Главная    Истории из жизни    "Быстрые капли."

"Быстрые капли."

Мухачев В.М.
(М. "Московский рабочий", 1968 (стр. 85-117))

Наш союз с лабораторией "по ту сторону коридора" - в действии. Второй вопрос, заинтересовавший нас,- добыча, дробление и измельчение горного сырья. Эти процессы стоят чрезмерно дорого; надо изобрести принципиально новые, экономичные пути. Год от года пускать на промышленные разработки приходится все более и более бедные источники сырья. Особенно это относится к горно-химическому и горнометаллургическому сырью. От этого дорожает продукт. Стало быть, эксплуатация более бедных источников сырья требует новой техники, революционных изобретений. "Нередко изобретатель,- как говорил известный советский патентовед Энгельмейер,- должен, так сказать, угадать потребность уже тогда, когда она еще только назревает".

Мы - трое ученых - профессор Ф. Ф. Ланге, кандидат технических наук Л. В. Мигунов и я собираем консилиум. "Больная" - экономика измельчения. Диагноз - недостаточная интенсивность процессов. Болезнь запущена. Лечение требуется радикальное. Для назначения правильного лечения надо как следует изучить организм больной. У каждого из нас на столе появляются стопки книг. Еще бы! Мы осмеливаемся подвергнуть сомнению тот метод лечения, который применялся по указанию специалистов. А мы - не специалисты, новички в этом доме. Но именно нам-то, со стороны, гораздо виднее общая картина. Кстати, специалист часто из-за деревьев не видит леса. В этом - в отсутствии традиций и предрассудков - было наше преимущество.

И вот мы приступили к работе. Приступили, движимые только неудовлетворенностью состоянием техники измельчения и желанием изобрести что-то, поднимающее эту технику на новый, более высокий уровень.

Достаточно ли этих стимулов, чтобы изобрести?

На мой взгляд, для изобретателей, уже имеющих творческий опыт и знание материала, вполне достаточно. Нельзя поручиться, что новое изобретение произведет техническую революцию, но изобретение будет обязательно. Вооружаемся такой решимостью и начинаем. Ведь "наши желания,- как говорил Гете,- суть предчувствия имеющихся у нас способностей и предтечи тех вещей, которые мы в состоянии выполнить. То, что мы можем и что желаем, представляется нашему воображению находящимся вне нас и в будущем, так что мы ощущаем влечение к предмету, которым уже обладаем втайне. Таким образом, страстное предвосхищение превращает возможность в воображаемую реальность".

Книги, книги, книги... Читаем. Сравниваем. Картина становится все более ясной.

Ежегодно приходится измельчать миллионы тонн каменного угля, руды и нерудных ископаемых. Требования к качеству помола непрерывно повышаются. Это понятно: ведь, например, тонкое измельчение угля позволяет извлечь из него все ценные фракции (коксующуюся часть, сырье для получения полупроводников, химическое сырье) и предотвратить отравление атмосферы сернистыми соединениями.

Тонкое измельчение руд, как правило, облегчает их обогащение.

Мельницы в процессе измельчения материалов изнашиваются, значит, тысячи тонн легированной стали идут в скрап и пыль. На каждую тонну получаемого материала расходуется, в зависимости от характера материала и тонины помола, от 5 до 55 квт-ч. Только ежегодный прирост расходов на измельчение во всем мире по размеру равен стоимости суточного пищевого рациона населения всего земного шара.

Почему же измельчение стоит так дорого? Причины - неэффективность применяемых методов и аппаратов и многостадийность процесса, с чем связаны большие капитальные затраты, необходимость подготовки целой армии рабочих и инженеров, изготовление увесистой и разноликой техники для весьма длинной технологической цепи.

Инженеры уже давно обратили внимание на возможность разрушения горных пород ударом воды, благо, за малыми исключениями, ее можно считать самым доступным природным материалом. К тому же попутно решается вопрос об удобном и экономичном транспорте добытых твердых материалов - по трубопроводам.

Гидравлические методы широко используются при разработке россыпей, а в отдельных случаях - для открытой разработки малопрочных углей. Гидравлическое разрушение пород средней крепости ограничивается опытными промышленными установками, а разрушение крепких пород пока не вышло за пределы экспериментальных установок совсем небольшого масштаба. Такое слабое развитие гидравлических методов применительно к более крепким горным породам имеет веские причины: неудовлетворительность самого способа получения струи жидкости, неправильное и весьма неполное использование ее свойств.

До сих пор большие скорости жидкости придают путем выбрасывания ее под большим давлением из сопла. Высокое давление создается специальными гидрокомпрессорами или гидравлическим тараном. Но использование высокого давления требует специальных коммуникаций для его передачи и лишает установку подвижности. Само создание предварительного высокого давления связано с общеизвестными затруднениями и ограничениями.

Второй недостаток вытекает из неправильного освещения и разрешения в современной науке вопросов энергетики собственно процесса разрушения твердых тел гидравлическим методом. Для технических целей до сих пор используют только разрушение струей "большого давления", постоянно направленной на предмет.

При этом для разрушения даже таких не очень прочных материалов, как известняк или каменный уголь, требуется давление до 200 атм. и выше, что соответствует скорости воды 200 м/сек. Между тем, применяя метод частых ударов, более твердый и прочный материал можно разрушать при скоростях в 3 раза меньших, чем при методе постоянной струи.

Кто-то из товарищей по работе рассказал о том, что на одном из кавказских рудников пробовали обстреливать грудь забоя из пулемета. Руда измельчалась, и все было бы хорошо, но... куда девать пули?

Надо взять такое вещество, которое было бы твердым и прочным в момент выстрела и попадания в цель, а потом исчезало бы.

Да ведь у нас как раз и получаются такие водяные пули! При высоких скоростях они тверды, как сталь. Когда же они сделали свое дело, то становятся обыкновенной водой и текут под уклон.

Физическая сущность разрушения горной крепкой породы - это не гидравлический удар. Хотя энергия гидравлического удара капли недостаточна для разрушения скальных пород, струя в виде отдельных капель разрушает их при напорах ниже их предела прочности. При сплошной струе для достижения того же эффекта напор должен превышать предел прочности материала разрушаемого тела.

Известно, что энергия струи жидкости на единицу массы пропорциональна квадрату ее скорости. Следовательно, идя методом частых ударов и добиваясь эффективного разрушения при меньших скоростях, можно улучшить экономику технического процесса в десятки, а может быть, даже в сотни раз.

