Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления - Пётр Капица

Я мог бы вам рассказать также о применении кислорода в азотно-туковой промышленности, при получении целлюлозы, для извлечения золота из руд, для изготовления дешевых взрывчатых веществ, так называемых оксиликвитов и т. д. Подробно об этих вопросах можно почитать в «Бюллетене» Главкислорода. Но и этого перечня достаточно, чтобы оценить масштабы тех производств в промышленности, которые возможны с интенсификацией кислородом технологических процессов.

В последние годы как инженер и физик, я со своими сотрудниками в Институте физических проблем занимался задачей разработки более совершенных методов получения кислорода. Я вам уже говорил, что в существующих установках для получения кислорода затрачивается во много раз больше энергии, чем это предельно возможно. Поэтому перед учеными стоит вопрос: как усовершенствовать процесс извлечения кислорода из воздуха так, чтобы затрачивая меньше мощности, удешевить кислород?

Но это еще не вся проблема. Нам нужно получать не только дешевый кислород, но надо получать еще очень много кислорода. В данном случае это не так просто — оказывается, здесь количество переходит в качество. Первая же большая домна, переведенная на кислород, будет потреблять столько кислорода, сколько вся наша автогенная промышленность во всем Союзе.

Если мы станем осуществлять необходимое для этих масштабов производство кислорода существующими методами, то возникает принципиальное затруднение. В технике, когда растут мощности, есть одна особенность, которую инженеры больше чувствуют, чем осознают, хотя ее можно достаточно строго обосновать теоретически.

Поясню ее на примере: если увеличивать размеры какой-либо поршневой машины, например, двигателя, рассчитывая получить от нее большую мощность, то окажется, что после определенного размера вес ее на единицу мощности будет не уменьшаться, а увеличиваться. Так, если паровая машина мощностью в 100 лошадиных сил (я беру совершенно условные цифры для характеристики относительных пропорций) весит 1 тонну, то машина мощностью в десять раз большей — в 1000 лошадиных сил, — будет весить не десять тонн, а больше. С увеличением габаритов поршневой машины после некоторого размера мощность ее на единицу веса убывает. Поэтому на практике, если мы хотим построить более мощную поршневую машину, оказывается выгодным не увеличивать размеры цилиндров, а увеличивать их число.

Это можно наблюдать на примере современного авиационного моторостроения. Подымая мощность моторов, сейчас, из соображений веса, приходится увеличивать не размер цилиндров, а их число; оно у нас достигает 24, а новейшие американские моторы имеют до 48 цилиндров[ 6 ]. Вес мотора — это основная трудность при увеличении размеров аэропланов.

Если бы основывать получение кислорода в больших масштабах производства на использовании для получения холода поршневых детандеров и компрессоров, то мы также скоро подошли бы к пределу допустимых размеров кислородных установок и дальнейшее увеличение производства кислорода пришлось бы осуществлять увеличением числа поршневых машин, но не их размеров.

Здесь имеет место полная аналогия с тем, что происходит при росте мощности теплоэлектроцентралей. Если бы сейчас современные мощные ТЭЦ стали оборудовать уаттовскими поршневыми машинами, которые изредка еще встречаются на старых волжских пароходах или на маленьких электростанциях, то эти машины должны были бы приобрести такие размеры, которые можно считать неосуществимыми. Как хорошо известно, решение проблемы увеличения мощности осуществляется паровой турбиной, изобретенной Лавалем и Парсонсом, которая замечательна тем, что может дать на единицу веса во много раз большую мощность, чем поршневая паровая машина. Поэтому теперь крупные электростанции строят только на турбинах.

Первоначально ожижение воздуха производилось методом, в котором использовался так называемый эффект Джоуля—Томпсона. Это явление заключается в том, что при свободном расширении газа он охлаждается тем больше, чем выше давление сжатого газа. Обычно оно было около 200 атмосфер. В дальнейшем во Франции Клод, а в Германии Гейланд охлаждение производили тем, что сжатый компрессором воздух заставляли расширяться в специальной поршневой машине, называемой детандером, которая действует весьма похоже на паровую. Как известно, паровая машина работает за счет расширения горячего пара, который, после того, как совершит работу, покидает машину в значительно более холодном состоянии. Сходство заключается в том, что сжатый воздух при расширении также будет производить работу и охлаждаться. Этим и пользуются в холодильной поршневой машине, которую называют детандером. Сжатый воздух, поступив в ее цилиндр, расширяясь, производит работу и охлаждается. Расчеты показали, что, переходя к получению жидкого воздуха в больших масштабах, чтобы из него разгонкой отделять кислород, следует, как и при получении больших мощностей, отказаться от поршневых компрессоров и детандеров и перейти к турбинам.

