В ту пору многим казалось абсурдным осушение коптильного газа водой. А ведь известны системы кондиционирования, где снижение влажности воздуха достигается путем его орошения холодной водой. Возьмите стакан и подышите в него. Тут же стенки запотеют. Это выпала вода из нагретого в легких воздуха. Из дыма при охлаждении тоже выпадает влага.
И все же решиться на то, чтобы на этом явлении строить дымогенератор, было трудно. Одно дело знать назубок "I -- d диаграмму", где каждому физическому состоянию газа соответствует своя точка выпадения росы, другое -- уверовать в нее настолько, чтобы осушить воздух в камере орошения. И тем не менее главный конструктор ЦПКТБ Азчеррыба заслуженный изобретатель УССР А. Баяндин и лауреат Государственной премии УССР Б. Гергель совместно с автором этих строк решили сделать мокрую дымоочистку. Результат не замедлили сказаться. Партии морской рыбы, прошедшие через коптильную камеру, были безукоризненны.
Специалисты подсчитали, что кубометр дыма из нового генератора значительно дешевле, чем из старого.
Рыба получается нежно-золотистой, без малейшего привкуса горечи, которую дают частицы смолы, и никакие выбросы искр теперь ей не страшны. На этот водно-инерционный (ВИ) способ было получено авторское свидетельство No 749374 (рис. 3).
Внеплановое исследование, которое провели сотрудники Института физики металлов по просьбе "Уралмаша", обернулось весомой прибавкой в фонд экономии редких металлов.
Заточник В. Ходов принес в институт горстку кусочков твердого сплава, содержащего вольфрам, и сказал:
-- Мы старательно прибираем эти кусочки, потому что тонна их стоит более 4500 руб. Но есть на заводе отходы вольфрамового сплава еще более значительные-- пылевидные, которые получаются при заточке резцов. Жаль, нет надежного "пылесоса" для сбора этой дорогой пыли.
Специалисты по магнитной сепарации пыли испытали образцы, принесенные в институт. Оказалось, что остатки твердосплавных резцов обладают сильным ферромагнетизмом. Значит, и частицы пыли должны иметь это свойство. Через несколько недель ученые передали рабочим "Уралмаша" мощный магнит. Магнит улавливает металлическую пыль с высоким содержанием вольфрама.
Заточникам, работающим с твердосплавными резцами, даются годовые задания по сбору вольфрамовых отходов. Есть задание и у В. Ходова, обслуживающего два станка. Используя способ, предложенный учеными, В. Ходов превысил норму годовой экономии редкого металла -- собрал для переплавки более 700 кг вольфрамовой пыли.
О КАКИХ ТРУБАХ ТРУБИТЬ НЕ НАДО
Одному художнику для заводского клуба заказали картину, на которой нужно было изобразить производственный пейзаж.
Долго ждали, наконец творение кисти профессионала высшего класса было водворено в фойе клуба и завешено сверху белой материей. Собрались руководство предприятия, передовики производства, общественники. Заведующий клубом дернул за веревочку -- и занавес упал. Но что это? Лица заказчиков вытянулись, как от горького лекарства, После затянувшейся паузы директор завода обратился к художнику: "Нам хотелось оставить будущим поколениям правдивую картину предприятия. Пусть, живя в прекрасном завтра, они вспоминают и нас, построивших этот гигант индустрии. А здесь что? Сплошные бесхозяйственность и разгильдяйство! Этот густой дымище из труб цеха обжига! Перед людьми стыдно. Интересно, кто был начальником смены, когда вы это рисовали?!"
Густота дыма многое говорит опытному взгляду. Хорошо ли ведется процесс горения, включены ли газоочистные устройства, как они налажены и правильно ли эксплуатируются. Газ на выходе из трубы имеет определенную температуру и скорость. Чем выше температура, тем меньше плотность газа и, следовательно, больше его подъемная сила. Если день не очень ветреный, газ из трубы поднимется на некоторую высоту, там потеряет свою скорость и развеется в горизонтальном направлении. Струя газа в результате диффузии расширится и концентрация в ней пыли и других вредных веществ уменьшится.
В ветреную погоду газ при выходе из трубы сразу резко отклонится и начнет двигаться параллельно земле на уровне устья дымовой трубы. Если труба недостаточно высока, частицы вредных веществ быстро осядут на окна жилых домов и на зеленые насаждения.
При высоких дымовых трубах газ снизится до приземного слоя на значительном расстоянии от завода. Причем, зная начальную концентрацию в нем вредных веществ, можно рассчитать, какой высоты должны быть дымовые трубы, чтобы осевшие газы не содержали вредных частиц больше предельно допустимой нормы.
Не одно тысячелетие известна дымовая труба. Еще во дворцах древних инков были дымоходы для эффективного удаления продуктов сгорания топлива и обогрева стен, в толще которых их прокладывали. Но до сих пор трубы не перестают совершенствовать. Все новые и новые заявки на изобретения поступают во Всесоюзный НИИ государственной патентной экспертизы. Цели у изобретателей разные. Одни ставят перед собой задачу повыше выбросить дым, другие -- максимально использовать его тепло, третьи -- повысить производительность самих труб. Нужны высокоэффективные трубы, ибо если нет дыма без огня, то не должно быть и дыма из труб. Газ из них должен выходить очищенным, выбрасывать его следует в высокие слои атмосферы, и при этом трубы обязаны обеспечивать нормальную работу топки котла, промышленной печи или мартена. Словом, необходимы экологически чистые трубы.