При современных успехах техники быстроходных машин проще и лучше создавать скорость непосредственно, а не обходным путем, через давление, как делают теперь.

Большие скорости легко получаются на ободе быст-ровращающегося ротора. Струю ротор дает именно такую, какую нужно: отдельными каплями. Чтобы избавиться от всех промежуточных "инстанций", посадим ротор прямо на вал электромотора, а чтобы получить максимальную скорость, электромотор возьмем высокочастотный. Оп к тому же компактнее и легче других двигателей.

Этим выбором мы берем быка за рога: облегчаем организацию серийного производства и получаем дешевый, подвижный аппарат.

Полый вал высокочастотного электромотора заканчивается ротором с соответствующими каналами и соплами (рис. 20). Вода впрыскивается в ротор под напором, обычным для водопровода. В роторе она приобретает скорость, равную окружной скорости сопла. Гидростатическое давление воды, порождаемое центробежными силами, в сопле преобразуется в кинетическую энергию, которая дает вторую слагаемую скорости. Результирующая скорость получается сложением этих двух векторов и зависит от конструкции ротора.

Рис. 20 Общий вид аппарата:
1 - корпус; 2 - статор высокочастотного электромотора; 3 - ротор высокочастотного электромотора; 4- полый вал электромотора; 5 - ротор центрифуги; 6 - канал; 7 - сопло; I. - впрыск воды; II. - выход воды; III. - грудь забоя.

Сейчас достижимы окружные скорости до 700 м в секунду. Значит, применяя ротор, можно получить скорость даже 1400 м в секунду - в 4 раза больше скорости звука в воздухе и в 2 раза больше скорости винтовочной пули. Чтобы создать такую скорость в гидромониторе, потребовался бы гидрокомпрессор на давление по крайней мере в 10 тыс. атм., что нереально.

При расположении сопел на лобовой поверхности ротора нормально рабочая скорость жидкости на 40% больше окружной. Этот ротор особенно удобен для ряда промышленных целей, так как дает направленное движение жидкости. Достигаемая посредством его скорость жидкости 1000 м в секунду по расчетам более чем достаточна для разрушения даже таких крепких горных пород, как кварц, особенно если применить сосредоточенный удар. Для пород средней крепости можно довольствоваться окружной скоростью ротора что-нибудь около 100 м в секунду, что при диаметре ротора, скажем, 200 мм требует всего около 10 000 оборотов в минуту. Частота тока при этом потребуется около 200- 250 герц.

На рис. 20 показан общий вид аппарата. Как видно, по простоте, легкости изготовления, а значит, и по цене он лишь незначительно отличается от электромотора.

Массивный ротор на одном валу с электромотором - это маховик, аккумулятор энергии. При периодическом пропуске воды маховик позволяет развивать в то небольшое время, какое требуется для процесса, громадную мощность, во много раз превышающую среднюю мощность привода. Маховик-ротор при этом тормозится, но в интервалах, крутясь вхолостую, снова набирает обороты и энергию от электромотора.

Регулируя частоту импульсов, можно получать от ротора капли самого различного размера и вести разрушение массива горной породы так, как это требуется в различных случаях. Можно превращать горную породу и в тончайшую пыль, и в куски заданного размера: "орешек", "кулак" и даже в глыбы.

Центробежные насосы для давлений в несколько сот атмосфер сделать нельзя. По ряду вполне обоснованных причин техника высоких давлений идет по пути применения поршневых гидрокомпрессоров. Они имеют малую производительность и низкий коэффициент полезного действия - около 0,5. Для промышленной гидравлики они не пригодны. Только ротор может обеспечить получение мощной струи высокой скорости с хорошим коэффициентом полезного действия.

Рис. 21. В канале ротора возникает гидростатическое давление, преобразовываемое в кинетическую энергию струи со скоростью Vокружная Двигаясь ввесте с ротром, сопло придает воде, протекающей через него, скорость, равную по величине и направлению окружной скорости Vокружная.. Действительная скорость выброшенной из сопла жидкости Vрабочая получается геометрическим сложением векторов Vструи и Vокружная.

Ротор позволит избежать излишнего большого расхода стали при измельчении, совместить измельчение материала с его добычей и даже обогащением, получая при этом желаемую тонину помола за один прием и существенно снижая стоимость измельчения. Вместо длинной цепи аппаратов - один ротор. Вместо тысячной армии людей - несколько "ротористов".

Рис. 22. Пользуясь тем, что действительная скорость струи Vрабочая получается сложением векторов Vокружная и Vструи, можно получить Vрабочую, равную удвоенной окружной скорости. Для этого достаточно направить сопло в сторону вращения.

Мы подошли к задаче с предвзятым мнением: техника измельчения отстала от жизни, и нужно хорошее изобретение, чтобы подхлестнуть ее как следует. Правильно ли начинать дело с предвзятого мнения? Да! По двум причинам.

Во-первых, рассуждая диалектически, начало всякого нового дела - отрицание старого.

Во-вторых, во всяком начинании нужна руководящая идея, которая дисциплинировала бы рассуждения и давала направление в работе. Ведь в этом вся сила изобретательской мысли. В начале творческого процесса руководящая идея - это и есть предвзятость.

Рис. 23. Если сопло расположить на лобовой поверхности ротора, то жидкость будет выбрасываться ротором в одном направлении: перед лобовой поверхностью ротора. Это практически удобно.


Рис. 24. На рисунке схематически изображено анфас простейшее решение импульсного способа работы.
В полный вал ротора 1 вставлена неподвижная труба 2 с боковым отверстием 3. При вращении ротора устье канала 4 периодически совмещается с отверстием 3. При этом в канал 4 отсекается порция жидкости. Периодичность изображения на рисунке решения - один импульс за один оборот. Другими приемами периодичность импульса может быть получена другая, с большей выдержкой времени, а импульсы - более мощные.

Хуже всего иметь предвзятое мнение, но не отдавать себе отчета в том, что ты его имеешь, какое оно и годится ли для рассмотрения вопроса, и тем не менее им воспользоваться. Нетерпимость в отношениях между изобретателем и людьми, к которым он обращается за содействием, к сожалению, имеет основания именно в том, что сталкиваются безотчетно предвзятые мнения, часто противоположные по смыслу.

