Английская компания Highview Power Storage, занимающаяся разработками различных систем накопления энергии для коммунальных субъектов, не так давно получила финансирование на исследование аккумулирующих свойств жидкого воздуха в размере восемнадцати миллионов долларов США.

Под понятием «жидкий воздух» следует понимать атмосферный воздух, охлажденный до температуры его сжижения. Сжиженный воздух при нагревании и изменении агрегатного состояния отличается способностью к значительному увеличению занимаемых объемов, что делает его потенциально перспективным материалом для накопления энергии.

Главной проблемой наиболее распространенных источников альтернативной энергии является их непостоянство, то есть в произвольный промежуток времени генерация ими электрической энергии динамически изменяется в широком диапазоне, а также может полностью отсутствовать. При существующем уровне развития технологий многие ученые видят эффективное решение проблемы в резервировании избыточного количества энергии в период высокой ее выработки, с целью покрытия возникающих при простоях пробелах. Традиционные системы аккумулирования электрической энергии подразумевают использование блоков аккумуляторных батарей, однако специалисты компании Highview Power Storage разработали альтернативный подход – запасать электрическую энергию в виде сжиженного воздуха, который впоследствии может храниться в условиях вакуума в резервуарах любого объема до востребования.

По заверениям представителей компании, предлагаемая концепция является одновременно эффективной, простой и недорогой. В период повышенной эффективности энергетической установки, избыточное количество производимой электрической энергии расходуется на втягивание атмосферного воздуха из окружающей среды, после чего происходит его очищение от водяного пара и углекислоты. После операции очистки, воздушная смесь охлаждается до температуры в минус сто девяноста градусов Цельсия, в результате чего она меняет свое агрегатное состояние на жидкое. В случае надобности, жидкость может быть нагрета теплым воздухом, в результате чего будет происходить существенное расширение, создающее избыточное давление, которое в свою очередь будет вращать турбину, генерирующую электрическую энергию. Согласно официальной информации, эффективность такого метода накопления электроэнергии составляет около пятидесяти-шестидесяти процентов. Таким образом, почти половина объема произведенной энергетической установки энергии будет израсходовано исключительно на ее хранение. Подобный показатель сложно назвать чем-то исключительным, ведь эффективность хранения энергии современными аккумуляторами достигает девяноста процентов. Вместе с тем, использование сжиженного воздуха для хранения энергии имеет существенные плюсы. Прежде всего, полученная энергия может храниться в течение длительных промежутков времени без потерь, в то время как традиционные аккумуляторные батареи имеют ограниченный срок эксплуатации, а длительное хранение в них энергии сопряжено со значительными потерями. Не лишним также будет отметить, что такое хранение электрической энергии не создает дополнительной опасности для окружающей среды, в то время как хранение массивов химических аккумуляторов сопряжено с определенными рисками.

Справедливости ради стоит заметить, что компания Highview Power Storage является далеко не единственной, ведущей научные изыскания в области накопления энергии за счет сжиженного воздуха. Подобными работами заняты специалисты LightSail из Беркли, нью-хемпширской компании SustainX и другими. Кроме того, гигант машиностроения Ricardo ведет масштабные разработки, основной целью которых является использование сжиженного газа в качестве топлива для автомобилей.{odnaknopka}

Когда было выяснено, что для сжижения газов нужно охлаждение их ниже критической температуры, усилия исследователей были направлены на разработку способов получения низких температур. Эти усилия увенчались успехом, и в настоящее время имеется ряд машин для получения всех без исключения газов в жидком виде. Эти машины, в особенности машины для сжижения воздуха, получили широкое распространение в технике.

Сжижение воздуха используется в технике для разделения его на составные части. Разделение достигается при испарении жидкого воздуха. При этом сначала испаряются составные части воздуха, имеющие более низкую температуру кипения: неон, азот, а затем аргон, кислород. Дело происходит совершенно так же, как, например, при отделении более легко кипящего спирта от воды путем перегонки. Полученные газы находят себе широкое применение: а) азот идет для получения аммиака; б) аргон, неон и другие инертные газы употребляются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп; в) кислород служит для многих целей: смешивая его с ацетиленом (или с водородом) и сжигая эту смесь, получают пламя, имеющее высокую температуру и употребляющееся для сварки и резки металлов (рис. 499). Большое значение приобрело кислородное дутье для ускорения металлургических процессов; кислород используют также и для медицинских целей.