"Экологически чистая труба". Казалось бы, нет логики в этом выражении. Как "сухая вода" или "белая сажа"... Испокон века иронизировали: "Чист, как трубочист", или: "Из какой трубы ты выскочил?", "Вижу, дело наше -- труба"...
Люди придумали трубы, только узнав определенные физические закономерности. Теперь же исследователи стараются глубже изучить жизнь дымовой трубы, чтобы сделать ее экологически чистой. А это не малое дело, потому что и большая экология во многом зависит от частных решений.
Дымовая труба работает потому, что внутри нее температура выше, чем снаружи. Горячий дым поднимается вверх, ибо его удельный вес меньше удельного веса окружающего воздуха. А если через трубу удалять не дым, а обыкновенный воздух? Как быть в таком случае? Ставить вентилятор? Но он дорог. И вот пропадают фрукты и овощи. Гибнет с таким трудом собранный урожай. Многие склады и овощехранилища нуждаются в проветривании, а принудительной вентиляции не имеют.
Вытяжная шахта, предложенная Н. М. Трипуковым, выполнена в виде трубы в трубе. Наружная труба сделана из прозрачного для инфракрасных лучей материала. Стенки внутренней железной трубы нагреваются солнцем до 40--50░ и передают тепло содержащемуся в ней воздуху. Возникает тяга, с помощью которой без затрат электроэнергии вентилируется помещение.
Чем эффективней удаление спертого воздуха, тем чище сам выброс, тем чище окружающая экологическая среда. Нормально вентилируемое овощехранилище имеет чистое дыхание, не отравляющее окружающую среду запахами, да и овощи в нем не гниют.
До сих пор теплообменники всегда ставили ниже дымовых труб. Инженера, который бы решил поставить водяной экономайзер и воздухоподогреватель над трубой, сочли бы не в своем уме: затруднена эксплуатация, завышена стоимость монтажа и, вообще, все не по традиции. А ведь идея эта "достаточно безумна" для того, чтобы всерьез о ней поразмыслить... Для того чтобы труба имела хорошую самотягу, нужно чтобы температура внизу у нее была выше, чем вверху. Выходит, что для самотяги выгодней выпускать из котлоагрегата горячий газ? Следовательно, использование тепла уходящих газов для подогрева воды и дутьевого воздуха невыгодно? Но мы-то знаем, что это не так! Чем ниже температура уходящих газов, тем выше коэффициент полезного действия котлоагрегата. Выход из замкнутого круга нашли инженеры Укргипромеза, перенесшие поверхности нагрева на выход ствола дымовой трубы. При такой компоновке и самотяга возросла, и коэффициент полезного действия не снизился.
Этот же прием можно использовать и для установки газоочистительного аппарата, перенеся его снизу на верх трубы. В частности, так и поступили инженеры Московского чугунолитейного завода имени Войкова, установив на самом верху вагранок оросительные камеры, в которых промывается уходящий газ. Завод этот передовой в борьбе за чистоту воздушного бассейна Москвы. Борьбе за экологически чистую окружающую среду там уделяют максимум внимания.
Какая на дворе погода -- можно узнать и не включая радио. Если дым из труб выходит столбом, значит, морозно и тихо. Была бы такая погода всегда, не потребовались бы и высокие трубы. Но, увы, высокая влажность, ветер, низкая облачность, осадки -- все это в ущерб самотяге. Порой в заводских поселках образуется такой смог, что даже днем видимость не превышает нескольких метров. Все, чем люди напитали атмосферу, она начинает выдавать обратно: изгарь, частицы топлива, смолы и сажи -- все это хлопьями осаждается на земле.
Вот если бы научиться пускать дым кольцами! Бывают ведь ловкачи, которым ничего не стоит, посасывая трубочку, делать какие-то неуловимые для глаз движения языком и губами и выпускать в воздух кольца дыма. Не исключено, что это единственно полезное следствие курения табака. Конечно, имеется в виду человек, который не только способен пускать дым колечками, но и задуматься о причинах, их образующих. Знаменитый ученый Р. Вуд построил ящик для пускания больших дымовых колец и использовал его при демонстрации опытов перед студентами. Ящик был сделан в виде куба со сторонами в 1 м. Одна из стен ящика была из клеенки, поддерживали ее две перекрещивающиеся резиновые трубки, что придавало ей упругость. Напротив клеенки в стене ящика имелось круглое отверстие. Дым имитировался с помощью двух соединенных резиновыми шлангами колб с соляной кислотой и нашатырным спиртом. Взаимодействуя, кислота и аммиак давали туман, состоящий из мельчайших частиц нашатыря. Когда ящик наполнялся этим туманом, Вуд сильно и резко ударял по стене, затянутой клеенкой, и из отверстия вылетало большое кольцо. Вот как он писал об этом: "Силу воздушных колец можно показать таким образом. Направим их на плоский картонный ящик, стоящий на некотором расстоянии от установки. При этом ящик сразу же переворачивается или даже падает на пол. Ударом вихревого кольца можно погасить пламя газовой горелки. После некоторой тренировки можно научиться выпускать два кольца быстрой очередью, причем так, чтобы второе кольцо летело с несколько большей скоростью, чем первое. Тогда второе кольцо нагоняет первое, ударяется о него и отскакивает, оба кольца остаются целы и превращаются в вибрирующие эллипсы. Это показывает, что газовый вихрь обладает упругостью".
