Олег Жолондковский - Внимание, воздух !
ЦИКЛОН В ТРУБЕ
В патентной литературе все чаще встречаются сообщения о случаях приручения смерча. В авторском свидетельстве No 309211 описывается труба для удаления дыма от котлов ТЭЦ или печей предприятия, которую в принципе и трубой-то не назовешь. Современную дымовую трубу можно сравнить разве что с Никитинской телевизионной башней в Останкине. Уже закончен проект 320-метровой дымовой трубы, которую соорудят в Донбассе. Но стоимость труб-гигантов составляет миллионы рублей. На их сооружение идут высококачественные материалы. Есть трубы целиком из титана. Все это делается для того, чтобы повыше и подальше выбросить вредные газы. Авторы изобретения решили приручить смерч и установить его над заводом! Поток дыма образует вихревую трубку и засосет в себя все вредные выбросы предприятия. Расчеты авторов показывают, что потребуется сравнительно немного энергии для того, чтобы добиться первоначального закручивания вихря. В дальнейшем же наступит равновесие, при котором дымовой вихрь вонзится в небо, как штопор, а холодный воздух, опускаясь сверху вниз, создаст прозрачную рубашку.
А вот описание конструкции, предложенной Д. Варданяном: обычный дымоход оканчивается полым конусом, который лишь немного возвышается над землей. Конус вращается электродвигателем. С внутренней стороны на его стенке -- спиральный канал и лопасти. При достаточно быстром вращении конуса спиральная канавка и лопасти соединенными усилиями заставляют дым закручиваться, и вихревой столб вонзается в атмосферу. "Труба без трубы" готова. Нечего и говорить, что ее стоимость не идет ни в какое сравнение со стоимостью труб-гигантов. Но и это не главное. Ротор, вращающийся от электродвигателя, создает центробежные перегрузки для самых мельчайших пылинок. Под их воздействием пыль отбрасывается на стенки конуса и сползает вниз, в пылесборник.
Подобные же вихревые трубы найдут свое место на особо загазованных перекрестках современных городов, на палубах судов, в глубоких рудодобывающих карьерах и на строительных площадках.
В ЛАБОРАТОРИЯХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
АССОРТИ ИЗ РОТОРА И УЛИТКИ
Социальная значимость разработок, облегчающих людям жизнь, огромна. Сознание того, что внедрение нового устройства улучшит состояние воздушной среды на рабочих местах, придает изобретателям силы, дает вдохновение.
Рабочий день подходил к концу. В принципе все уже сформулировано. Нужен реактор для получения цемента. Не огромная вращающаяся печь длиной в сотни метров, а предельно простой и компактный аппарат, не имеющий ни одной подвижной части. Вообще-то, такие реакторы уже есть, например шахтные печи, в которые сырье поступает сверху, а горячие газы снизу. Поток газа мешает частицам сырья просто упасть и заставляет их плясать в шахте до тех пор, пока в них не произойдут нужные реакции. Однако такой аппарат может работать лишь при условии абсолютного равенства масс всех частиц сырья. Иначе более тяжелые частицы тут же, не пройдя "курса реакций", упадут на дно шахты, а те, которые чуть-чуть легче, вылетят вместе с газом в атмосферу. А поскольку абсолютное равенство частиц -- недостижимый идеал, от шахтного аппарата приходится отказаться.
Транспортер и печь -- вот два очень плохо уживающихся между собой аппарата. Для того чтобы передвигать материал вдоль длинной тоннельной печи, делают подвижные колосниковые решетки из тугоплавких сплавов, по цене близких к золоту, конструируют не боящиеся жары подшипники, изобретают жаропрочные системы уплотнений.
Но оставим на время будничные заботы конструктора цементного машиностроения.
После смерти Архимеда нашли рукопись об улиткообразных линиях, названных благодарными потомками спиралями Архимеда. Он построил насос, представляющий собой трубу со шнеком-винтом внутри. В Африке совсем недавно еще работали такие насосы.
Итак, приоритет изобретения машины, основным рабочим органом которой является спираль, приблизительно можно определить. Архимед погиб за 212 лет до нашей эры. Но были ли прототипы у Архимедовой спирали? Пожалуй, да. Еще в каменном веке умели скручивать волокна и ремни в прочные веревки, а ведь их жилы расположены именно в форме цилиндрической спирали. Бухта каната -- не что иное, как плоская спираль. Ткачество было известно задолго до рождения Архимеда, а ведь уточная нить на шпуле, нити основы на навой и готовое полотно наматываются именно в форме спиралей.
