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.

Есть что-то
завораживающее в вычерчивании спиральных линий. Конструктор, сумев один раз
применить улитку в новом качестве, влюбляется в ее величество спираль на всю
жизнь. Другое дело -- куда и как ее приспособить.

...Всю ночь
кузнец Галеццо де Рубес склепывал между собой разрезанные кольца. Получилась
длинная, как стружка от токарного станка, витая лента. Под утро он надел ее на
вал и растянул вдоль него так, что получилась цилиндрическая спираль. Потом
Галеццо обтянул ее сверху кожей и один конец этой хитрой трубы опустил в воду.
"Получится или не получится? -- лихорадочно думал он.-- Вроде бы все
предусмотрено". Галеццо принялся вращать трубу и... чудо! Переливаясь с витка
на виток, вода пошла вверх; Вверх! "Прекрасно! Прекрасно!-- приговаривал Галеццо.--
Остался сущий пустяк! Воду нужно отправить в бак, из бака вода устремится вниз,
будет крутить мельничное колесо". Кузнец как одержимый бегал с ведром и
заполнял бак. Колесо вращало насос, который поднимал воду в бак, но... вода
почему-то быстро иссякала. Галеццо доливал, но бесполезно.

В 1550 г.
знаменитый итальянский механик Джероламо Кардано об этом писал: "И первое
изобретение этого рода есть винт Архимеда, который Диодор Сицилийский дважды
упоминает в древней истории, говоря, что Египет был осушен с помощью этого,
изобретенного Архимедом винта... Однако Галеццо де Рубес, один из наших
сограждан, обезумел от радости, полагая, что он явился первым изобретателем
этого механизма, который был давно известен. Мы видели, как он привел в
движение мельницу и вскоре потерял рассудок".

Изобретателю
нельзя жить без здорового оптимизма. Если он не уверен в своей правоте, где ему
взять силы на все новые и новые эксперименты. Однако горе, если оптимизм этот
безграничен. Приняв какую-либо гипотезу за "рабочую", оптимист приступит к
подбору фактов. Подтверждающие гипотезу приобщаются, а отрицающие--
отбрасываются. Вот случай, происшедший с одним крупным математиком. "Если,--
писал он в своей статье,-- выпускать из резервуара воду при помощи отверстия на
дне его, то образуется (над отверстием) воронкообразный вихрь, который в
северном полушарии вращается в сторону, обратную движению часовой стрелки; в
южном полушарии вращение -- в обратную сторону. Каждый читатель сам может
проверить справедливость сказанного, выпуская воду из ванны. Чтобы лучше
заметить направление вращения вихревой воронки, можно бросить на нее маленькие
обрывки бумаги. Получается эффектный опыт, доказывающий вращение Земли,
произведенный самыми простыми средствами в домашней обстановке". Далее ученый переходит
к практическим выводам и предлагает в соответствии со своими наблюдениями
изменить конструкцию гидротурбин в зависимости от того, в каком полушарии они
установлены.

И что же?
Читатели откликнулись. Сотни ванновладельцев стали изучать направление движения
потоков сливающихся жидкостей. Результат: одна половина добровольных
исследователей отметила, что поток завихряется влево, а другая половина --
вправо. Оказывается, все дело не в том, в каком полушарии проводится опыт, а в
том, имеются или нет заусенцы в сливном отверстии. Они-то и являются
направляющими для потока. И никакую теорию тут не применить. Хотя, как сказал
мне однажды инженер-наладчик Дмитрий Иванович Черепанов, "находясь в ванне,
наблюдай!". Используя принцип ванной воронки, он придумал центробежный
сепаратор пароводяной смеси. Проходя через несколько установленных ярусом
улиток, смесь расслаивается. Вода как более тяжелая отбрасывается к стенкам, а
пар пузырьками всплывает. Остается только сухой пар пустить в дело, а воду
слить обратно в котел. Такие сепараторы хороши и в качестве
конденсатоотводчиков, осушителей, конденсаторов жидкости, в качестве
деаэраторов, необходимых для удаления из воды вредно влияющих на металл котлов
кислорода и углекислого газа.