Если бы применить эти знания на практике. Хотя бы для того, чтобы создать дымовую трубу, которая выбрасывала бы вредные газы в самые верхние слои атмосферы!
Самые большие современные трубы (до 300 м) не отводят дым выше 750 м. За рубежом ведется интенсивная работа по созданию эффективных устройств, увеличивающих высоту выброса газов. В США и Англии испытываются трубы, выбрасывающие дым в форме колец с помощью автоматической системы клапанов. Таким путем сформированные кольца дыма способны подняться на высоту до 3 тыс. м, где они свободно рассеиваются. Этим может обеспечиваться безопасная для живой природы концентрация ядовитых веществ.
В конструкции трубы, на которую выдано авторское свидетельство No 319725, для увеличения выброса газов применена эластичная колеблющаяся диафрагма, благодаря чему газы могут приобретать форму колец и
большую скорость движения по оси колебания диафрагмы, т.е. вверх.
Устройство с мембраной, помещенное в вершине трубы, увеличивает высоту выбрасывания газов. Конструкция довольно проста, ею можно оборудовать все существующие трубы без сложных переделок и больших капитальных вложений.
Принцип действия, напоминающий опыт Вуда, легко проследить на модели, состоящей из обычной консервной банки, у которой с одной стороны в донышке по центру вырезано отверстие диаметром 2--2,5 см, а с другой-- донышко заменено полиэтиленовой пленкой. На боковой поверхности банки -- отверстие для тлеющей папиросы. Когда в банке наберется дым, по донышку из полиэтиленовой пленки слегка ударяют ладонью. Тогда из отверстия в жестком донышке вылетают кольца и столбики дыма и быстро устремляются вверх.
Особенность предложения состоит в том, что ускоритель движения газов находится на выходе из трубы, и независимо от того, есть ли на входе в трубу вентиляторы или нет, газы получают большой запас кинетической энергии для движения вверх; энергия не тратится на преодоление сопротивления у стен внутренней поверхности трубы и вся используется на выбрасывание газов, обеспечивающее создание колец.
Дутьевыми вентиляторами, применяемыми в трубах, этого эффекта достичь невозможно без использования сложной системы клапанов. Клапаны же обладают невысокой надежностью, за ними нужен постоянный уход, нужен отдельный привод. Понятно, почему они не получили распространения.
В предлагаемой конструкции клапанов нет, и в целом надежность устройства может быть выше.
Резкого изменения диаметра в устье трубы не будет: площадь сечения здесь равна или лишь немного отличается от суммарной площади окон на боковой поверхности цилиндра.
Неоднократно изобретатели пытались сконструировать дымовую трубу, позволяющую посылать дым в заоблачную высь. Но пока что достаточно производительной, эффективной и экономически приемлемой установки так и не построено. Однако опытные установки работают, и сдвиги в этом деле есть.
Турбулизировать дым на выходе из трубы с тем, чтобы сделать ее дальнобойной,-- такая задача достижима. Ленинградским зональным научно-исследовательским и проектным институтом типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий предложен насадок к вытяжной трубе, состоящий из прикрепленных к устью трубы участков воздуховодов. Попадая в них, ветер закручивает дымовой поток и способствует его подъему. Однако и здесь имеется недостаток: чтобы насадок действовал, нужен ветер.
Представьте ситуацию: построили завод, трубу установили, все как следует, а через год-другой рядом с заводом выросло многоэтажное здание. Мала стала труба. В верхние этажи дым попадает. И на этот случай есть изобретение. Эжектирующее устройство дымовой трубы -- это тоже насадок. От предыдущего же он отличается лишь тем, что действует не за счет ветрового напора, а от вентилятора, смонтированного снаружи трубы. Вентилятор засасывает уличный воздух и гонит вверх в виде прозрачного кольцевого канала, внутри которого движется дымовой поток. Невидимые глазом стенки трубы не дают дыму отклониться от первоначально полученного направления. Жителям соседней многоэтажки дым стал не страшен. Один недостаток -- по нему стало невозможно определить, какая погода на улице. Независимо от влажности и температуры воздуха дым идет столбом.