Возможность применения холодильных турбин была высказана учеными еще давно. По-видимому, первым был известный английский физик Рэлей. Еще 40 лет тому назад он предложил применять турбину при ожижении воздуха. Обоснование этого предложения было несколько иное, не связанное с необходимостью ожижать воздух в больших масштабах. Оно было вызвано трудностями смазки поршневых детандеров. При низких температурах все смазочные жидкости замерзают. Турбина же при работе не требует смазки. С тех пор был сделан ряд попыток применить турбины как детандеры, но добиться значительного успеха не удавалось.

Тут мне придется рассказать и о наших работах в этой области, поскольку как раз в нашем институте, применяя в качестве детандера турбину, удалось впервые получить жидкий воздух и при этом с достаточно хорошими показателями. Та новая идея, которой мы руководствовались, настолько проста, что даже не понятно, почему до сих пор на нее не обратили внимания.

Общий ход рассуждений (конечно, схематизируя) до наших работ был следующим: для того, чтобы получать холод, строили поршневые детандеры и, чтобы поднять их к.п.д., прибегали к высоким давлениям точно так же, как в энергетике стремились пользоваться поршневыми машинами высокого давления пара. Потом, для получения еще больших мощностей, в энергетике стали поршневые машины заменять турбинами. Следовательно, для получения жидкого воздуха в больших количествах нужно сделать то же самое. И. следуя этой аналогии, инженеры стали применять для холодильной техники в качестве детандеров общепринятые типы паровых турбин. На практике оказалось, что холод они, конечно, давали, но с плохим к.п.д.

Этот случай лишний раз показывает нам, как осторожно надо пользоваться аналогией. Инженеры, загипнотизированные аналогией тепловых процессов в холодильных и паровых машинах, просмотрели очень важный фактор. Они упустили то, что воздух, благодаря своей большой сжимаемости при низких температурах, становится настолько плотным, что по своим физическим свойствам гораздо больше напоминает воду, чем пар. Это приводит к тому, что холодильные турбины надо строить не по образцу паровых, а по образцу водяных, т. е. применяя несколько измененные, хорошо всем известные реактивные турбины типа Жонваля. Когда я обратил внимание конструкторов наших кислородных установок, что они применяют не тот тип турбины, мое замечание не было серьезно воспринято. Мне ответили примерно так: все за границей идут по пути паровых турбин; то, что вы предлагаете, идет в противоречие с тем, что делают там фирмы. Это отвлеченная теория ученого.

Тогда было решено сконструировать и построить у нас в институте холодильную турбину, подобную гидротурбине, и проверить на опыте, будет ли она иметь такой же высокий к.п.д., какой характерен для водяных турбин. Эти работы заняли 2—3 года и окончились успешно. Теперь наша турбина уже получила общее признание как у нас, так и за рубежом, и была в конечном итоге отмечена правительством премией.

Этот пример является хорошей иллюстрацией того, как люди не обращают внимание на совершенно очевидное — при понижении температуры воздух приобретает новое качество, присущее жидкости, хотя и остается при этом газообразным телом. Загипнотизированные общепринятым решением проблемы конструкторы с трудом воспринимают новое, даже когда решение проблемы является более простым.

Когда при конструировании турбины эта особенность воздуха при низких температурах была учтена, открылась возможность получения кислорода в больших масштабах. В военное время не рекомендуется широко распространять цифровые данные. Но я могу вам сказать, что есть завод, который успешно работает на наших турбинах уже в продолжение нескольких тысяч часов. Третья часть всего кислорода в Москве делается сейчас таким путем. (Один из первых экспериментальных образцов ротора радиального турбодетантера изображен на рисунке.)