В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

По-иному заработал и ветеран труда — огонь. Буквально за несколько десятилетий были до тонкостей изучены многие повадки работающей теплоты, родились совершенно новые области науки и инженерии — теплофизика, теплотехника, термохимия, теплоэнергетика, термодинамика. А с них пошли тысячи новых тепловых машин — от домашнего холодильника до гигантских котлов, где за секунду превращается в пар чуть ли не тонна воды; от велосипедного моторчика до ракетных двигателей и паровых турбин мощностью в миллион киловатт, каждая из которых, если поставить ее на суперавтобус, свободно повезла бы полмиллиона пассажиров. И вот что знаменательно: наука о теплоте и не помышляет о мемуарах, она вся устремлена в будущее. В полной мере это относится к одному из главных разделов теплотехники — теплообмену.

Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Белорусской академии наук — ИТМО АН БССР — ведущая исследовательская организация страны по этой проблеме, имеющая к тому же признанный международный авторитет. Основное внимание в институте уделяется сложному комплексу явлений, где передача тепла сопровождается перемещением массы или перемещение массы создается специально для того, чтобы получить необходимый теплообмен. У тепломассообмена — его, наверное, для краткости можно называть ТМО — много интересных профессий. С некоторыми из них мы сейчас познакомимся, переместившись в центр белорусской столицы и совершив краткое путешествие по институту, беседуя с руководителями ряда исследовательских лабораторий. Об одной из новых профессий ТМО рассказывает руководитель лаборатории энергопереноса, доктор технических наук Олег Григорьевич Мартыненко:

— Начнем с факта, к сожалению, достоверного — мощный лазерный луч попадает в линзу, которая должна его сфокусировать, и линза мгновенно разлетается на куски. Случайность? Повторяем эксперимент — результат тот же… Вряд ли стоит дальше портить казенное имущество, случившемуся можно найти простое объяснение: для мощных световых потоков стекло — слишком плотный материал, оно отбирает у света слишком большую порцию энергии и в итоге быстро разогревается и разрушается. А отсюда вывод — для мощных источников света стеклянная оптика непригодна. Линзы из жидкостей тоже, не годятся, их плотность не на много меньше. Остается только газовая оптика — плотность газов в тысячи раз меньше, чем плотность твердого тела. Однако же, создавая линзу, газ нельзя поместить в прозрачную оболочку определенной формы, твердая оболочка сама станет частью линзы, и все неприятности начнутся сначала. Одним словом, нужны линзы из чистого газа, этакие двояковогнутые или двояковыпуклые облака. Но возможно ли это?

Представьте себе металлическую трубу, воздух в которой определенным образом разогрет, создано определенное его движение и в итоге в объеме трубы получено строго определенное изменение плотности воздуха. Например, такое, при котором свет, проходя по трубе, фокусируется или, наоборот, рассеивается: ведь именно изменение плотности среды изгибает, преломляет световой луч. И вывод: управляя процессами тепло- и массообмена, можно создать линзы из чистого газа, линзы практически без потерь (рис. 1). Они-то и являются объектом исследований и разработок аэротермооптики. «Аэро», входящее в это длинное слово, говорит о том, что оптика привлекла на помощь движение газа, аэродинамику, а «термо» напоминает о той роли, которая досталась теплообмену.

Аэротермооптика — это уже реальность. Она пока, правда, делает первые шаги, преодолевает разнообразные трудности (вот лишь три из них: сам световой луч, нагревая газ, меняет первоначальную его плотность; на газовую линзу покушается и гравитационное поле Земли; при быстром движении газа линзу могут испортить завихрения), однако уже выявилось немало потребителей газовых оптических систем. Это, например, световодные линии дальней связи, которые могли бы проложить практически неограниченное число телефонных и телевизионных каналов между городами и странами. В этих линиях информация передается с помощью световых сигналов, а не с помощью электрических, как в телефонных или телеграфных линиях связи. Свет идет по трубам, заполненным газом, или по пластмассовым световодам, выполняющим ту же роль, что телефонные или телеграфные провода.