Чтобы дождь и снег не попадали в вытяжные трубы, над ними ставят зонты. Преграда надежная, но... Не пропуская внутрь трубы осадки, зонт тормозит и выходящий из нее лоток воздуха. Вроде бы мелочь, а за год по заводу сотни киловатт набегают только на преодоление сопротивления зонтов. Да и пыль, ударяясь о зонт, оседает на крыше, загрязняя территорию завода. В Московском научно-исследовательском и проектном институте типового и экспериментального проектирования зонты решили заменить набором вертикальных и наклонных пластин. Причем нижние наклонные пластины
выполнены со сливными желобками. Осадки, собираясь на наклонных пластинах, выливаются по лоткам наружу. Сами же наборы пластин создают воздушному потоку меньшее препятствие, чем зонт. Да и пыль при такой конструкции трубы на крыше не оседает.
Однако есть у этого изобретения и свои недостатки. Желобки наклонных пластин быстро забиваются мелкой пылью, и расход металла на их изготовление великоват. Есть другой, не менее эффективный, но более простой способ предотвратить оседание на крыше пыли, ударяющейся о зонт выбросной трубы. Никаких особенных изменений в конструкцию трубы для этого вносить не нужно. Надо лишь прикрепить к ее устью полый усеченный конус, который закроет зонт по высоте, а между внутренними стенками основания конуса и зонтом оставить зазор для того, чтобы вентиляционные выбросы шли вверх. Атмосферные осадки сливаются наружу через отверстия в нижней части усеченного конца.
Каких только флюгеров не бывает на свете. "Старый Томас" стал даже "визитной карточкой" Таллина. Есть флюгера и в виде поворачивающегося колена, через которое поток ветра эжектирует воздух, собравшийся в помещении. Изобретатель В. Я. Виноградов в этом направлении сделал шаг вперед. Его дефлектор по совместительству является еще и шибером. Рычагом со штоком его можно поднимать вверх и опускать, закрывая трубу. Иногда трубу нужно закрывать, но не в переносном, а в прямом смысле.
Кончилась смена, рабочие разошлись, а трубы, как это ни печально, продолжают действовать. Из тех, что повыше, теплый воздух самотягой выходит в атмосферу, а через низкие засасывается с улицы холодный. Ржавеет от холода оборудование, выстуживается помещение. На одну трубу среднего диаметра расходуется до 50 кг угля в неделю! Выход один -- для того чтобы сэкономить тепло, нужен очень легкий и надежный клапан, который бы автоматически закрывал трубы. Условия задачи следующие: в открытом положении клапан не должен создавать сопротивление для прохода воздуха, быть недорогим, а монтаж его нетрудоемким.
Инженеры Московского пусконаладочного управления Минлегпрома СССР решили этот вопрос следующим образом: между зонтом и срезом трубы установили полистироловый диск с четырьмя проушинами, охватывающими стойки зонта. Когда включается вентилятор, диск под действием напора воздуха поднимается вверх и прижимается к зонту. Там он и удерживается все время, пока работает вентилятор. Как только он перестает работать, диск падает и надежно перекрывает воздуховод, не давая холодному воздуху проникать в помещение. Для удобства монтажа проушины сделаны разрезными. Один слесарь за день может смонтировать более десяти таких клапанов и сберечь машину угля в год. Цена же полистироловому диску -- копеечная.
Бич окружающей среды --мусор, образующийся вокруг жилья. Мусор сжигают, это известно каждому. А вот как это делается? Горение, прямо скажем,-- неорганизованное. Просто поджигают одну кучу за другой, ядовитый дым стелется над свалкой,- а потом на выгоревшее место самосвалами привозят новые сотни тонн мусора. Конечно, так избавляются от мусора не во всех городах. Там, где защите окружающей среды уделяется достаточно внимания, сжигание отходов организовано лучше. Колосниковая решетка, дутьевой вентилятор и дымовая труба обязательно применяются в процессе сжигания. Без них нормального горения не получишь. Но возникает вопрос, где расположить все эти сооружения. Постройка эстакады для подъезда автомобилей, огромной печи с системой золоудаления обходится слишком дорого.
Проект печи для сжигания отходов Б. В. Коткина и Ю. И. Терентьева (авторское свидетельство No 976222) предельно упрощен. По сути дела, вырытая в горном склоне шахта, в которую сбрасывается мусор, является началом дымовой трубы. Шахта -- одновременно и бункер-накопитель и топка, под ней же, в боковой штольне, расположен дутьевой вентилятор, подающий необходимый для поддержания горения воздух. Перед трубой установлены газоочистные устройства, предотвращающие выброс вредных веществ в воздух. Зола, образующаяся при сжигании мусора,-- прекрасный наполнитель для строительных блоков.
Отсасывать из трубы выбросные газы -- дорогое удовольствие. Для удаления больших объемов такие вентиляторы не годятся. А ведь вентиляционникам зачастую приходится иметь дело с сотнями тысяч кубометров воздуха, который нужно протянуть через трубу... Особенно большие объемы воздуха нужно удалять из горных выработок.