"Часто говорят, что экспериментировать необходимо без предвзятого мнения. Но это - вещь невозможная... Бессознательно предвзятые мнения в тысячу раз опаснее,- говорил известный французский физик и математик Пуанкаре,- чем сознательные; те и другие предвзятые мнения взаимно компенсируются" 39.

Вот что говорят о предвзятости другие знаменитые ученые.

Немецкий физик Герц, открывший электромагнитные волны: "Ошибочно постоянно удерживать в ходе исследования какое-нибудь предвзятое мнение, но в начале этого исследования такое мнение не только не вредно, но даже необходимо" 40.

"Ничто не делается без предвзятых идей,- говорил Л. Пастер,- нужно лишь быть настолько разумным, чтобы только тогда верить в собственные идеи, когда они подтверждены на опыте" 41.

Опытом проверяется правильность человеческого мышления. Но вся соль в том, что "не надо забывать,- как говорил Ленин,- что критерий практики никогда не может по самой сути дела подтвердить или опровергнуть полностью какого бы то ни было человеческого представления" 42.

Человечество развивается, только опровергая новым опытом опыт предыдущий. Ведь как говорил Герц, "что дано опытом, то им же может быть опровергнуто" 43. Это сказано в книге Герца "Основы механики" и в предисловии, написанном Гельмгольцем. Последний соглашается с Герцем.

* * *

Работать творчески вдвоем-втроем много легче, чем одному. Во всех отношениях легче: огромный труд изучения вопросов, относящихся к задаче, всякого рода расчеты по ходу работы, кропотливый труд разоблачения всякого рода химер, от которых надо избавиться до того, как изобретение выходит "на люди",- весь этот груз распределяется на плечи двух-трех человек. Каждый участник имеет свою точку зрения, и удары взаимной критики помогают скорее разрушить "китайские стены" предрассудков, укоренившихся в сознании каждого из нас и мешающих развивать новые идеи.

Критика нужна во всяком деле. Каждый из нас, соавторов, в ходе работы в чем-то ошибался. Терпеливое выслушивание критических замечаний, как бы несуразны они ни казались, уважение к мнению другого, готовность по-деловому доказывать и опровергать все, что по ходу дела нужно, превратило взаимную критику в инструмент оттачивания основного замысла.

На стене висел старинный офорт, изображавший Галилея, демонстрирующего свою систему во Флоренции. Выработанная нами методика совместной работы оживила эту картину. В самом деле, что мы должны сказать о таких новаторах в науке, как отец современной науки Галилей, который отстаивал мнение, вызывавшее возражения огромного большинства, но впоследствии завоевавшее поддержку почти всех? Идеи дошли до людей посредством аргументов, а не эмоциональных призывов или применения силы. Тут предполагается иной критерий, чем общее мнение.

Оценка изобретательских предложений - острый злободневный вопрос. Он и не может быть иным. Ведь здесь заложены не только объективные практические трудности: правильность изложения изобретения, компетентность, эрудиция и добросовестность эксперта, отсутствие разных привходящих обстоятельств и т. д. и т. п. Как ясно из вышеизложенного, оценка изобретений имеет и принципиальную, теоретическую трудность, основанную на диалектичности самого процесса познания.

Если в научно-исследовательском институте к оценке изобретательских предложений привлекаются прогрессивные, честные работники, то все, казалось бы, в порядке. Но где та мерка, которую нужно приложить к данному инженеру, оценивающему данный вопрос, чтобы убедиться, что в данном случае он прогрессивен и объективен?

А ведь от экспертизы зависит судьба изобретения: быть или не быть ему оформленным авторским свидетельством, попасть или не попасть в списки изобретений, рекомендованных для реализации.

При оценке изобретательских предложений крайне опасно полагаться на мнение большинства, так как новое, как правило, с трудом воспринимается сознанием большинства людей. Стало быть, для правильной их оценки надо выбрать какой-то другой путь, применить какие-то иные критерии. Что же делать?

Очевидно, полагаться на посредство аргументов, на научный подход в решении вопросов. Такой подход в любых творческих спорах, как известно, заключается в следующем:

каждое мнение автора и оппонентов должно быть соответственно доказано и обосновано;

при доказательствах и обосновании мнений должны учитываться: благо всех людей, а не какой-либо группы; экономное расходование труда всех людей; динамика и перспективы развития науки и техники; рациональное использование природных ресурсов; кроме того, обсуждаемый вопрос должен разбираться всесторонне, а не с точки зрения какой-либо группы;

в случае несовпадения обоснованных мнений истина находится научно поставленным экспериментом;

решения в этих спорах принимаются не большинством голосов, а путем анализа всех высказанных обоснованных мнений, в том числе и по экспериментам; решения принимаются только в том случае, если автор и любой участник дискуссии убедятся (и заявят об этом), что они поняты правильно и их мнения при обсуждениине искажены.

Можно подумать, что, руководствуясь этими заповедями, спорщики никогда не придут к какому-либо решению. Но при высказывании научно обоснованных мнений это исключается. Свободная дискуссия по научному вопросу имеет ту особенность, что вспыхивает и ведется она то тут, то там, в обширной аудитории, изменчивой в своих формах, границах и составе. В этих условиях люди беспринципные, высказывающие необоснованные суждения, действующие импульсивно, эмоционально или с волевым нажимом, неизбежно переходят от наступления к защите и в конечном счете остаются за бортом научного спора. Таким образом, они постепенно теряют свое влияние. Люди же науки, за редким исключением, придерживаются одинаковых интеллектуальных стандартов, и поэтому дискуссии и исследования обычно приводят к логическому завершению.

Искры из кремня.

Удары судьбы ломают слабых людей и закаляют сильных. Удары критики разрушают слабые идеи - заблуждения. Но если ядро мысли крепкое, то эти же удары, как кремень из стали, высекают искры новых идей. И вот наше гидравлическое измельчение попало под перекрестный огонь жестокой критики. Идея гидравлического ротора выдержала все испытания критики. А от критических ударов родились новые изобретения. "Каждое разрешение проблемы включает новую проблему" (Гете) 47. Добавлю: и даже целые цепи изобретений, каждое из которых опирается на плечи предыдущего.

Истечение воды из сопла ротора при гидравлическом измельчении происходит с огромной скоростью. Хотя сопло и короткое, но из-за большой скорости потери напора в нем могут достигать заметных размеров. Большие скорости - это повышенный износ, опасность разрывов сплошности жидкости и появления кавитации - явления, разрушающего гребные винты быстроходных судов, колеса центробежных насосов и колена тубопро-водов.