СУХОЙ  ИЛИ МОКРЫЙ ?



Так сложилось,
что при очистке газа от пыли одновременно загрязняется вода. А ее-то очищать
значительно труднее и дороже, ибо вода химически взаимодействует с пылью,
растворяет в себе примеси хрома, мышьяка, серы, фосфора и других токсических
веществ. Ничтожная их концентрация губительно действует на все живое. Общий
расход воды за год на "мокрую" газоочистку, для одной мартеновской печи доходит
до 1,5 млн. м3.

Почему же
газы часто предпочитают очищать в мокрых пылеуловителях, а не в уже известных
циклонах и электрофильтрах?

Циклон не
улавливает пыль размером меньше 5 мкм. А пыль, выбрасываемая с газами из
сталеплавильных конвертеров и мартеновских печей, на 90% состоит из частиц,
размеры которых значительно меньше.

Что касается
электрофильтров, то для их успешной работы скорость газов, проходящих через
электроды, не должна превышать 1 м/с. А ведь мартеновская печь "выдыхает" около
300--400 тыс. м 3 газа в час. Поэтому площадь рабочего сечения электрофильтров
должна составлять около 100 м2. Прямо-таки "цех" рядом с цехом...

Дымовые газы
мартеновских печей и конвертеров имеют температуру 1500--1700°. Чтобы
использовать уходящее с ними тепло, перед газоочисткой имеет смысл поставить
котел-утилизатор, вырабатывающий пар.

Однако
высокая запыленность газов неизбежно приведет к забиванию труб пылью. Из-за
этого паропроизводительность котлов снизится примерно вдвое. Пыль очень прочно
сцепляется с поверхностью труб, очистить ее очень трудно.

В среднем
котел, стоящий за современной мартеновской печью, за год может дополнительно
выработать свыше 70 тыс. т пара. А это производительность хорошей заводской
котельной.

Остается
устранить пыль. Но как это сделать? Электрофильтры для очистки газов с высокой
температурой не поставишь. Электроды вскоре превратятся в труху. Но можно
сделать иначе -- очищать раскаленные газы веществами, которые при высоких
температурах превращаются в пылеулавливающую жидкость (авторское свидетельство
No 264344).

Такими
веществами могут быть обычные соли, например хлористые соли натрия и калия,
которые плавятся при температурах 660--800°. Они дешевы и неядовиты. Отлично
растворяются в горячей воде. При нагреве не разлагаются и, следовательно,
совершенно безопасны.

Для того
чтобы уловить пыль, ее сначала надо хорошенько смочить. Вода плохо смачивает
окислы металлов и угольную пыль. А расплавы солей не только хорошо смачивают
графит, но даже внедряются в его кристаллическую решетку.

Принципиальная
схема солевой газоочистки довольно проста. Грязные раскаленные газы продуваются
по трубе Вентури со скоростью 30--50 м/с. В трубу при этом непрерывно подается
расплавленная соль, которая газовым потоком дробится на мелкие капли. Грязный
газ, двигаясь сквозь взвешенный слой расплава, фильтруется от пыли, после чего
поступает в каплеуловитель. Из каплеуловителя смесь пыли и расплавленной соли
стекает в отстойник, где соль растворяется, а пыль осаждается в обычной грязной
воде. Из отстойника пыль можо удалить транспортером. Концентрированный рассол
из отстойника подается для выпаривания и расплавления соли прямо в камеру
плавления. Оттуда его опять пускают в трубу Вентури для повторного улавливания
пыли.

Ну а чистый
раскаленный газ с температурой 800° или выше направляется в котел-утилизатор.

Солевая
установка, стоящая за современной мартеновской печью, будет не только
улавливать ежесуточно до 40 т пыли, но и снизит капитальные и эксплуатационные
затраты на очистку воздушного и водного бассейнов.