Подсчитано и доказано, что полезные ископаемые выгоднее всего добывать открытым способом, из карьеров. Копай и копай себе на здоровье, в шахту лезть не нужно и крепи не требуются... Однако и здесь есть свои отрицательные стороны. Работа "на свежем воздухе" на самом деле оборачивается своей полной противоположностью. Пыль и выхлопные газы от автомобилей, которые вывозят полезные ископаемые из карьера, скапливаются внизу. Строить обеспыливающие установки в карьере неудобно. Ведь длина аспирационных воздуховодов будет составлять многие сотни метров. Построить огромную трубу, которая вытянет газ из карьера и выбросит его в верхние слои атмосферы? Идея вроде бы и неплохая, но... Карьер на месте не стоит, а по мере вырабатывания пластов движется, увлекая за собой и все основные источники пылегазовыделений. А ведь можно построить передвижную трубу, высота которой практически будет неограниченной Подвесить к дирижаблю воздуховод из эластичного материала, и дело с концом. Моторы такому дирижаблю не потребуются, удерживаться на месте он будет при помощи четырех расчалок. Тракторы, прикрепленные к тросам, отбуксируют трубу куда надо. Госкомитет по делам изобретений и открытий выдал по этой заявке авторское свидетельство No819357.
Для удаления газов и одновременной их очистки от пыли необходимо очень простое и эффективное устройство, не требующее больших затрат электроэнергии. А если применить эжектирующее устройство дымовой трубы для того, чтобы с его помощью улавливать несгоревшие частицы? Оказывается, это возможно! Нужно только повернуть насадок трубы вниз. Частицы, идущие по трубе с большой скоростью, обладают инерцией,
которой достаточно для того, чтобы при повороте газового потока на 180░ они продолжали двигаться по прямой. Изобретение под названием "Устройство для очистки потока газа и пыли" использует именно этот эффект. Сразу за срезом опускного участка трубы установлен конус с отверстием, в которое и пролетают по инерции твердые частицы, а для того чтобы очистку сделать эффективной, вокруг пылевого потока создается еще завеса из чистого воздуха. Как и в эжектирующем устройстве, здесь образуется прозрачный кольцевой канал, препятствуюший проникновению пылинок из грязного потока в атмосферу.
Щель, через которую в корпус пылеуловителя проникает чистый воздух, долгие годы специалисты считали вредной. Ведь воздух, примешиваясь к очищаемому газу, балластирует его -- увеличивает объем, следовательно, и увеличивается расход электроэнергии на транспортировку. Но если так рассуждать, то и вода вредна в системе газоочистки! А ведь скоро 100 лет, как запыленный поток очищают путем орошения водой. Метод эффективный, но... связанный с решением другого вопроса: куда девать отработавшую в пылеуловителе воду. В этом отношении воздух, подаваемый в корпус пылеуловителя, намного удобней. В отличие от воды он ничего не стоит, и его сброс можно осуществить прямо в атмосферу. Главное, чтобы он был чист.
В последние годы появились новые устройства для улавливания пыли -- вихревые. В их корпуса через кольцевые щели с направляющими лопастями подается воздух, создающий вихрь, который собирает пылинки в общий концентрированный поток. В природе такие вихри можно наблюдать в жаркий день на пыльной дороге. Они возникают в восходящем токе воздуха, живут несколько секунд и исчезают. В вихревом пылеуловителе вращающийся поток существует за счет вторичного воздуха, создающего "подкрутку", пыли. Пылевой вихрь, которого еще не так давно боялись как порождения нечистой силы, стал служить охране природы. И теперь если сказать про какой-нибудь завод, что у него "дым пожиже, а труба пониже", чем у соседей,-- это значит похвалить его. Но разговор о вихревом эффекте на этом не кончается, мы еще не раз вернемся к нему.
НЕМНОГО О ВИХРЯХ
ВИХРЕВЫЕ "ДЕМОНЫ МАКСВЕЛЛА"
В 1858 г. Г. Гельмгольц разработал теорию круговых потоков в идеальной жидкости и пришел к выводу, что в центре ядра существует некий цилиндрический столбик, который вращается подобно твердому телу. Это открытие дополнил Ж. Ранк. Он установил, что в высокоскоростном вращающемся потоке происходит "самопроизвольный отсос тепла" от воздеосевых слоев вихря к периферийным. При этом температура первых понижается, а вторых повышается по сравнению с первоначальным уровнем.
Автор открытия не сумел дать ему теоретического обоснования. Он изобрел вихревой холодильник и эжектор для отсоса газов, но добиться сколько-нибудь приемлемого коэффициента полезного действия не смог. Его современники проводили аналогию между вихревым разделением энергии и работой "демона Максвелла", полагая, что в вихревой трубке происходит сортировка горячих (быстрых) и холодных (медленных) молекул. Действительно, в вихревом потоке одна его часть нагревается, а другая охлаждается, но убедительных данных в пользу гипотезы о сепарации на молекулярном уровне до сих пор нет. Некоторые современные ученые придерживаются мнения о взаимодействии вихрей, в соответствии с которым действие механизма вихревого энергоразделения выявляется в макроскопических масштабах -- при турбулентных пульсациях в поле центробежных сил последовательные многократные сжатия и расширения воздуха в вихре приводят к появлению радиального перетока тепла от оси к периферии. Однако и эта гипотеза до сих пор не имеет достаточно веских научных обоснований. Как бы в напоминание об этом председатель координационного совета по вихревой технике профессор А. П. Меркулов перед началом заседаний спрашивает собравшихся, не привез ли с собой кто-нибудь теоретическое обоснование вихревого холодильника. Но... Пока что имеются чисто практические достижения.