Интересы аэротермооптики не ограничены газовыми линзами, и вот одно из подтверждений. Недавно в печати опубликованы расчеты так называемой «венерианской машины»: если к Венере под определенным углом направить острый луч лазера, то он, преломляясь в атмосфере планеты, может создать вокруг нее «вечное» световое кольцо, в которое можно вогнать большую энергию. Получится своего рода лазер с кольцевым резонатором, т. е. накопитель света, аналог конденсатора, который накапливает электрические заряды. «Венерианская машина» напоминает: у аэротермооптики неплохие перспективы в части принципиально новых приборов и процессов.

А теперь от этой экзотической профессии ТМО — экзотической хотя бы потому, что творения аэротермооптики имеют ту же физическую природу, что и мираж в пустыне, — мы перейдем к делу, на первый взгляд очень простому и прозаическому — к сушке. И сразу же обнаружим огромный диапазон областей техники и технологии, где применяется сушка. В процессе производства сушке подвергаются многие пищевые продукты, древесина, лекарственные препараты, микроскопические электронные приборы, автомобили, керамика, химические волокна, резина, строительные материалы, железобетонные изделия, ткани. Наконец, сушка входит важным элементом в технологию продукта, к которому все мы относимся с особым вниманием и имя которому Хлеб (справка: после обмолота зерно имеет влажность 24 %, а при неблагоприятных климатических условиях — еще больше; в хранилища должно поступать зерно с влажностью 14 %, а значит, необходима сушка зерна; масштабы этой операции нетрудно представить, вспомнив, что годовое производство зерна в стране составляет многие миллионы тонн; ежегодно зерносушилки должны убрать из зерна столько воды, что ею можно было бы заполнить плавательный бассейн площадью 10 км2). Слово имеет руководитель сушильно-термической лаборатории Павел Степанович Куц:

— Нынешние методы сушки совсем не похожи на привычную для всех нас операцию «Клади на солнышко, пусть сохнет». Современная сушка — это прежде всего изучение тонких механизмов тепло- и массопереноса, разработка теории сушки. Только на этой основе создается современная сушильная техника.

Приведу три примера. Первый относится к производству лекарств, к превращению пастообразных лекарственных смесей в плотные гранулы, из которых затем делаются таблетки. Для этого случая был разработан метод комбинированной сушки в падающе-кипящем слое: кусочки мягкой пасты, выдавленные из верхнего резервуара, сначала свободно падают вниз в вертикальной колонне, а навстречу им вверх идет поток теплого газа. Пока гранулы добираются до донной решетки, они слегка просушиваются, обрастают плотным сухим каркасом. Теперь уже в донной части аппарата можно производить интенсивную сушку в так называемом кипящем слое, перемешивая и прогревая гранулы потоками горячего газа (рис. 2). По этой схеме в институте был создан аппарат, который сейчас выпускается серийно и уже работает на ряде фармацевтических заводов. Приведу только три цифры, подтверждающие, что изучение тонких механизмов сушки с лихвой окупается — аппарат, о котором только что говорилось, работает в 4–8 раз быстрее своих предшественников и лучших зарубежных аппаратов; в нем в 2–2,5 раза снижены потери материала и в 3,5 раза уменьшена трудоемкость обслуживания.

Второй пример касается созданных в институте пневмогазовых зерносушилок производительностью от 2 до 50 т в час. В этих зерносушилках есть зоны контактного влагообмена между уже подсушенным и влажным зерном, нагрев зерна во взвешенном состоянии длится несколько секунд, он чередуется с охлаждением в плотном слое в течение примерно 10 мин. В итоге зерно высушивается быстро, равномерно, и, главное, в процессе сушки не снижаются его хлебопекарные качества, как это наблюдалось в сушилках старых образцов.

И наконец, пример третий. Интересная идея реализована в аппарате СВР (сушилка вихревая распылительная), предназначенном для сушки растворов, например для получения сухого молока. Здесь в цилиндрической камере создаются два встречных круговых потока: поток самого раствора и поток нагретого газа. Потоки эти сталкиваются, в камере образуются вихри, а в них идет интенсивный отбор влаги у раствора, и ее пары быстро удаляются. Вихревая сушка позволяет в 5—10 раз уменьшить размеры сушильных аппаратов, что должно понравиться не только технологам, но и строителям промышленных предприятий.