатного размагничивания парамагнитных солей. Этот метод позволяет достичь температуры 0,001 К. Сущность метода заключается в упорядочении элементарных магнитиков, из которых состоят парамагнитные соли, в магнитном поле. Это упорядочение идет с выделением теплоты, которую отводят в процессе намагничивания, и обычно осуществляется при 1-1,5 К. Если для соли создать адиабатные условия и снять магнитное поле, то образец сильно охладится. Необходимость использования очень низких (< 1 К) начальных температур сдерживает использование этого очень интересного метода.
Низких температур можно достичь также охлаждением с использованием термоэлектрического эффекта Пельтье, вихревым эффектом, открытым Ранком, эффектом термомагнитного охлаждения и др.
Хранение и транспортировка сжиженных газов
Сжиженные и замороженные газы при низкой температуре занимают значительно меньший объем, чем сжатые газы при нормальной температуре. Поэтому широко используют хранение и транспортировку газов в конденсированном состоянии, что значительно выгоднее.
При перевозке и хранении сжиженных газов без значительных потерь на испарение должна быть обеспечена надежная тепловая изоляция от окружающей среды. Используется несколько видов изоляции.
«И
Прежде всего это волокнистные, зернистые и ячеистые материалы с коэффициентом теплопроводности 0,02- 0,05 Вт/(м • К). Передача теплоты через изоляцию идет как по твердой основе изоляционного материала, так и через газ, заполняющий пустоты. Чем более порист материал, тем большая часть теплового потока прихбдится на газовую среду. Обычно используют мелкопористую изоляцию, так как в крупнопористых материалах потери теплоты повышаются из-за конвективного переноса газа по порам.
К волокнистым изоляционным материалам относят минеральную или стеклянную вату, шелковые очесы. Эти материалы, как правило, широко используют для изоляции крупных установок разделения газовых смесей. Минеральную вату попучают путем плавления некоторых горных пород (графита, кварцита) или шлаков металлургических печей с последующей раздувкой расплава струей пара или воздуха. При этом получают волокна диаметром ~ 10 мкм и длиной до 0,02 м. Стеклянную вату получают из расплавленного стекла. Волокна обычно имеют диаметр < 50 мкм и обладают весьма высокими изоляционными свойствами. Достоинством минеральной и стеклянной ваты является то, что они негорючи. Вместе с тем при монтажных работах они могут поражать кожу и дыхательные пути человека, поэтому в этих случаях принимают тщательные меры предосторожности. Шелковые очесы не имеют этого недостатка, но они существенно дороже и поэтому редко используются.
Зернистые или порошкообразные материалы применяют большей частью для изоляции сосудов, содержащих сжиженные газы, для заполнения изоляционных кожухов низкотемпературных установок. Наиболее известны перлит, аэрогель и мипора (материал в виде пористых блоков с размерами пор 100-300 мкм). Вспученный перлит получают обжигом кремнеземистых горных пород вулканического происхождения. Он содержит, %: 70 SiO2, 10-15 Al2O3, 4-8 оксидов калия и натрия и других примесей. Обжиг при 973-1273 К приводит к размягчению породы, вскипанию воды и переходу ее в пар, который вспучивает массу материала.
