Страница 40 из 91
Чтобы получить кислород из воздуха, нужно затратить некоторую работу.
Из основных законов физики с полной достоверностью можно показать: чтобы получить 1 кубический метр чистого кислорода, нужно затратить по крайней мере 0,07 киловатта, каким бы методом этот кислород ни добывать. В самых крупных и экономичных современных установках эта затрата энергии равна 0,4 киловатта, то есть в 6 раз больше минимального теоретического предела. Это показывает, что мы имеем несомненно возможность в несколько раз уменьшить стоимость обогащения воздуха кислородом.
Из всех разнообразных методов, предложенных для выделения из воздуха кислорода, единственный, который представляет техническую ценность,— это метод ректификации, и трудно предположить, что удастся найти лучший метод.
Ректификация, это, попросту говоря, разгонка, такая же разгонка, как спирта от воды; основана она на том, что жидкий кислород кипит при температуре, градусов на 13 выше, чем жидкий азот. Поэтому если ожижить воздух, то при подогревании сперва испарится больше азота, чем кислорода. Повторяя этот процесс несколько раз, можно полностью разделить два газа. Та техническая схема, которая позволяет делать эту повторную разгонку, почти не теряя холода, затраченного на ожижение, и называется ректификацией.
Теперь ставится вопрос: почему современные машины для ректификации воздуха затрачивают в 6 раз больше энергии, чем это возможно теоретически, и возможно ли это улучшить?
Машины, например, французские Клода, немецкие Линде — Френкля, [а также] Гипрогаза, по существу, очень похожи друг на друга, и их можно описать следующим образом. Они состоят из двух довольно сложных агрегатов. Первый — это машина для ректификации жидкого воздуха, а второй, более сложный,— это холодильная машина для ожижения воздуха. Такая сложность установки, каждый элемент которой вводит некоторые потери, в сумме и дает такую маленькую производительность и в го же время делает всю установку дорогой, громоздкой и мало надежной.
Поэтому, чтобы получить дешево обогащенный воздух, надо, главное, стремиться упростить эту машину, и результатом этого должен получиться удешевленный кислород при меньшем капиталовложении. Как это можно осуществить?
Первое, что подлежит упрощению, это та часть машины, которая делает холод, и вот почему. Для того чтобы ожижить воздух, его сжимают обычно до 220 атмосфер, а потом пропускают через детандер, где он производит работу и охлаждается. Этот метод очень хорош для маленького количества воздуха, порядка 200— 300 кубометров в час, где вопрос об экономичности не стоит остро. Но обогащать так количества воздуха порядка 100 000 кубометров в час, которые потребляют ТЭЦ и домны, это встречает большие затруднения.
Дело в том, что сжимать газ до 200 атмосфер можно только посредством поршня, двигающегося в цилиндре, и это также относится к расширению газа в детандере, а именно при больших количествах газа поршневые машины становятся очень дорогими и громоздкими. Тут те же проблемы, которые стояли лет 40—50 назад перед техникой получения механической работы из пара. Когда понадобилось получать десятки тысяч киловатт, то обыкновенная поршневая машина не могла уже выполнять задачу. Только паровая турбина, которая в десятки раз меньше по своим размерам, чем равносильная ей паровая машина, может дать экономично и надежно большие мощности. Можно почти с полной уверенностью сказать, что и для ожижения воздуха нужно перейти от поршневых компрессоров и детандеров к турбокомпрессорам и турбодетандерам. Но для этого надо найти метод ожижения воздуха при более низком давлении, при котором работают турбинные механизмы. Такие попытки делаются уже и во Франции, и в Германии, и у нас. Даже построены турбины, но они позволяют примерно только наполовину сократить размеры поршневых компрессоров в ректификационных установках, но все же они остаются нужны. С этими сложнейшими установками и получают ту затрату энергии 0,4 киловатта на кубометр чистого кислорода, о которой я говорил.
Два года тому назад, когда я изучал этот вопрос, я пришел к выводу, что одно простое, но существенное обстоятельство упускалось [из виду] при постройке турбинных машин для ожижения воздуха, и, приняв его, может быть, можно было бы отказаться от компрессоров и таким образом упростить и улучшить процесс обогащения воздуха.