При выбросе 2
т/ч пыли, типичном для современных мартеновских печей, для каждой установки
потребуется примерно один вагон соли. Воды же на ее регенерацию нужно будет
около 10 т/ч, т. е. примерно в 20 раз меньше, чем для "мокрой" газоочистки.

Способ
газоочистки, предложенный свердловскими инженерами, весьма перспективен. Однако
для его практического внедрения необходимо решить сложные технические проблемы,
связанные с коррозией трубопроводов и образованием в них отложений. Однако, как
говорится, дорогу осилит идущий...



АНТИЦИКЛОН



Казалось бы,
циклон -- идеальное средство для обеспыливания воздуха. Но в самом его принципе
есть такие противоречия, которые в некоторых случаях сводят на нет все его
положительные качества. Для того чтобы развить в циклоне большую скорость
запыленного потока и создать достаточную для отделения пыли центробежную силу,
нужно затратить энергию. Чтобы частицы пыли образовали на стенках корпуса
винтовую спираль и ссыпались в конусную часть, тоже нужна энергия. Чем больше
витков спирали образует запыленный поток, тем больше для этого требуется
энергии.

Если
взглянуть в микроскоп на различные пробы пыли, то можно увидеть такое разнообразие
форм, которое даже трудно себе представить. Здесь длинные кристаллы, и пучки
волокон, и Архимедовы спирали, и правильные пластинки, и чешуйки с рваными
краями. Нет только шариков. А ведь чаще всего инженер, варьируя исходными
данными для конструирования, представляет себе именно шарик, который подлежит
улавливанию. Сознательно идя на такое допущение, он значительно упрощает
стоящую перед ним задачу. По расчету получается, что циклон должен улавливать
минимум 90% всей пыли, а когда его выполнят в металле и подключат к
трубопроводам, картина эта резко меняется. Фактический коэффициент улавливания
большинства циклонов не превышает 80%. Так сказывается тот факт, что пылинки
неоднородны по своей форме и размерам.

Многие виды
пыли обладают парусностью. Если дунуть на обычную бытовую пыль, она взовьется в
воздух и будет долго в нем парить. Одни пылинки летят вверх, другие медленно
оседают, третьи беспорядочно пляшут в потоках воздуха. Особой парусностью
обладают волокнистые частицы. Когда они попадают в циклон, то на них при
вращении в потоке действуют две силы: одна -- центробежная, отталкивающая
пылинку к стене, другая -- центростремительная. Последняя возникает потому, что
на пылинку влияет уходящий из циклона воздушный смерч. Как парусник, попавший в
ураган, пылинка несется вслед за потоком и вылетает из циклона. Чем больше
таких частиц попадает в циклон, тем ниже его эффективность.

Известный
специалист по вентиляции профессор Батурин, зная эти недостатки циклонов,
предложил очистку воздуха от пыли производить в пылеосадочных камерах,
конструктивно напоминающих анфиладу "комнат" со смещенными друг относительно
друга дверными проемами. Запыленный воздух входит в дверь и за счет расширения
теряет свою скорость. Ранее поддерживаемые струей крупные частицы пыли при этом
также теряют скорость и падают. Освободившись от тяжелых частиц, воздух входит
в следующую "комнату", и там из него выпадают более мелкие фракции. Затем
следуют третья и четвертая "комнаты", затраты энергии на прохождение которых в
камере Батурина очень незначительны. Ведь скорость движения воздушного потока
здесь ничтожно мала.

Но кроме
энергии есть и другая статья затрат -- стоимость самого аппарата. Ведь для того
чтобы разместить на заводе анфиладу "комнат", нужно пожертвовать
производственной площадью; чтобы сделать стенки камеры непроницаемыми, нужно
вложить ценный материал и труд рабочих. Словом, экономия на электроэнергии
полностью поглощается капитальными затратами.