Кто же подсказал нашим предкам совершеннейшую из совершенных структур -спиральную? Эти "подсказки" гуляли по Земле задолго до появления человека. Овцебык с его закрученными рогами и змея, которая любит укладываться в "бухту". Кстати, не потому ли ее считают мудрой? Ведь не исключено, что, именно наблюдая за змеей, человек научился вить канаты, делать лассо и с его помощью ловить животных.
Стоит посмотреть на излом белого известняка и можно увидеть массу спиралевидных раковин. Не осталось следа от множества видов животных, живших в последующие периоды, а моллюски, обладающие спиральными раковинами того самого типа, который в виде отпечатков сохранился в известковых отложениях, живут и по сей день.
Но вернемся к цементу.
Итак, перед конструкторами стояла задача -- и мелкие, и крупные частицы материала нужно заставить двигаться в одном направлении независимо от скорости потока газов. И тут у разработчика возникла мысль создать спираль, чтобы цементная сырьевая мука пошла спиральным тонким слоем, который горячий газ легко нагреет до нужной температуры. Если горячий газ вместе с сырьевой мукой впустить по касательной в реактор, имеющий цилиндрическую форму, он образует вихрь, в котором и крупные и мелкие частицы под действием центробежной силы отбросятся к стенкам реактора и завьются веревочкой.
А чтобы продлить время пребывания частиц во вращающемся потоке, решили сделать реактор по типу "конус в конусе". Спираль в спирали. Циклонный аппарат обрел новое качество -- время пребывания в нем материала удвоилось. Остальное -- дело техники. Проработали несколько эскизов, составили алгоритм, зарядили ЭВМ -- и вот точные данные на любой случай жизни. Огромные аппараты построены на заводе, установлены и уже дают цемент.
Несмотря на то что спирали Архимеда известны более двух тысяч лет, не каждый конструктор сразу сообразит, где и как они могут заменить другие устройства. Всякий раз это муки творчества. Вот пример: многие десятки лет специалисты по холодильной технике считали, что для производства холода как минимум необходим хладагент -- аммиак или фреон. Без промежуточной фазы -теплоносителя -- можно лишь нагреть, допустим, воздух. Взять обычный вентилятор, кстати, тоже своеобразное ассорти из ротора и улитки (и то и другое -- производные от спирали Архимеда), затем от нагнетательного патрубка до всасывающего провести воздуховод и включить мотор. Воздух начнет циркулировать по замкнутому контуру и нагреется. Почти вся мощность, подведенная к электродвигателю, превратится в тепло. Ведь воздух испытывает сильное трение о лопасти ротора, улитку, трубу и сам о себя. Такой способ нагрева воздуха трением в роторе и улитке изобретен в нашей стране и вот уже несколько лет применяется в сушильных камерах и печах. Печи аэродинамического подогрева (ПАП) могут греть и сушить все, что угодно,-- от металлических деталей до валенок.
Итак, спирали могут нагреть воздух. Доктор технических наук заслуженный изобретатель РСФСР профессор М. Г. Дубинский изобрел вакуум-насос, основным рабочим органом которого была улитка с вихревой трубкой. Трубка заменяла вращающийся ротор, ранее применявшийся для подобных целей. В ту пору М. Г. Дубинский был рядовым инженером и проводил эксперименты, что называется, "от" и "до" (довод в пользу того, чтобы молодые специалисты не чурались черновой работы). Вакуум-насос у Дубинского получился замечательный: ни одной вращающейся детали, предельно компактный, производительный и эффективный.
Есть два отряда изобретателей: одни, добившись эффекта, охотно отдают свое детище в чужие руки, с радостью избавляясь от успевшей надоесть темы, и берутся за новые разработки. Другие и после достижения эффекта продолжают исследования. Это изобретатели-ученые. Им важно знать не только, как работает аппарат, но и почему! Приходилось ли вам наблюдать, как при сливе воды из ванны образуется воронка? Это прекрасная модель вихревого эффекта. У края ванны окружная скорость воды равна почти нулю, по мере приближения к центру она возрастает. Это видно по движению мыльной пены. Наконец, скорость воды в центре возрастает настолько, что давление воды начинает заметно падать. Ведь согласно уравнению Д. Бернулли чем выше скорость, тем меньше статическое давление в данной точке. Вот давление упало настолько, что в воде образовалась воронка. Значит, скорость возросла до максимума, а давление упало до минимума. Температура там тоже минимальная. Войдя в улитку, поток воздуха имел большой запас тепловой энергии, а затем по мере продвижения к центру он преобразовался в кинетическую энергию. В вихревом холодильнике температура минус 100--150°, а ведь в обычном холодильнике температуру ниже минус 80° получить невозможно.
