Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
В этом рассказе промелькнуло упоминание о теплообмене в кипящем слое и можно было заметить, что «кипение» там никак не относилось к привычному процессу, с которым мы сталкиваемся при нагреве жидкостей. Да и вообще никакой жидкости в кипящем слое не было — там была лишь взвесь частиц, высушиваемые гранулы, пляшущие в потоках горячего газа. Но вот оказывается, что такая взвесь частиц обладает многими свойствами жидкости и даже носит название «псевдожидкость». Причем псевдожидкость обладает удивительными теплотехническими свойствами— твердые частицы в ней бурно перемешиваются и великолепно переносят тепло, во много раз лучше, чем такие прекрасные проводники тепла, как медь.
О некоторых свойствах псевдожидкостей и их использовании в теплотехнике рассказал руководитель лаборатории дисперсных систем, член-корреспондент АН БССР Сергей Степанович Забродский:
— Один из способов получения псевдожидкостей описал еще Дмитрий Иванович Менделеев, однако глубокое их изучение и практическое применение началось всего лет тридцать назад. Нетрудно в мысленном эксперименте пронаблюдать за процессом псевдоожижения, за получением псевдожидкости. На решетке или сетке находится сыпучий материал; снизу, из-под решетки, направляем вверх поток газа; постепенно увеличивая интенсивность потока, мы видим, как сыпучий материал приходит в движение, поверхность его выравнивается, напоминая водную гладь, наконец, сквозь толщу материала к поверхности прорываются газовые пузыри (рис. 3) и весь слой начинает бурлить, становится кипящим слоем. Вот эти бурлящие потоки частиц, перемещаемые и перемешиваемые потоками газа, — это как раз и есть псевдожидкость. О том, что дает создание псевдожидкости, заполнение газового потока частицами, говорит такой, например, факт: псевдожидкость, омывающая какую-либо деталь со скромной скоростью 1 м/с, осуществляет теплообмен столь же эффективно, как чистый газ, движущийся со сверхзвуковой скоростью, скажем 500 или даже 1000 м/с.
Псевдоожижение с равным успехом используется и для передачи тепла, и для передачи холода. При этом теплоноситель может работать, так сказать, в разных режимах: его можно, например, быстро перебрасывать по трубам, можно остановить и ссыпать в определенное место, если это понадобится, для какой-либо переработки.
Чтобы понять поведение столь сложной термодинамической системы, как псевдожидкость, приходится привлекать не только теплотехнику, но и гидродинамику; учитывать процессы случайные и строго детерминированные; уделять должное внимание всем механизмам теплопередачи, включая излучение; исследовать такие непривычные ситуации, как импульсный нагрев или движение однородной жидкости с газовыми пузырями.
Нужно, однако, сказать, что все затраты на глубокое изучение псевдожидкостей уже сейчас окупаются, а в будущем, можно ожидать, окупятся еще в большей степени. В качестве примера назову проблему, над которой уже давно думают теплотехники во всем мире, — низкотемпературное сжигание топлива в топках электростанций. В свое время наш институт выступил с обоснованным предложением: применив псевдожидкость, уменьшить и удешевить паровые котлы тепловых электростанций; котлы эти имеют пока размеры многоэтажных зданий. В дальнейшем, уже другими, был развит вариант, дополненный сжиганием самого топлива в псевдожидкости. В этом случае топливо можно будет сжигать без предварительного тонкого размола, причем будет гореть и низкосортное топливо, имеющее много легкоплавкой золы. Не все, наверное, знают, что миллионы тонн топлива, сжигаемого в топках больших паровых котлов, проходят непростые операции подготовки, в частности измельчение на особых «мельницах». Упростить подготовку топлива — значит получить огромный экономический эффект. И еще один аспект (в наши дни он привлекает особое внимание): такое низкотемпературное сжигание топлива позволит в 4–5 раз уменьшить выброс в атмосферу оксидов азота и в 10–20 раз уменьшить выброс оксидов серы.