Рис. 499. Автогенная сварка металлов. К горелке 1 поступают из баллонов по двум трубкам кислород и ацетилен; проволока 2 плавится в кислородно-ацетиленовом пламени и заливает свариваемый шов

Кроме того, жидкий кислород употребляется во взрывной технике. Смесь жидкого кислорода с опилками, сажей, нафталином и другими легко окисляемыми веществами представляет собой взрывчатое вещество громадной силы (оксиликвит). Взрыв происходит потому, что в присутствии кислорода, находящегося в жидком состоянии и, следовательно, занимающего малый объем, сгорание этих веществ протекает очень быстро. При сгорании происходит сильное нагревание, продукты реакции получаются газообразные (углекислота), происходит мгновенное и очень сильное расширение - взрыв. Это взрывчатое вещество имеет то преимущество, что по испарении кислорода оно перестает быть опасным.

Машины для получения жидкого воздуха бывают различных типов. Мы опишем здесь схему машины, действие которой основано на охлаждении сильно сжатого воздуха при его расширении (§ 225). Воздух поступает в компрессор 1 (рис. 500); здесь его сжимают до давления в несколько десятков атмосфер. При этом он нагревается. Из компрессора 1 воздух поступает в теплообменник 2, где он охлаждается проточной водой до первоначальной температуры и затем идет в детандер 3 (расширитель). Детандер представляет собой цилиндр с поршнем. В детандере воздух расширяется. При этом он выталкивает поршень и совершает работу. Внутренняя энергия воздуха расходуется на эту работу, и температура его падает настолько сильно, что он конденсируется в жидкость; сжиженный воздух собирается в сосуде 4.

Рис. 500. Схема машины для получения жидкого воздуха

Иногда детандеры осуществляются не в виде цилиндра с поршнем, а в виде турбины (турбодетандер П. Л. Капицы), в которой происходит расширение газа, производящего работу вращения турбины. Весьма важно, что ротор (вращающаяся часть турбины) во время работы машины «висит» в потоке расширяющегося газа, не касаясь стенок турбины. Вследствие этого отпадает необходимость смазки, что очень существенно, так как подбор смазки для частей машин, работающих при столь низких температурах, крайне затруднителен. Обычные смазки при низких температурах затвердевают. Кроме того, достоинством машин для сжижения газов, сконструированных П. Л. Капицей, является их высокая производительность при относительно малых размерах.

Температура кипения жидкого воздуха очень низка. При атмосферном давлении она равна . Поэтому жидкий воздух в открытом сосуде, когда давление его паров равняется атмосферному, кипит, пока температура его не понизится ниже . Так как окружающие тела значительно теплее, то приток теплоты к жидкому воздуху, если бы он хранился в обычных сосудах, был бы настолько значителен, что за очень короткий срок весь жидкий воздух испарился бы. Поэтому его сохраняют в специальных сосудах, создающих хорошую защиту от доступа теплоты извне. Это - сосуды того же типа, что и обычные термосы. Они представляют собой стеклянные или металлические сосуды с двойными стенками (рис. 501), из пространства между которыми воздух тщательно удален. Переход теплоты через такое пространство с очень разреженным газом крайне затруднен. С целью предохранения от нагревания лучами внутренние стенки полости делаются блестящими (посеребренными). Такие сосуды для хранения жидкого воздуха были предложены Дьюаром. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух испаряется настолько медленно, что его можно сохранять два, три дня и больше.

Рис. 501. Разрез сосуда Дьюара. Снизу виден конец трубки, через которую при изготовлении сосуда откачивался воздух из пространства между стенками и которая по окончании откачки отпаяна

Для того чтобы, несмотря на непрерывный, хотя и медленный приток теплоты, сжиженный газ не нагревался, он должен оставаться в открытом сосуде, чтобы иметь возможность постепенно испаряться. Вследствие затраты теплоты на испарение сжиженный газ остается все время холодным. Если закупорить сосуд Дьюара, т. е. воспрепятствовать испарению, то сжиженный газ нагреется и давление его паров возрастет настолько, что разорвет сосуд. Если бы сосуд был весьма прочным, например стальной баллон, вроде изображенного на рис. 375, то сжиженный газ нагрелся бы постепенно до температуры выше критической и перешел бы в газообразное состояние. Таким образом, единственный способ длительного сохранения сжиженного газа - это применение открытых сосудов Дьюара.

Вакуум. Жидкий воздух

В Лабораториях вакуум («пустота»), при котором столкновения молекул между собой уже сравнительно редки, соответствует давлению примерно в 0,13 Па. Даже с помощью самых совершенных методов современной техники не удается достигнуть вакуума, при котором в кубическом сантиметре газа оставалось бы менее 1000 частиц.

Масса литра воздуха при нормальных условиях (1,293 г), а его средняя молярная масса воздуха равна 22,4·1,293 = 29 г/моль.

При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.

Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около -190 °С. Состав его непостоянен, так как азот улетучивается быстрее кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).

Трудно сжижаемые газы научились сжижать используя их свойства охлаждаться при расширении, если газ многократно сжимать и выпускать его в большой сосуд, то он будет охлаждаться и когда его температура достигнет критической он начнет сжижаться.