Я поставил перед собой следующую задачу: осуществить машину, которая бы ожижала воздух, не прибегая к высоким давлениям и работала бы на турбине.
Здесь были сперва следующие трудности. Турбинами я никогда не занимался, знал их теоретически по книгам, поэтому я не чувствовал уверенности в себе и было бы неприятно, если бы одна из моих первых работ в Союзе была бы неудачной, поэтому я начал эту работу, не включая ее в официальный план работ института. Второе: хотя нашему институту и нужна была машина для получения жидкого воздуха, так как он является исходным продуктом для ожижения гелия и водорода, а наша промышленность нас снабжает жидким воздухом очень плохо (часты перебои, да и стоит он нам очень дорого — 60 000—70 000 рублей в год), но строить турбинный ожижитель для института было сопряжено со следующими затруднениями. Известно, что всякая турбина только тогда экономична, когда она работает с большим количеством газа. Происходит это оттого, что мощность турбины возрастает пропорционально ее объему, а большинство потерь увеличивается, как поверхность рабочих частей. Очевидно, что чем больше турбина, тем меньше отношение поверхности к объему и, следовательно, меньше относительные потери. Нашему же институту [нужна], сравнительно с промышленными масштабами, очень малая производительность, и, следовательно, турбина должна быть маленькой. Показать же на маленькой турбине справедливость моих идей еще труднее, и [это] заставило меня быть еще осторожнее.
Вот в чем заключалась моя идея, она исключительно проста. При конструировании прежних турбин, которые делали французы, немцы и Гипрогаз, в основу были положены принципы конструкции паровых турбин, и, по-моему, это было неправильно. Дело в том, что турбодетандер должен работать при —186 градусов [по Цельсию], а при этой температуре воздух становится тяжелее и его плотность во много раз превышает плотность пара. Поэтому, гораздо правильнее положить в основу конструкции турбины те принципы, на которых работает водяная турбина, т. е. использовать силы, возникающие при движении более тяжелой среды, поэтому при работе турбины не только использовать реакционные силы потока газа, но в кориолисовые силы[93]. На практике это достигается тем, что вместо аксиального пуска газа он делается радиальным. Можно показать теоретически, что такую турбину представляется возможным заставить работать с двойным перепадом давления и, по сравнению с прежними турбинами, при тех же потерях получать двойную мощность.
Два года тому назад мы взялись за эту работу, и, как всегда в исследовательской работе, затруднения пришли не с той стороны, откуда их ждали. Оказалось, что турбина при вращении в такой плотной среде, как воздух у точки ожижения, теряла свою устойчивость. Пришлось искать теоретические основания этой устойчивости. В библии современного турбостроения, [в] книге Стодолы (стр. 928, 6-е издание, 1924 г.)[94] говорится «что теория этих явлений чрезвычайно запутана и не разрешена...». Но, не имея теории, нельзя было найти пути для того, чтобы добиться устойчивости. Строя модели и экспериментируя, после 8—9 месяцев работы нам удалось найти теорию этого явления. Тогда все стало просто и легко, и, [когда мы] сделали соответствующие приспособления, турбина стала устойчива. Насколько наша турбина устойчива, видно из следующего: край ротора делает более 200 метров в секунду, т. е. скорость полета дроби из двустволки, а зазор между ротором и кожухом при этом немногим больше 1/10 миллиметра. Между прочим, эти методы стабилизации роторов, возможно, окажут влияние и на большие паровые турбины, там тоже полезно иметь большую устойчивость вращения ротора, чтобы уменьшить зазор между лопатками и кожухом, так как это повысит коэффициент полезного действия.
93
Сила Кориолиса (по имени французского математика и инженера Г. Кориолиса (1792—1843) — сила инерции, с помощью которой учитывается влияние вращения системы отсчета на относительное движение материальной среды.
94
Речь идет о книге Л. Стодолы «Dampf- und Gastur-binen) («Паровые и газовые турбины»).