Может быть,
чтобы как-то сократить габариты камеры, в нее поместить коронирующие и
осадительные электроды. Но тогда получится электрофильтр. Его сопротивление
потоку воздуха тоже ничтожно, но электрооборудование, необходимое для создания
потенциала, и его эксплуатация обходятся дорого. Построить камеру с
дождевальной установкой -- возникает другая проблема: куда девать сточную воду?
Поставить в камере генератор ультразвука -- опять нехорошо. На создание
ультразвуковых волн расходуется очень много электроэнергии, к тому же они
угнетающе действуют на организм человека. И, вообще, все это не ново. И
электрофильтры, и оросительные камеры, и ультразвуковые пылеуловители
применяются в промышленности, но пока обычный циклон остается вне конкуренции.
Его дешевизна, компактность и, в общем-то, не такая уж высокая энергоемкость
вполне устраивают многие предприятия. Но есть заводы, где циклоны давно
потеряли право на жизнь. И стоят-то они там только потому, что до сих пор не
было изобретено пылеуловителя, который обладал бы такой же компактностью,
дешевизной и неприхотливостью в эксплуатации, как циклон.

Вот,
например, в хлопкообрабатывающей промышленности электрофильтр не поставишь. От
электрических разрядов загорится хлопок. Оросительная камера там тоже ни к
чему. Улавливаемый из системы пневмотранспорта хлопок должен оставаться сухим.
Поставить обычную пылеосадочную камеру? Но на среднем хлопкоочистительном
заводе пневмотранспорт выбрасывает такое количество запыленного воздуха, что
для его очистки рядом с одним корпусом завода потребуется воздвигнуть такой же
корпус, в котором разместились бы пылеосадочные камеры... Не лучше положение на
асбестоперерабатывающих, льноперерабатывающих и многих других предприятиях.
Словом, нужен не циклон, а антициклон.

"Антиконструкция"
родилась совершенно случайно. Как это произошло, я расскажу позже. В поисках
способа улавливания пыли мне пришлось сделать все наоборот: подавать запыленный
поток не по касательной к корпусу циклона, а по его вертикальной оси. Очищенный
же воздух отсасывать из патрубка, который раньше назывался входным. Циклон
сделали стеклянным с подвижным входным патрубком, расположенным по вертикальной
оси так, что его торец был направлен на отверстие для выгрузки улавливаемого
материала. С первых же мгновений испытания стало ясно, что налицо совершенно
новый эффект. Парусная пыль при повышении скорости воздуха не тянется послушно
за ним, как в обычном циклоне, а с резким хлопком вылетает в пылевыпускное
отверстие. И, наоборот, при понижении скорости она, не достигая отверстия,
делает поворот кругом и уходит в вытяжной патрубок.

Вот первое и
основное отличие нового пылеуловителя от всех его старших собратьев. Ведь и в
оросительных камерах, и в электрофильтрах, и в ультразвуковом аппарате, и во
всех прочих системах пылеуловителей стоит увеличить скорость прохождения
газового потока выше нормы, как сразу ухудшается эффект пылеулавливания. В
антициклоне же все наоборот, чем выше скорость потока, тем сильнее летят
частицы пыли в отверстие для выгрузки. Из этого следует, что можно
сконструировать сверхкомпактный пылеуловитель, ведь площадь его сечения будет
уменьшаться пропорционально росту скорости воздушного потока.

Итак,
достигнута первая цель технической задачи -- компактность аппарата. Практически
он будет занимать вдвое меньше места, чем обычный циклон. Вдвое меньше пойдет
на его изготовление листовой стали. Следовательно, и цена его будет значительно
ниже. Остается подсчитать эксплуатационные затраты. Для преодоления
сопротивления обычного циклона расходуется часть электроэнергии, потребляемой
мотором вентилятора. Чем выше сопротивление циклона, тем больше электроэнергии
уходит на его преодоление. У антициклона сопротивление в 2 с лишним раза
меньше, чем у обычного циклона.

По этому же
принципу был сконструирован еще один пылеуловитель, названный двухступенчатым.
В нем сочетается обычный циклон с антициклоном. Воздух, содержащий пушистые
частицы, например хлопка, входит сначала в обычный циклон и вращается в нем.
При этом пушинки сталкиваются и накатываются в довольно большие шарики, из