Технология получения сжиженного воздуха довольно проста. Сначала смесь газов очищают от пыли, частиц воды, а также от углекислого газа. Есть еще одна важная составляющая, без которой не получится произвести жидкий воздух, - давление. С помощью компрессора воздух сжимают до 200-250 атмосфер, одновременно охлаждая его водой. Далее воздух идет через первый теплообменник, после чего делится на два потока, больший из которых идет в детандер. Этим термином называют поршневую машину, которая работает за счет расширения газа. Она преобразовывает потенциальную энергию в механическую, и газ охлаждается, потому что совершает работу.

В 1938 г. П. Л. Капицей был разработан метод получения жидкого воздуха при низком давлении - всего 5-6 атм. Основной особенностью этого метода является замена поршневых механизмов компрессора и детандера турбинными.

Применение

Сам жидкий воздух как таковой нигде не используется, это промежуточный продукт в получении чистых газов. Принцип выделения составляющих основан на разнице в кипении составных частей смеси: кислород закипает при -183°, а азот при -196°. Температура жидкого воздуха ниже двухсот градусов, и нагревая его, можно производить разделение. Когда жидкий воздух начинает медленно испаряться, первым улетучивается азот, а после того, как его основная часть уже испарилась, при температуре -183° закипает кислород. Дело в том, что пока азот остается в смеси, она не может продолжить нагреваться, даже если использовать дополнительный подогрев, но как только большая часть азота улетучится, смесь быстро достигнет температуры кипения следующей части смеси, то есть кислорода. -

Сжатый воздух хранят в стальных балло­нах, рассчитанных на давление 150 атм. По дей­ствующим техническим условиям баллоны эти должны иметь черную окраску с белой надписью: «Воздух сжатый».

Химические реакции при температуре жидкого воздуха вообще очень сильно замедляются. Однако благодаря большой концентрации в нём кислорода (концентрацией называется количество вещества в единице объёма или массы), смешанные с жидким воздухом горючие вещества горят гораздо энергичнее, чем в обычных условиях. Например, смоченная жидким воздухом вата сгорает со вспышкой подобно бездымному пороху.

СЖИЖЕНИЕ ВОЗДУХА

СЖИЖЕНИЕ ВОЗДУХА , процесс, достигаемый путем охлаждения воздуха до критической температуры -147 °С, при которой или ниже нее воздух под давлением превращается в жидкость. После повторного сжатия, за которым следует АДИАБАТИЧЕСКОЕ расширение, при этой температуре, согласно ЭФФЕКТУ ДЖОУЛЯ-ТОМПСОНА, появляются капли воды.

Научно-технический энциклопедический словарь .

Смотреть что такое "СЖИЖЕНИЕ ВОЗДУХА" в других словарях:

Включает в себя несколько стадий, необходимых для перевода газа в жидкое состояние. Эти процессы используются для научных, промышленных и коммерческих целей. Все газы могут быть приведены в жидкое состояние путём простого охлаждения при… … Википедия

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое. С. г. достигается охлаждением их ниже критической температуры (См. Критическая температура) (Тк) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации).… … Большая советская энциклопедия

Не могло бы считаться вполне изученным, если бы не были получены недавно Дьюаром в жидком виде наиболее трудно сгущаемые из них, а именно водород и гелий. В ст. Газы сжиженные (см.) приведена история вопроса о С. газов и уже описано получение… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Светло синий цвет жидкого кислорода в сосуде Дьюара. Жидкий кислород (ЖК, англ. Liquid oxygen, LOX) жидкость бледно синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. ЖК… … Википедия

O (oxygenium), химический элемент VIA подгруппы периодической системы элементов: O, S, Se, Te, Po член семейства халькогенов. Это наиболее распространенный в природе элемент, его содержание составляет в атмосфере Земли 21% (об.), в земной коре в… … Энциклопедия Кольера

Природный газ - (Natural gas) Природный газ это один из самых распространенных энергоносителей Определение и применение газа, физические и химические свойства природного газа Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора

Во времена Лавуазье (см. это имя) переход Г. в жидкое и твердое состояние казался весьма вероятным, так как при химических реакциях часто совершается подобная перемена физического состояния (Oeuvres de Lavoisier , т. II 804). В начале XIX… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

- (хим., Ozon нем., Ozone франц. и англ.) газообразное тело, представляет пока единственный случай аллотропического видоизменения элементарного газообразного вещества; это кислород, в частице которого не два атома, а три. Образование его из… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

ГАЗЫ - ГАЗЫ, вещества, находящиеся в состоянии, характеризующемся тем, что молекулы вещества удалены на большие расстояния друг от друга и силы взаимодействия между молекулами очень невелики. Экспериментальные исследования вещества в газовом состоянии… … Большая медицинская энциклопедия