В природе и в машинах ватную роль играют процессы теплообмена и массообмена, их детальное изучение нередко открывает новые возможности технического прогресса.

По-разному человек осваивал, ставил себе на службу природные явления, физические процессы. В разное время наталкивался на них, по-разному реагировал на свои открытия. Возьмем, например, электричество. Возможно, что Фалес Милетский действительно был первым, кто заметил его, и, значит, всего каких-то две тысячи лет назад состоялась наша встреча с «янтарической силой». А вот использование энергии падающей массы, в частности падающей воды, насчитывает десятки тысяч лет. И наконец, горение, живительный жар огня известны людям настолько давно, что их вполне можно отнести к началу человеческой истории. Слово писателю Рони Старшему — несколько строк из его прекрасной книги «Борьба за огонь»:

«Племя Уламров спасалось бегством… Обезумевшие от страданий люди не чувствовали боли, не замечали усталости — огонь умер, и все меркло перед лицом этого страшного несчастья. Уламры хранили огонь в трех ивовых плетенках, обмазанных глиной. Четыре женщины и два воина денно и нощно стерегли и кормили его. И вот огонь Уламров умер. Враги уничтожили две плетенки, в третьей во время стремительного бега огонь захирел и поблек, он был так слаб, что не мог съесть даже крохотной сухой былинки… Потом он превратился в маленькую красную точку… А потом исчез Только теперь Уламры ощутили всю тяжесть обрушившегося на них несчастья».

Шли годы. От огня, случайно найденного или завоеванного, от огня сберегаемого человек перешел к добыванию огня, сделав одно из величайших своих изобретений (справка: в 1960 г. многомесячная экспериментальная археологическая экспедиция в Карелию не смогла воспроизвести высекание огня из местных пород), и первая тепловая машина — костер — освоила множество новых профессий. К тому времени, когда древнегреческие мыслители еще только удивлялись способности натертого янтаря притягивать кусочки шелка, прирученный огонь уже светил, грел, жарил, обжигал посуду, варил стекло, обрабатывал камень и дерево, плавил и закаливал металл: работающая теплота на многие тысячелетия обогнала работающее электричество. И все-таки…

И все-таки главную свою работу в бригаде помощников человека они начали практически одновременно. Начали в те удивительные времена, которые мы сейчас называем эпохой первых научных и промышленных революций. Когда, освободившись от пут средневековья, от пут схоластики и невежества, человек как никогда раньше ощутил силу рационализма, неизменяемость истины, почувствовал вкус к добыванию фактов, к их глубокому анализу. И стал с энтузиазмом, без лишних сомнений превращать знания в работающие машины. Это была лавина, цепная реакция идей, открытий, изобретений, и человечество, которое еще только что кормилось подаяниями природы, вступило с ней в активные деловые отношения.

По-иному заработал и ветеран труда — огонь. Буквально за несколько десятилетий были до тонкостей изучены многие повадки работающей теплоты, родились совершенно новые области науки и инженерии — теплофизика, теплотехника, термохимия, теплоэнергетика, термодинамика. А с них пошли тысячи новых тепловых машин — от домашнего холодильника до гигантских котлов, где за секунду превращается в пар чуть ли не тонна воды; от велосипедного моторчика до ракетных двигателей и паровых турбин мощностью в миллион киловатт, каждая из которых, если поставить ее на суперавтобус, свободно повезла бы полмиллиона пассажиров. И вот что знаменательно: наука о теплоте и не помышляет о мемуарах, она вся устремлена в будущее. В полной мере это относится к одному из главных разделов теплотехники — теплообмену.

Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова Белорусской академии наук — ИТМО АН БССР — ведущая исследовательская организация страны по этой проблеме, имеющая к тому же признанный международный авторитет. Основное внимание в институте уделяется сложному комплексу явлений, где передача тепла сопровождается перемещением массы или перемещение массы создается специально для того, чтобы получить необходимый теплообмен. У тепломассообмена — его, наверное, для краткости можно называть ТМО — много интересных профессий. С некоторыми из них мы сейчас познакомимся, переместившись в центр белорусской столицы и совершив краткое путешествие по институту, беседуя с руководителями ряда исследовательских лабораторий. Об одной из новых профессий ТМО рассказывает руководитель лаборатории энергопереноса, доктор технических наук Олег Григорьевич Мартыненко:

— Начнем с факта, к сожалению, достоверного — мощный лазерный луч попадает в линзу, которая должна его сфокусировать, и линза мгновенно разлетается на куски. Случайность? Повторяем эксперимент — результат тот же… Вряд ли стоит дальше портить казенное имущество, случившемуся можно найти простое объяснение: для мощных световых потоков стекло — слишком плотный материал, оно отбирает у света слишком большую порцию энергии и в итоге быстро разогревается и разрушается. А отсюда вывод — для мощных источников света стеклянная оптика непригодна. Линзы из жидкостей тоже, не годятся, их плотность не на много меньше. Остается только газовая оптика — плотность газов в тысячи раз меньше, чем плотность твердого тела. Однако же, создавая линзу, газ нельзя поместить в прозрачную оболочку определенной формы, твердая оболочка сама станет частью линзы, и все неприятности начнутся сначала. Одним словом, нужны линзы из чистого газа, этакие двояковогнутые или двояковыпуклые облака. Но возможно ли это?