Как это часто бывает, отсутствие четкой теоретической базы на долгие годы задерживает применение изобретений на практике. "Техника преследует пользу, а наука -- истину", но значит ли это, что нужно воздерживаться от замечательных изобретений, созданных на основе вихревого эффекта? Многие советские и иностранные инженеры ведут разработки в этом направлении. Заведующий лабораторией вихревой техники заслуженный изобретатель Латвийской ССР кандидат технических наук А. И. Азаров разработал вихревой холодильник, коэффициент полезного действия которого приближается к коэффициенту полезного действия компрессорного, хотя его вес .в несколько раз меньше. Сейчас аппараты уже выпускаются серийно для использования в транспортной технике: в кабинах тепловозов, электровозов и автомобилей. Вихревые холодильники хороши для предотвращения перегрева резцов, обрабатывающих особо твердые сплавы, а также для кондиционирования воздуха в кабинах крановщиков.
60% всех патентов, выданных на усовершенствование вихревых трубок во всем мире, принадлежит изобретателям из СССР. Здесь не только холодильные машины и эжекторы.
У ряда славянских народов бытовало поверье, что в вихре обитает нечистая сила и стоит бросить в него серп, вихрь распадется, и только капли росы останутся на серпе. Это и есть кровь дьявола. В балладе "Кубок" поэт В. Жуковский пишет о том, что юноша паж нырнул в море за кубком и попал в водоворот:
И вдруг мне навстречу поток;
Из трещины камня лилася вода;
И вихорь ужасный повлек
Меня в глубину с непонятною силой...
И страшно меня там кружило и било.
С точки зрения гидроаэродинамики, обе ситуации вполне достоверны. Попав в .центр вихря, серп мгновенно охлаждается и после разрушения смерча тут же запотевает, капельки росы -- это конденсат из воздуха. Вихревой же поток, увлекший пажа, как песчинку, вниз, также не идет в разрез с наблюдениями ученых. В воде действуют такие же процессы, как и в воздухе. Далее Жуковский пишет, как паж сначала зацепился за подводную скалу, а потом оттолкнулся и попал в центр вихря: "То было спасеньем: я схвачен приливом и выброшен в верх водомета порывом". Действительно, в эпицентре вихрь имеет восходящий поток.
Роберт Вуд для иллюстрации лекций подогревал на газовых горелках противни с тонким просеянным песком. При этом имитировались смерчи, возникающие в пустынях. Горячий поток воздуха образует вихревую трубу и затягивает в нее пыль, как "твердое тело", которое Гельмгольц в своих трудах назвал вихревым шнуром. Расположив в придорожной пыли несколько тангенциально направленных сопел, можно подключить их к компрессору и искусственно создать смерч, который, возникнув, какое-то время продержится над соплами, вберет в себя некоторое количество пыли и рассыплется.
Для поддержания "работы" смерча необходимо огромное количество энергии. В марте 1984 г. над штатом Иллинойс (США) прошел вихрь, именуемый торнадо. Его жертвами стали 24 человека. Камиль Фламмарион в своей работе "Атмосфера" рассказывал о смерче так: "В числе крупных метеоров, нарушающих видимый порядок и гармонию природы, в числе явлений, приносящих ужас и отчаяние всюду, где они показываются, одно из них замечательно своими странными гигантскими формами... оно, по-видимому, повинуется... неизвестным и как бы противоречивым законам, которые управляют им самим и, наконец, бедствиями, причиняемыми им. Эти бедствия сами по себе сопровождаются особыми обстоятельствами, столь странными, что причины их нельзя смешать с другими воздушными явлениями, губительными для человечества. Этот столь грозный и необычайный метеор, к счастью редкий в наших странах, обозначается в наше время общим названием смерча".
В то время метеором называлась не только короткая вспышка влетающего в земную атмосферу небесного тела, как трактуют современные словари, но, вообще, всякие воздушные явления: дождь, туман, бури и даже северное сияние и радуга. Отсюда и метеорология.
Не было почти ни одного ученого, который бы не обращался к этой науке в своих исследованиях. Благодаря метеорологии были накоплены первые знания об электричестве. Опираясь на знания, почерпнутые из наблюдений за воздушными явлениями, М. В. Ломоносов написал диссертацию "О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном". Эти знания лежат в основе теоретических обоснований служения атмосферных явлений естественной вентиляции в промышленности.
Фламмарион, размышляя над смерчами, высказал в той же "Атмосфере" и такое предположение: "В настоящее время мы можем обозначить с точностью природу и характер его, говоря, что смерч есть столб воздуха, обыкновенно быстро вращающийся около самого себя и перемещающийся сравнительно медленно, так как можно следить за его перемещением. Причиною и двигательною силою этого вращающегося столба воздуха является, по-видимому, электричество". В этом осторожном "по-видимому"-- добросовестность исследователя, который воздержался от умозаключений до тех пор, пока сам не убедился в природе явления на опыте. Впоследствии были и иные суждения.