Подумаем, как же происходит разрушение твердой поверхности жидкостью в случае кавитации? Частица жидкости обязательно должна ударить о твердую поверхность, зацепить и выбить оттуда частицу твердого материала. Вспоминается прочитанное (в связи с моими изобретениями в области катализа) о мономолекулярных пленках.

В этих пленках молекулы все как одна расположены одинаково: одним концом, содержащим одни группы атомов, молекулы крепко держатся за молекулы твердого тела, а другим концом, несущим группы атомов с другими свойствами, как "трава на газоне" (именно такое сравнение пришло в голову), торчат наружу... Снова книги, справочники, новейшие журналы. Исчерпывающее знакомство с гидрофобными материалами. Тефлон? Очень хорош! Но пока что им трудно покрывать металлические поверхности. Покрытие получается непрочное. Полиэтилен? Тоже хорош! Но на металлах он держится неважно. А вот кремнийорганические соединения отлично подходят, потому что они прочно покрывают поверхность металла, как бы спаиваясь с ним в одно целое. Гидрофобный слой в сопле уменьшает трение и исключает разрушение кавитацией, потому что молекулы воды, ударяясь о гидрофобную поверхность, не могут зацепить ни одну молекулу такого полимера. Раз так, то можно резко снизить напор, создаваемый водопроводными станциями для преодоления трения воды о стенки труб. Даже стоит делать водопроводные трубы из полимеров, например из полиэтилена. Это дешевле и в изготовлении и в эксплуатации.

В опасных местах трубопроводов, чаще всего разрушаемых кавитацией, металлические колена надо заменить коленами, изготовленными из гидрофобных пластмасс или покрытыми ими. Теми же средствами можно сохранить гребные винты, и морские суда смогут дольше плавать без захода в док.

Дальше - причудливый скачок мысли. По ассоциации с образом "как трава на газоне" вспомнилось, как я с братом во время отпуска мыл золото. В качестве ловушки после вашгерда мы клали дерн. Размытый песок протекал по траве. И действительно из дерна потом вытряхивалось каждый раз по нескольку крупинок золота. Так вот эта "трава" должна быть из гидрофобного полимера. Тогда будет улавливаться даже плавучее золото. То самое таинственное золото, из-за которого драги недодают, бывает, 30-40% золота. Маты и плис на дражных шлюзах надо сделать из гидрофобного полимера, ну хотя бы из полиэтилена, нейлона, капрона, нитрона, или покрыть соответствующим гидрофобным лаком.

Касаясь одного из своих открытий, русский академик Б. С. Якоби однажды сказал, что "это открытие было результатом того духа противоречия, которому я обязан большинством других своих открытий" 48.

По этому руслу и пошло наше дальнейшее изобретательство в области измельчения.

Нам заявили, что вода, выбрасываемая ротором, будет распыляться и потеряет, таким образом, разрушительную силу. Расчетом мы показали, что воздух, заключенный между ротором и грудью забоя, не может отнять у воды более 5-6% энергии, а это практически неощутимо. Мы доказали, что измельчение можно осуществить в вакууме, и представили одобренный теперь проект гидравлической центробежной мельницы с ва-куумированием (рис. 25). Более того, показали, что частичный вакуум в забое на угольных копях позволит извлекать и использовать содержащийся в угольных пластах метан.

Далее была подвергнута сомнению эффективность измельчения капельками воды. Расчетом с использованием опытных данных мы доказали, что при скорости 700 м в секунду - скорость пули - капельки воды дробят даже кварц, и предложили при добыче руды использовать тяжелые солевые растворы, а также жидкие отходы гидрометаллургических заводов.

Рис. 25. Гидравлическая центробежная вакуумная мельница:
1 - герметичный корпус; 2 - шлюзовой питатель; 3 - кольцевая воронка; 4 - ротор с соплами; 5 - демпфированный полый вал; 6 - высокочастотный электродвигатель с полым валом, I. - подача дробленой руды; II. - подача воды; III. - отсос пульпы.

Мы предложили обогащать руду в самом забое с применением нашего ротора, работающего на воде с добавкой флотореагентов. При подаче химических реагентов гидрометаллургическую операцию выщелачивания можно перенести прямо в забой, активизируя химические реакции такой ударной обработкой. Чтобы "добить" неверующих, мы показали, что ротор может в корне изменить технологию и сухого измельчения. Проект такой центрифуги одобрен.

Сухой помол больше всего применяется в энергетике при сжигании угля в пылевидном состоянии и в промышленности строительных материалов для приготовления вяжущих: цемента и столь современного материала, как силикальцит эстонского изобретателя И. А. Хин-та. Сухой помол материалов - самая массовая и самая дорогая операция в промышленности. Измельчение ведут в шаровых мельницах, в вибромельницах, во всякого рода ударных мельницах, в струйных и вихревых мельницах. Измельчение связано с огромным расходом энергии, особенно в струйных и вихревых мельницах, в которых значительные массы воздуха приводятся в вихревое движение с большой скоростью и с большим расходом мелющих средств: шаров, бил и т. п., превращаемых в пыль. Всякое удешевление этого процесса, умноженное на общий миллионный тоннаж размалываемых материалов в масштабах всей страны, принесет огромную экономию.

Решаем, что надо начать с того, чтобы нашей новой центрифуге (а какая она будет, мы и сами еще пока не знали) не дать делать "зряшную" работу. Расход энергии на измельчение невозможно снизить ниже уровня, определенного физическими свойствами измельчаемого материала. Это мы прекрасно понимали. Но измельчать материал мельче, чем требуется, центрифуга не должна.

Процесс изобретения, начавшийся 32 года назад с размышлений над перемешиванием пульпы в автоклаве, привел к изобретению целого нового племени центрифуг, к использованию центрифугирования для целей гидравлического измельчения, высек новые искры, давшие новую серию разнообразных изобретений, в том числе и эту центрифугу для сухого измельчения материалов.

Изобретение - это процесс. Ленинский принцип: "Идея есть по существу своему процесс"49, звучит для изобретателей как принцип неотрывности изобретателя от его изобретения.