Представьте себе металлическую трубу, воздух в которой определенным образом разогрет, создано определенное его движение и в итоге в объеме трубы получено строго определенное изменение плотности воздуха. Например, такое, при котором свет, проходя по трубе, фокусируется или, наоборот, рассеивается: ведь именно изменение плотности среды изгибает, преломляет световой луч. И вывод: управляя процессами тепло- и массообмена, можно создать линзы из чистого газа, линзы практически без потерь (рис. 1). Они-то и являются объектом исследований и разработок аэротермооптики. «Аэро», входящее в это длинное слово, говорит о том, что оптика привлекла на помощь движение газа, аэродинамику, а «термо» напоминает о той роли, которая досталась теплообмену.

Аэротермооптика — это уже реальность. Она пока, правда, делает первые шаги, преодолевает разнообразные трудности (вот лишь три из них: сам световой луч, нагревая газ, меняет первоначальную его плотность; на газовую линзу покушается и гравитационное поле Земли; при быстром движении газа линзу могут испортить завихрения), однако уже выявилось немало потребителей газовых оптических систем. Это, например, световодные линии дальней связи, которые могли бы проложить практически неограниченное число телефонных и телевизионных каналов между городами и странами. В этих линиях информация передается с помощью световых сигналов, а не с помощью электрических, как в телефонных или телеграфных линиях связи. Свет идет по трубам, заполненным газом, или по пластмассовым световодам, выполняющим ту же роль, что телефонные или телеграфные провода.

Интересы аэротермооптики не ограничены газовыми линзами, и вот одно из подтверждений. Недавно в печати опубликованы расчеты так называемой «венерианской машины»: если к Венере под определенным углом направить острый луч лазера, то он, преломляясь в атмосфере планеты, может создать вокруг нее «вечное» световое кольцо, в которое можно вогнать большую энергию. Получится своего рода лазер с кольцевым резонатором, т. е. накопитель света, аналог конденсатора, который накапливает электрические заряды. «Венерианская машина» напоминает: у аэротермооптики неплохие перспективы в части принципиально новых приборов и процессов.

А теперь от этой экзотической профессии ТМО — экзотической хотя бы потому, что творения аэротермооптики имеют ту же физическую природу, что и мираж в пустыне, — мы перейдем к делу, на первый взгляд очень простому и прозаическому — к сушке. И сразу же обнаружим огромный диапазон областей техники и технологии, где применяется сушка. В процессе производства сушке подвергаются многие пищевые продукты, древесина, лекарственные препараты, микроскопические электронные приборы, автомобили, керамика, химические волокна, резина, строительные материалы, железобетонные изделия, ткани. Наконец, сушка входит важным элементом в технологию продукта, к которому все мы относимся с особым вниманием и имя которому Хлеб (справка: после обмолота зерно имеет влажность 24 %, а при неблагоприятных климатических условиях — еще больше; в хранилища должно поступать зерно с влажностью 14 %, а значит, необходима сушка зерна; масштабы этой операции нетрудно представить, вспомнив, что годовое производство зерна в стране составляет многие миллионы тонн; ежегодно зерносушилки должны убрать из зерна столько воды, что ею можно было бы заполнить плавательный бассейн площадью 10 км2). Слово имеет руководитель сушильно-термической лаборатории Павел Степанович Куц:

— Нынешние методы сушки совсем не похожи на привычную для всех нас операцию «Клади на солнышко, пусть сохнет». Современная сушка — это прежде всего изучение тонких механизмов тепло- и массопереноса, разработка теории сушки. Только на этой основе создается современная сушильная техника.

Приведу три примера. Первый относится к производству лекарств, к превращению пастообразных лекарственных смесей в плотные гранулы, из которых затем делаются таблетки. Для этого случая был разработан метод комбинированной сушки в падающе-кипящем слое: кусочки мягкой пасты, выдавленные из верхнего резервуара, сначала свободно падают вниз в вертикальной колонне, а навстречу им вверх идет поток теплого газа. Пока гранулы добираются до донной решетки, они слегка просушиваются, обрастают плотным сухим каркасом. Теперь уже в донной части аппарата можно производить интенсивную сушку в так называемом кипящем слое, перемешивая и прогревая гранулы потоками горячего газа (рис. 2). По этой схеме в институте был создан аппарат, который сейчас выпускается серийно и уже работает на ряде фармацевтических заводов. Приведу только три цифры, подтверждающие, что изучение тонких механизмов сушки с лихвой окупается — аппарат, о котором только что говорилось, работает в 4–8 раз быстрее своих предшественников и лучших зарубежных аппаратов; в нем в 2–2,5 раза снижены потери материала и в 3,5 раза уменьшена трудоемкость обслуживания.