Вот сохранившиеся благодаря стараниям другого французского ученого Жана Пельтье описания Двух смерчей, наблюдавшихся к югу от Парижа днем 16 мая 1806г. Первый -- начался около часа и имел не менее 4 м ширины у основания близ облака. Вершина этого конуса, доходящая до уровня земли, пульсировала, то увеличиваясь, то, по мере вытягивания в сторону, сужаясь до толщины руки. Этот смерч чрезвычайно медленно продвигался к югу, затем к западу и юго-западу и показался над последними домами предместья Сен-Жак, а затем над долиной Монружа, Монсури и Глясьер. Он был серовато-белого цвета обыкновенных облаков и отчетливо выделялся на фоне темных туч. Он представлял собой длинную полупрозрачную трубу, в которой были видны поднимающиеся пары.
Наблюдавший это явление профессор Дебрен сравнил их движение с потоками дыма, движущегося в стеклянной печной трубе. Особенно поразило профессора, что пары поднимались наиболее интенсивно в нижней части смерча на расстоянии приблизительно 1 км от земли. По мере того как облако, составлявшее верхушку смерча, продвигалось, сам смерч изгибался и вытягивался, в какой-то момент достигнув длины 3 км. Потом он наклонился так, что его угол составил 20░. Тогда его хвост оказался над Аркюэлем, а голова -- над Шатильоном. Все явление наблюдалось в течение 45 мин, после чего смерч исчез в облаке, давшем ему начало. Однако через 20 мин образовался новый смерч. Он имел сероватый цвет, и по всей его длине наблюдалась светлая трубка, по которой поднимались пары. Этот смерч прошел на расстоянии 1600--2000 шагов от первого и просуществовал 25 мин. Раздался сильный гром, из облака, находившегося поблизости от смерчей, упали крупные капли дождя и тут же, вслед за ними, градины величиной с орех. Верующие люди, наблюдавшие это явление, восприняли появление смерчей как знамение божье.
Смерчи наблюдались много раз. Некоторые из них приносили и материальный ущерб. Особенно драматические последствия вызвал смерч в Монвиле 19 августа 1845 г. Был тихий и очень жаркий день. Вдруг вихрь страшной силы обрушился на долину, проходящую от Мароммы до Малонэ и Клера. Жертвой смерча оказались корпуса бумагопрядильной фабрики Монвиля. Они были скручены и опрокинуты, как карточные домики. Сотни работниц были погребены под развалинами.
В 1927 г. смерч появился над озером близ Серпухова. Как гигантский насос, он вобрал в себя воду вместе с рыбой и выбросил все это за городом. В 1940 г. смерч преподнес подарок жителям села Мещеры Горьковской области -- колотые дрова и старые монеты.
Долго не забудет средняя Россия огромной силы смерч, пронесшийся над Ивановской областью. Это произошло 9 мая 1984 г. Смерч шел со скоростью 100 м/с с нагрузкой около 8 т/м 2. В деревне Беляницы, расположенной в 6 км от Иванова, были разрушены здания, с корнями вырваны вековые деревья. Погибло 1,5 тыс. га леса.
По сведениям, распространенным агентством "Ю. Сэньюс энд Уорлд рипорт" из Вашингтона, смерчи, именуемые в тех местах торнадо, иногда достигают скорости 130 м/с. Наиболее часто они возникают в Техасе, Оклахоме, Канзасе. В одном только апреле 1984 г. было зарегистрировано около 450 торнадо, что более чем в 2 раза превышает обычное их число в это время года. Они стали причиной гибели по меньшей мере 106 человек. В среднем над территорией страны проносится ежегодно около 700 смерчей. В 1983 г. их было 931. По мнению некоторых исследователей атмосферных явлений, за последние 30--40 лет торнадо зарождались с десятилетними циклами. На 1984 г. пришелся пик очередного такого цикла.
То же агентство сообщило: "Хотя почти невозможно предсказать, где и когда зародится следующий смерч за последнее десятилетие учеными немало сделано в этом направлении. Так, недавно был создан специальный радар, позволяющий зарегистрировать изменения в скорости и направлении ветра, которые могут привести к торнадо". И все же до последнего времени из-за неожиданного появления смерча принять действенные меры для спасения жизни людей невозможно. По этой же причине не собраны достаточно убедительные данные об основных параметрах смерчей.