В отношении использования материальной заинтересованности в области технического прогресса кое-кто придерживается неправильного, неленинского представления о том, что дай деньги - и человек сделает все, что от него требуют. В действительности ленинский социалистический принцип использования материальной заинтересованности заключается в том, что нужно отыскать людей, морально уже заинтересованных в проведении такой-то работы, и исполнение этой работы возложить именно на этих заинтересованных людей. Эти люди непременно сделают работу лучше, быстрее и дешевле равнодушных людей. Для дела, несомненно, было бы гораздо полезнее передавать разработку изобретений в руки людей, морально заинтересованных в разработке и максимальном внедрении изобретения, в руки самих изобретателей.

С чьей-то "легкой" руки принято считать само собой разумеющимся отсутствие у изобретателей деловых качеств. Отсюда делается вывод, что изобретателям нельзя доверять реализацию их же изобретений.

Несостоятельность этого мнения доказывается прежде всего тем, что изобретатель выдумывает и предлагает нечто более совершенное, чем существующая техника. Ежедневным, ежечасным наглядным подтверждением этого служит практика специальных, в том числе и персональных, лабораторий и конструкторских бюро, созданных для отдельных выдающихся изобретателей. Именно этим путем в Советском Союзе был создан ряд выдающихся шедевров в технике. Это видно на ряде общеизвестных конкретных примеров.

Для изобретателя В. Лемина, создавшего немало эффективных агрегатов и установок по химической переработке древесины и ее отходов, Ленинградская лесотехническая академия имени Кирова построила специальный опытный полигон4. Мощные экспериментальные службы на Калужском турбинном заводе, в которых были созданы хорошие условия для творческой деятельности наиболее талантливых инженеров, дали ощутимые результаты: новые конструкции создаются здесь за четыре-пять месяцев вместо обычных двух-трех лет. И обходятся они в несколько раз дешевле5.

Стало быть, дело не в том, что у изобретателей будто бы нет деловых качеств, а в том, что эти добрые ростки зачастую вянут на неподходящей почве. Кто похвалит пахаря, бросающего зерно на необработанную землю? Так почему же не распространяется хороший опыт создания для талантов хорошо удобренной, подготовленной почвы, где они могли бы расти и приносить урожай, в тысячи раз больший, чем на скудной почве?

Было бы неплохо использовать этот опыт гораздо шире и смелее и установить, что с выдачей авторского свидетельства на изобретение изобретателю присваиваются права директора изобретения и что авторское свидетельство является также своего рода доверенностью государства автору. Установить, что авторское свидетельство дает автору право на материальную помощь государства в деле доказательства полезности изобретения, его распространения и использования в народном хозяйстве страны.

Тогда на изобретателей можно было бы возложить обязанность и труд доказательства правильности и полезности изобретений. А для обеспечения такого спроса с них надо обеспечить (забронировать) им в соответствующих организациях штатные места, фонд заработной платы и рабочие места.

Видите, и с этой точки зрения получается, что надо выразить безусловно и строго принцип неотрывности изобретателей от их изобретений. Мало того, надо, чтобы законом признавалась руководящая роль изобретателя при реализации его изобретения.

Именно таким путем можно создать работоспособные и успешно действующие коллективы вокруг активно работающего изобретателя.

Возвращаюсь к центрифуге. Несомненно, дело двигалось бы у нас гораздо быстрее, имей мы тогда в своем распоряжении соответствующую лабораторию. Но ее не было, и все опыты нам приходилось делать в уме, сопоставляя сведения о существующих методах и аппаратах для измельчения.

Методы ударного измельчения дают наивысший выход частиц заданного размера - 70-80%, вихревые мельницы - 50-60% и шаровые - менее 40%. Это значит, что мельницы, измельчающие посредством удара, устроены в принципе наиболее целесообразно. Расход энергии в них может быть уменьшен по сравнению, например, с шаровыми мельницами в несколько раз.

Наиболее эффективным измельчающим аппаратом ударного действия является дезинтегратор. На получение единицы новой поверхности измельчаемого материала дезинтегратор расходует энергии в 2 раза меньше, чем вибромельница, и в 10 раз меньше, чем шаровая мельница, не говоря уже о струйных и вихревых мельницах. По данным строительной практики, расходы на дезинтегратор составляют всего 10% себестоимости изделий, изготовленных на основе измельченного материала. Дезинтегратор производительностью 3 т в час расходует 12,5 квт-ч на тонну помола. Расход стальных пальцев достигает 0,85 кг на тонну. Пальцы из твердого сплава изнашиваются немного меньше - 0,3 кг на тонну помола, но все равно пальцы приходится заменять каждую смену. Это связано не только с простоем аппарата, но и с изменением качества помола в течение смены по мере износа пальцев.

Отличное качество помола обеспечивают вихревые и струйные мельницы - тоже аппараты ударного действия. В них воздушные вихри или потоки увлекают частицы материала и с силой бросают навстречу другим движущимся частицам. Но вихревые мельницы имеют низкую производительность, и стоимость помола получается очень высокой. Так, вихревая мельница мощностью 20 квт при помоле металла имеет производительность всего 7-10 кг в час, что означает расход электроэнергии более 2000 квт-ч на тонну и стоимость помола более 60 руб. за тонну. Такая высокая стоимость приемлема, понятно, только в исключительных случаях, когда очень ценный продукт не может быть измельчен никакими другими средствами (например, сухое мясо, канифоль и некоторые другие материалы). Лучшие струйно-вибрационные мельницы в США при измельчении до 75 микрон расходуют 16-18 квт-ч на тонну помола, а до 0,5 микрона - 250 квт-ч.

Наибольший интерес представляют центробежные мельницы без мелющих тел, также работающие по принципу измельчения ударом. В отличие от хаотического движения частиц в вихревых мельницах, дезинтеграторах и т. п. удар в центробежных мельницах направлен.

Шаровая мельница весит 45 т и расходует на тонну помола 17 квт-ч, а центробежная мельница соответствующей производительности даже самой несовершенной конструкции весит всего 5 т и на тонну помола такого же качества расходует всего 5 квт-ч. Но и эта мельница все равно имеет значительный износ ротора, а большую часть энергии также затрачивает на бесполезное вихрение воздуха. Ее принципиальные преимущества долгое время сводились на нет ее конструктивной неуклюжестью и вихрением воздуха.

В изобретении центрифуги для сухого помола мы шли классическим путем.