У теплообмена с использованием псевдожидкостей есть уже и признанные достижения, например значительная интенсификация ряда химических процессов. Или создание печей для высокотемпературного нагрева металла, которые резко повышают качество и эффективность кузнечного производства.
Кузнечное дело, история которого начинается в глубокой древности, и в наши дни не утратило своего значения. Крупные кузнечные цеха существуют на большинстве машиностроительных заводов, в частности на автомобильных и моторостроительных. Причем принцип нагрева металла очень часто остается таким же, как тысячу лет назад: заготовку помещают в пламя, в пламенную печь, которая лишь по масштабам и по вспомогательному оборудованию, но никак не по принципу действия отличается от горна деревенского кузнеца. И так же как тысячи лет назад, безжалостно расходуется топливо на нагрев заготовки — в трубу улетают миллионы джоулей энергии. И так же выгорает металл, заготовка быстро окисляется в пламени, покрывается окалиной, которую потом приходится удалять токарям и фрезеровщикам.
Было предпринято немало попыток избавиться от этих недостатков, особенно от второго, но печи получались очень сложными, громоздкими или ненадежными. А печи, родившиеся в ИТМО, уже имеют значительный рабочий стаж (справка: на различных заводах работают 12 таких печей; одна из них в течение года круглосуточно работает в Москве на Первом Государственном подшипниковом заводе; Министерство автомобильной промышленности приняло решение о серийном выпуске новых печей), хотя, конечно, путь к этому был нелегким. О некоторых этапах этого пути и о самих печах рассказывает один из их создателей, руководитель лаборатории теплообменных процессов и аппаратов, доктор технических наук Николай Васильевич Антонишин:
— Частная, по сути дела, задача, о которой мне предстоит рассказать, относится к чрезвычайно важной и общей проблеме — повышению эффективности нагревательных устройств. Первый шаг в этом важном деле был сделан безвестным изобретателем, который оградил свой костер камнями. Как ни странно, но существуют области теплотехники, в которых во все последующие времена не было сделано других усовершенствований подобного масштаба. В числе таких областей — высокотемпературный огневой нагрев металлических заготовок. Здесь до самого последнего времени используется традиционная схема теплообмена — через газообразные продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изолятором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его способность передавать тепло, равен 200, в то время как у жидких металлов или расплавов солей этот коэффициент равен 20 000.
В новых печах, разработанных ИТМО совместно со Специальным конструкторским бюро Министерства автомобильной промышленности, теплообмен осуществляется в кипящей псевдожидкости — сжигаемый газ первоначально отдает тепло песку, а тот, перемещаясь с потоками газа, отдает тепло металлу (рис. 4). На первый взгляд может показаться, что введение этого посредника — песка — ничего не должно дать, так как сам песок получает тепло все от того же теплоизоляторы — от газа. Однако суммарная поверхность песчинок огромна, и в значительной мере благодаря этому они отбирают у пламени во много раз больше тепла, чем сумела бы отнять нагреваемая заготовка.
Поучительна история создания новых печей. Все началось с того, что в отвлеченных, по сути, исследованиях были обнаружены очень эффективные процессы теплообмена в псевдожидкостях на основе газообразных продуктов горения. Затем была найдена область, где эти процессы могли дать большой эффект. Потом началась постройка печей и их разрушение — первые печи получались неудачными. И наконец, последние модели — они просты, надежны, нагрев идет в несколько раз быстрее, чем в обычных пламенных печах. И главное, не создается окалины, что дает особо ощутимый экономический выигрыш. Вся эта коротко рассказанная история заняла почти 15 лет, но она все же приводит к оптимистическому выводу — современные системы теплообмена могут в корне преобразовывать некоторые традиционные теплотехнические процессы.
Среди новых теплообменных систем важное место занимают тепловые трубы. Один из простых вариантов тепловой трубы— это закрытый металлический цилиндр (рис. 5); его внутренние стенки выложены слоем пористого материала, пропитанного легко испаряющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы — на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу — это нормальная конвекция; здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшаяся жидкость по пористому материалу возвращается обратно к горячему концу трубы.