Возникновение торнадо связано с грозами, во время которых развиваются мощные кучевые облака, охватывающие небольшую территорию-. При этом, как утверждает английский метеоролог Дж. Вайсберг, начинают действовать два слоя воздуха, сильно различающиеся по температуре, влагосодержанию, плотности и характеру ветра. В результате нарушается равновесие этих слоев. Холодный воздух начинает опускаться, вытесняя теплый, а теплый поднимается по сложной криволинейной траектории. При этом возникает восходящий вихрь. Сначала все это происходит над небольшой площадью земли, затем к вихрю подсасываются граничащие с ним слои воздуха и вовлекаются в восходящее движение, достигающее вершины вихря. В диаметре торнадо достигает 400м и может пройти путь до нескольких десятков километров. 26 мая 1917 г. торнадо, пройдя 469 км над штатами Иллинойс и Индиана, произвел там сильные разрушения. Он существовал 7 ч 20 мин и двигался со скоростью курьерского поезда. Другой торнадо в 1931 г. в штате Миннесота поднял в воздух железнодорожный вагон с 117 пассажирами, перенес его на 24 м и без повреждений опустил в кювет. Никто из пассажиров не пострадал.
Как и все циклонические явления, связанные с вращением наружных слоев воздуха, торнадо в середине имеет "глаз", в котором образуется вакуум.
А теперь попробуйте представить себе работу искусственно образованных смерчей и торнадо средней мощности. Не нужно было бы строить дымовых труб. Созданный над выбросным патрубком дымососа смерч поднимал бы вверх на тысячи метров описанную Фламмарионом полупрозрачную трубку, по которой с огромной скоростью потянулся бы дым. Смерч диаметром чуть побольше можно применить для вентиляции открытых карьеров. А на участках, где производятся сварочные работы, такие смерчи или торнадо просто необходимы. Они бы мгновенно избавляли сварщиков от угарного газа, аэрозолей марганца и других вредностей.
С давних пор инженеры начали приручать циклонические явления. Тот же Жозеф Ранк, когда исследовал лабораторную модель циклона, нашел в ней все те же качества, что и в одноименных природных явлениях: снижение давления и температуры в центре, повышение на периферии.
А вот что писал В. Майер: "Смерч -- одно из самых грандиозных и загадочных явлений природы. Энергия его настолько велика, что почти никто и ничто не может выдержать схватку со смерчем. Каким образом смерч переносит тяжелые предметы порой на весьма значительные расстояния? Как он образуется? На эти и многие другие вопросы современная наука не в состоянии дать исчерпывающих ответов". Далее предлагается самим читателям сделать водяную модель смерча в стакане воды, на дне которого установлен микроэлектродвигатель, используемый в детских игрушках. Нужно только облепить его снаружи пластилином, чтобы в него не попала вода, а на валик надеть латунный диск. Провода от двигателя выводятся наружу к батарейке от карманного фонаря. Остается налить на воду слой подсолнечного масла и включить ток. Диск начнет вращаться и увлечет за собой жидкость. Через некоторое время в ней образуется воронка -- смерч в стакане воды...
В океане также возникают вихри, подобные атмосферным циклонам, антициклонам и даже торнадо. Это колоссальные массы воды диаметром в десятки и даже сотни километров. Природа возникновения этих вихрей тоже пока не выяснена. Но интересно, что к югу от Гольфстрима водяные вихри вращаются по часовой стрелке, а к северу -- против часовой стрелки. Торнадо же и другие атмосферные циклонические системы, возникающие в северном полушарии, вращаются против часовой стрелки, а в южном -- по часовой. Громадные ветро- и гидроэлектростанции можно установить, если "приручить" вращающиеся потоки воздуха и воды. Но все это только после того, как будут полностью раскрыты секреты природы. А что можно сделать уже сейчас? Ведь не можем же мы сидеть сложа руки.
В 1945 г. немецкий физик Р. Хилш занялся исследованиями, начатыми Ж. Ранком. Он обнаружил, что если в цилиндрическую камеру по касательной через сопло подавать сжатый воздух, то в центре трубы возникнет вихревой поток, в который по оси будет подсасываться воздух из окружающей атмосферы. На этом принципе был создан эжектор, способный отсасывать вредные газы. Впоследствии исследователь продолжил свои опыты. Постепенно, перекрывая подсос по оси, он достиг того, что с периферии вихревой трубки пошел горячий, а из центра -- холодный воздух. Несмотря на то что коэффициент полезного действия холодильника, работающего на этом принципе, значительно ниже обычного, в некоторых отраслях техники он нашел применение,
В жаркие летние дни даже в нашем умеренном климате в пыли проселочных дорог возникают небольшие вихри. Их даже можно смоделировать, если закопать в канавку кусок резинового шланга, конец его направить вверх, вокруг него поставить несколько дощечек так, чтобы образовалась завихривающая крыльчатка. К свободному концу шланга подключается расходный патрубок вентилятора от автомобиля -- и прибор готов. Как только заработает мотор, из шланга вырвется струя воздуха и увлечет за собой лежащую на дороге нагретую пыль. Проходя в зазорах между дощечками, пыль войдет в поток по касательной и образует настоящий маленький смерч.
Известный изобретатель Д. М. Левчук рассказывал, как однажды наблюдал такой небольшой природный вихрь, который подхватил на дороге палку, поставил ее вертикально и, медленно покачивая, понес вдоль дороги. На пути нижний конец палки описал спираль и попал в отверстие ступицы лежавшего на дороге тележного колеса. Теперь на этом принципе работает ряд сконструированных Д. М. Левчуком механизмов по сборке различных узлов, состоящих из д