"Каждый раз приходилось сперва всячески переворачивать мою задачу на все лады так, что все ее изгибы и сплетения прочно залегали в голове и могли быть снова пройдены наизусть без помощи письма. Дойти до этого невозможно без долгой предварительной работы". Это слова Гельмгольца.

"Предмет, мерцающий неопределенно, как бы в сумерках, становился все более и более светлым и, наконец, начинал сиять ярким блеском",- так описывал И. Ньютон этот тип творчества50.

Из всего, что мы узнали о способах сухого помола, можно было сделать бесспорный вывод: самым выгодным способом сухого помола было бы измельчение в центробежной мельнице при условии устранения бесполезного вихрения воздуха и износа ротора.

В конце концов решение было найдено. Вот оно.

Внутри корпуса центрифуги (рис. 26) помещен быстроходный ротор и загрузочная камера с кольцевой щелью, из которой в приемник непрерывно течет материал. Через центральную воронку часть материала поступает в ротор и с большой скоростью выбрасывается из его отверстий на материал, текущий из кольцевой щели. Измельчение происходит при соударении частиц.

Особенностью этой мельницы является то, что ее ротор помещен в камере с минимальными зазорами для уменьшения массы воздуха, вовлекаемого в вихревое движение.

Рис. 26. Центрифуга для сухого измельчения.
В разъемном корпусе I. с загрузочным отверстием 11 помещен ротор 2, приводимый во вращение от привода 3. Ротор находится в камере, образованной сверху концентричной воронки 4, а снизу - днищем 5. Зазоры в камере ротора минимальные. В центрифугу подается грубоизмельченный материал и в ней доизмельчается. Воздух подавать не надо. Измельчение происходит в точке 6 при соударении частиц, высыпающихся из периферической щели 7, с частицами, поступающими в ротор из центральной воронки 8, разгоняющимися в нем до больших скоростей и выбрасываемыми из периферийной части ротора. Измельченный материал поступает в сборник 9, из которого разгружается. Радикальные перегородки 10 исключают бесполезное вихревое движенеи воздуха, находящегося в корпусе. Параметры процесса измельчения регулируются сменными кольцами 12. Возможно исполнение центрифуги с регулировкой параметров процесса на ходу.

Все свободное пространство в центрифуге перегорожено поперечными диафрагмами, препятствующими образованию вихрей и распылению продукта и содействующими осаждению пыли. Тонина помола регулируется переставными кольцами. Центрифуга может быть выполнена с управлением на ходу путем перестановки колец по высоте.

Чтобы избежать переизмельчения, центрифуга должна работать, разумеется, в цикле с пневматическим классификатором.

Относительно ротора частицы движутся медленно, и поэтому при правильном профилировании каналов износ ротора минимален. Но, вращаясь вместе с ротором, частицы приобретают его окружную скорость и покидают ротор с высокой скоростью, обеспечивающей энергичное их соударение.

Опыт показал, что центрифуга позволяет достигать даже очень тонкого измельчения. При этом надо ожидать, что обработка обойдется во много раз дешевле, чем на существующих аппаратах. Если, например, для тонкого измельчения кварцевого песка в производстве силикальцита вместо дезинтегратора применить центрифугу, то при производительности 10 т в час расход электроэнергии, по расчету, снизится до 3,6 квт-ч на тонну помола, т. е. в 3-4 раза. К тому же габариты центрифуги будут всего 1,4 X 1,4 X 1,4 м. Выдавая продукт точно постоянных заданных свойств, она не потребует частой смены изнашивающихся частей.

Для помола цемента и угля нужны агрегаты производительностью (с учетом оборачиваемости полупродукта) порядка 100 т в час.

По расчету, этому удовлетворяет центрифуга с ротором диаметром 1800 мм при 800-1000 оборотах в минуту.

В дальнейшем центрифуга была усовершенствована. Появился второй соосный диск, применение которого позволило увеличить скорость соударения измельчаемых частиц 134.

Приняты меры к тому, чтобы специальным профилированием и защитой каналов внутри ротора и расположением их под определенным тупым углом к направлению движения исключить износ ротора и обеспечить наполнение каналов, предотвращающее появление в них вредного вихреобразования.

Успех и признание дочерних изобретений доказали правильность и целесообразность нашего основного головного изобретения - ротора для гидравлического измельчения.

Оглядываясь теперь на проделанную творческую работу по измельчению, я не перестаю поражаться накалу нашей мысли тех дней творческого содружества. "Любовь и вера воодушевляют изобретателя по отношению к своему замыслу,- писал известный знаток "изобретательского вопроса" Блох.- Он его любит, как свое детище (подчас даже сильнее, чем детей своих), и верит в него, как в реальность прекрасную и необходимую" 51.

"Летающие ленты"

В промышленности ежедневно фильтруются тысячи тонн самых различных материалов. Некоторые из них фильтруются сравнительно хорошо, как, например, концентраты на обогатительных фабриках, цементные и угольные шламы. Но есть и очень трудно фильтрующиеся осадки, как, например, мицельная масса в производстве пенициллина. Промышленность располагает целым арсеналом аппаратов, чтобы фильтровать получающиеся осадки. Это, прежде всего, вакуум-фильтры различных типов. По самой идее, они требуют вакуум-насосов. Если же говорить о непрерывно действующем фильтровании в многотоннажных производствах, то аппараты для этого - барабанные вакуум-фильтры - сами по себе не так-то просты. Для отделения осадка от фильтровальной ткани они требуют сжатого воздуха, а значит, кроме вакуум-насосов, нужны еще и компрессоры. Кроме того, их производительность находится в явной диспропорции с многотоннажностью производства. Фильтровальные отделения - это обычно "завод в заводе". Сложность их механического оборудования вызывает необходимость содержать целый штат обслуживающего персонала - механиков, слесарей, электриков и, конечно, солидную механическую мастерскую.

Еще хуже получается, когда осадки трудно фильтруются. Производительность вакуум-фильтров резко падает из-за замазывания пор фильтровальной ткани. Разные же добавки, разрыхляющие осадок, могут применяться только в тех случаях, когда ценность представляет не осадок, а отделяемый от него раствор.

Фильтр-прессы, применяемые для отфильтрования трудного осадка от раствора, также представляют малопроизводительные, дорогие в эксплуатации, к тому же обычно периодически действующие аппараты. Они также обрастают кучей вспомогательных аппаратов и устройств. Кроме того, фильтр-пресс - это аппарат с повышенным давлением, требующий тщательного поддержания плотности. Трудно найти людей, имеющих дело с фильтр-прессами и вполне довольных их работой.