Второй пример касается созданных в институте пневмогазовых зерносушилок производительностью от 2 до 50 т в час. В этих зерносушилках есть зоны контактного влагообмена между уже подсушенным и влажным зерном, нагрев зерна во взвешенном состоянии длится несколько секунд, он чередуется с охлаждением в плотном слое в течение примерно 10 мин. В итоге зерно высушивается быстро, равномерно, и, главное, в процессе сушки не снижаются его хлебопекарные качества, как это наблюдалось в сушилках старых образцов.

И наконец, пример третий. Интересная идея реализована в аппарате СВР (сушилка вихревая распылительная), предназначенном для сушки растворов, например для получения сухого молока. Здесь в цилиндрической камере создаются два встречных круговых потока: поток самого раствора и поток нагретого газа. Потоки эти сталкиваются, в камере образуются вихри, а в них идет интенсивный отбор влаги у раствора, и ее пары быстро удаляются. Вихревая сушка позволяет в 5—10 раз уменьшить размеры сушильных аппаратов, что должно понравиться не только технологам, но и строителям промышленных предприятий.

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.

Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тепла и массы — прекрасная тепловая машина без шестеренок и рычагов, в каком-то смысле машина вечная, работающая надежно и эффективно. О некоторых профессиях машины «тепловая труба» рассказывает руководитель лаборатории низких температур Леонард Леонидович Васильев:

— Первые тепловые трубы были запатентованы сравнительно недавно, в сороковых годах, и долгое время совершенствовались в основном как непревзойденные проводники тепла. Именно непревзойденные, их даже назвали сверхпроводниками. Вот типичный пример, доказывающий, что это звание заслуженное: через тепловую трубу диаметром 1 см можно прогнать тепловую мощность порядка 10 кВт при разности температур на концах трубы всего в 5 °C; чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температур почти 150 000 °C.

Тепловые трубы уже сейчас применяются довольно широко, их можно встретить на космических аппаратах, в ядерных реакторах, криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения двигателей, утилизации тепла, сверхглубинного бурения, стабилизации грунта в условиях вечной мерзлоты. Немало интересных дел намечено для тепловых труб и в технике будущего. Они, например, смогут отбирать тепло у жидкого лития в термоядерных установках, участвовать в добывании тепла из глубин земли.

Однако если взглянуть на дело шире, то окажется, что тепловая труба — это не только теплопроводник, что это есть некий аппарат, в котором под действием небольших температурных перепадов происходит активное движение массы и преобразование энергии — важнейшие процессы любой работающей машины. Появились эти аппараты с замкнутыми испарительно-конденсационными циклами давно, семейство их довольно велико (в него, кстати, входит широко известная кастрюля-скороварка), и сейчас эти аппараты начали осваивать много новых интересных профессий. На их основе, например, создаются МГД-генераторы — теплоносителем в тепловой трубе может быть жидкий металл, и если поместить трубу в магнитное поле, то в движущемся металле как на концах движущегося проводника наведется электродвижущая сила индукции. На основе тепловой трубы создаются новые типы лазеров; в трубах может выполняться механическая работа за счет энергии движущегося теплоносителя; изучение процессов в тепловой трубе позволяет понять некоторые физиологические механизмы; с помощью тепловых труб можно вести некоторые химические процессы, которые пока числятся в списке неосуществимых. Этот список уже сейчас можно было бы продолжить, хотя главные открытия и изобретения, наверное, все-таки впереди.

Тепловые трубы — один из примеров того, как внимание к сложной теплотехнической проблеме может дать очень важные научные и практические результаты.

Есть немало областей науки, с достижениями которых мы часто сталкиваемся, часто слышим о них: карманный компьютер и цветные телевизоры прекрасно пропагандируют в миллионных аудиториях прогресс электроники. А есть такие научные области, успехи которых не очень заметны широкой публике: электрическая лампочка в вашем доме светит, как и полсотни лет назад, и мало кто знает о тех изменениях, которые произошли за это время в самом производстве электричества (справка: в предвоенные годы пар, работающий на теплоэлектростанциях, имел такие параметры: температуру 400–425 °C, давление— 2,5–3 МПа; в послевоенные годы параметры пара подняли до 500–525 °C и 9 МПа; сейчас они подняты до 565–580 °C и 24 МПа; один из выигрышей — экономия 25–30 % топлива; это эквивалентно появлению в топливном балансе страны десятков «бесплатных» угольных шахт).

Работой больших масштабов, делами огромной важности занята скромная наука — теплотехника, много интересного делают и намечают сделать все ее главные направления, в том числе и те, что заняты исследованием и использованием процессов теплообмена.