Центрифуги в принципе имеют соблазнительное преимущество в том, что они не требуют ни вакуум-насосов, ни насосов высокого давления, ни компрессоров. В них фильтрование совершается под действием центробежных сил, развивающихся при вращении ротора.

Но, увы, все попытки фильтровать при помощи центрифуг наталкиваются на еще большее замазывание пор фильтрующей ткани. Действием центробежной силы частицы осадка вталкиваются в поры ткани гораздо глубже, чем на вакуум-фильтре или на фильтр-прессе. Поэтому фильтрующие центрифуги дают, как правило, грязный фильтрат и имеют невысокую производительность порядка 2-4 т осадка в час.

К недостаткам существующих фильтрующих центрифуг нужно отнести также и то, что роторы для них приходится изготовлять очень точно, из лучшей стали, а значит, они обходятся дорого. К тому же в любом случае ротор необходимо тщательно балансировать, что еще более удорожает изготовление. В настоящее время центрифуга стоит дороже, чем соответствующая по производительности установка вакуум-фильтра или фильтр-пресса.

Центрифуга оправдывает себя в том случае, когда процесс фильтрования осадка допускает большие центробежные силы. Чаще же всего под действием большой центробежной силы осадок уплотняется, прежде чем вся жидкость просочится сквозь него, и создается дополнительное сопротивление при фильтровании. Поневоле фильтрующие центрифуги должны быть сравнительно тихоходными, а в этом случае использование принципиальных преимуществ центрифуги крайне ограничивается.

Процесс фильтрования в существующих центрифугах по сути дела копирует фильтрование на вакуум-фильтре или на фильтр-прессе. И там и тут создается разность давлений над фильтровальной тканью и под ней, и жидкость вследствие этой разности давлений продавливается сквозь ткань и сквозь отделяемый при этом осадок. Можно, конечно, не допускать образования толстого и плотного осадка, чаще разгружая центрифугу, но это ведет, во-первых, к уменьшению рабочего времени аппарата, во-вторых, к потере энергии на торможение и новый разгон, и, в-третьих, разгрузочные приспособления просто не могут снимать очень тонкий слой осадка без угрозы повреждения фильтрующей части центрифуги.

Обычно оставляют на фильтрующей ткани центрифуги какой-то (на практике не очень тонкий) слой осадка из операции в операцию.

Техника центробежного фильтрования, можно сказать, запуталась в тенетах внутренних противоречий и, несмотря на принципиальные преимущества центрифугирования, до сих пор не может вытеснить явно устаревшую технику вакуум-фильтрования и фильтрования в фильтр-прессах.

Прежде всего, надо отказаться от слепого подражательства, от накапливания на фильтрующей ткани толстого слоя осадка. Раз процесс фильтрования идет выгоднее при тонком слое осадка, то так и надо делать, позаботившись лишь об увеличении рабочего времени. Центрифуга, отвечающая этому требованию, появилась совсем недавно.

Я регулярно слежу за многими журналами. Просматривая как-то популярный горный журнал ФРГ "Глю-кауф", я прочитал описание новой центрифуги. Эта заметка заставила меня вспомнить и привести в порядок все, что известно о фильтровании. И вот совершенно неожиданно рядом с центрифугой Фогеля всплыло воспоминание... о дедовом саде. Дед мне показал, как можно перевернуть стакан с водой, не вылив из него ни капли. Он научил меня проделывать такой же опыт с ведром: в саду я вращаю ведерко с водой на вытянутой руке. Вода действительно не льется через край. Но ведерко было дырявое и через дно текли струйки воды... Эта, десятки лет дремавшая в памяти, картина ожила. Она сохранилась в нетронутом виде.

Центрифуга Фогеля с двумя сложными барабанами, с массивной резиновой лентой неуклюжа и раза в 2-3 сложнее, чем нужно.

Центрифуга такого типа должна иметь только один барабан... Ну хотя бы такой, как на рис. 27. Одну за другой набрасываю на бумагу появляющиеся в воображении центрифуги... Ход мысли, в который я вовлек и членов своей семьи и который растянулся примерно на полгода, был такой:

1. В существующих фильтрующих центрифугах (тогда они назывались АГФ) ротор представляет собой диск, насаженный на конец оси. У диска - обод. В ободе - дорожка с бортажом. В эту дорожку вложено кольцо из фильтровальной ткани.

2. Все остается так же, но внутрь ротора ввожу три ролика, как и в центрифуге Фогеля, а кольцо делаю побольше. Получается так: кольцо фильтрующей ткани вращается вместе с ротором, как и у центрифуги АГФ, но на ролике оно отдирается от дорожки, обегает сбрасывающий ролик, через другой ролик снова возвращается на дорожку и прижимается к ней действием центробежной силы.

3. Вместо ротора - стальное перфорированное кольцо. Это много проще.

...Еще одно воспоминание далекого детства. Детская энциклопедия... Красочная вклейка: солнечная система... Сатурн, как голова в шляпе с полями... Его кольцо - совсем без опор - свободно вращается в пространстве...

Сверкает знакомая молния. Вот ее зигзаги: бесконечный ремень... Он хорошо имитируется склеенным бумажным кольцом. Бесконечный ремень можно выложить на столе в форме кольца. Это будет статическая модель.

Рис. 27. Центрифуга должна иметь только один арабан.


Рис. 27а. Ступеньки мысли.

Бесконечный ремень, если его пропустить между парой вращающихся роликов, образует в пространстве кольцо. Это будет динамическая модель колец Сатурна (рис. 28). Начинаем с этой моделью экспериментировать. Вдоль всего ремня посредине внутренней стороны выдавливаем желобок. Ничего не изменилось! Ничего не изменится, если роликов будет две пары. Фигура кольца сохранится и в том случае, когда ремень между двумя парами роликов заставить огибать еще один ролик. Это уже почти центрифуга. Почти, потому что на ремень действует центробежная сила, которую легко подсчитать, зная радиус кольца и его окружную скорость.

От модели до настоящей центрифуги - один шаг. Нужно лишь вместо ремня взять бесконечную фильтрующую ленту (рис. 29).

Рис. 28. Если бесконечный ремень пропустить между парой вращающихся роликов, он образует вращающееся кольцо; ничего не изменится, если роликов удет две пары; фигура кольца сохранится и в том случае, когда ремень между двумя парами роликов заставить огибать еще один ролик.

Подвожу итог, делаю расчеты, составляю проект.

Центрифуга без ротора чрезвычайно проста. Она легко может быть сделана силами любого предприятия. Отсутствие в ней массивного ротора избавляет от массы неприятностей: балансировки, вибрации, сложности изготовления, дороговизны и т. д. В качестве роликов можно брать стандартные шарикоподшипники. Профилированный обод надевается непосредственно на их наружное кольцо.

Современные шарикоподшипники позволяют в центрифуге без ротора достигать скорости ленты более 100 м/сек. Но такие высокие скорости даже и не требуются. Расчет показывает, что простая одновитковая центрифуга с лентой шириной 70-100 мм и длиной 7- 9 м при скорости 50-60 м/сек может в час давать из слива углеобогатительной фабрики до 70 т углистого осадка.

При небольших скоростях лента делается из обычного фильтровального полотна. При больших скоростях применяют ткань из прочной пластмассы. В особых случаях лента армируется металлической проволокой.

Для характеристики дешевизны центрифуги стоит упомянуть, что действующая модель центрифуги обошлась автору всего в 60 коп., не считая электродвигателя. Право же, это самая дешевая и производительная фильтрующая центрифуга в мире!

Рис. 29. Центрифуга без ротора:
1 - фильтрующая бесконечная лента; 2 - сопло для подачи на ленту суспензии; 3 - направляющие ролики; 4 - сбрасывающий ролик; 5 - приемный конвелер; 6 - кожус центрифуги; 7 - сборник фильтрата. Пунктиром показано положение ленты в покое.

Центрифуга без ротора может с большой выгодой заменить в большинстве случаев промышленной практики (когда не требуется промывка и другая обработка осадка) вакуум-фильтры, фильтр-прессы и фильтрующие центрифуги существующих типов. Внедрение ее высвободит для новых дел огромные производственные мощности на машиностроительных заводах, изготовляющих сложную фильтровальную аппаратуру, вакуум-насосы, компрессоры и т. п. На ней можно фильтровать какие угодно трудно фильтрующиеся осадки. Центрифуга не имеет металлического ротора, поэтому ее изготовление много проще и стоит она много дешевле, чем фильтрующие центрифуги известных типов или чем любой другой фильтрующий аппарат. По производительности и экономичности центрифуга, согласно расчетам, во много раз превосходит известные аппараты, предназначенные для той же цели (рис. 30).
Рис. 30. Общий вид установки с "летающей лентой":
1 - примный зумпф и шламовый насос; 2 - подающее сопло; 3 - направляющие ролики; 4 - сбрасывающие ролики; 4 - сбрасывающий ролик; 5 - транспортер; 6 - слив фильтра. Центрифуга изображена без кожуха.

Почему суспензия не проливается с ленты? Чтобы суспензия или осадок не сбрасывались с ленты вбок, ей придают желобчатое сечение. Сделать это нетрудно, например, прошив оба края ленты по всей длине. При этом лента посредине окажется длиннее, чем по краям, и при вращении образует необходимый лоток. Можно среднюю часть ленты сделать ячеистой, наподобие вафельного полотенца. Осадок в этих ячейках будет удерживаться еще лучше.

Почему лента не летит ребром? Кольцо Сатурна плоское, оно обращено к планете ребром. Наше кольцо не может повернуться на ребро, потому что для этого нужно, чтобы один край кольца был длиннее другого, а они равны.

Почему лента при вращении не переворачивается сама собой внутренней стороной наружу? Опыт показывает, что этого не происходит. Чтобы повернуться, лента должна сначала встать на ребро, а сделать это она не может. Для переворачивания ленты нужно приложить момент сил в поперечном сечении ленты, чему противодействует увеличивающееся натяжение. Лента прокладывает себе путь в воздухе, двигаясь вдоль самой себя. При малейшем отклонении ленты от проторенного ею в воздухе "тоннеля" на преодоление повысившегося трения о воздух тратится энергия ленты, и "обессиленный" участок ее вталкивается обратно в "тоннель" и продолжает покорно двигаться по предначертанному ему пути. Помогает стабильности ленты и большая скорость движения, при которой лента попросту не успевает изменить то положение, которое ей придали ролики.

Как убрать фильтрат? Отфильтрованная жидкость, понятно, просачивается сквозь ленту, пока она описывает окружность, и сбрасывается с наружной поверхности ленты в виде капель. Собрать ее не представляет затруднений. Центрифуга помещается в кожух. Фильтрат собирается в сборнике.

Как снять осадок? Если на внутренней поверхности ленты появится какой-нибудь осадок, то он плотно прижимается к ленте, но при первом же сгибании ею ролика, когда ремень выворачивается наизнанку, он окажется на наружной поверхности и будет сброшен с ленты на конвейер.

Как подать на ленту суспензию? Если просто положить фильтруемое вещество на ленту, то не сразу вся его масса будет вовлечена в движение. А раз так, то вещество не будет находиться в полной мере под действием центробежной силы и будет не фильтроваться, а перекатываться на одном и том же месте. Задача решается подачей фильтруемого вещества (пульпы и т. п.) на ленту с той же скоростью, с какой движется лента. Решить эту задачу помогает также и ячеистая конструкция ленты.

Пульпа подается на ленту соплом. Давление в подводящем пульпопроводе поддерживается по расчету такое, чтобы скорость выхода пульпы из сопла была равна окружной скорости ленты. При таком условии пульпа, попав на ленту, немедленно же попадает под действие центробежных сил и сразу же фильтруется.

Однажды по московскому телевидению передавалось выступление известного китайского фокусника. Он повесил прямо в воздухе спираль из широкой шелковой ленты. Спираль висела, вращалась и, казалось, ввинчивалась в воздух. Я и раньше видел этот фокус и восхищался им. Но по ассоциации с центрифугой без ротора он навел меня на мысль применить этот фокус для дела. Ведь устойчивость спирали ленты в воздухе обусловлена тем же, что и устойчивость простого кольца из ленты,- тем, что лента движется по дороге, проторенной ею же самой в воздухе. Сделать же при той же длине и скорости ленты центрифугу многовитковой практически очень важно.

Центробежное ускорение, как известно, выражается формулой

При постоянной скорости ленты по мере уменьшения радиуса угловая скорость возрастает. А она входит в формулу для центробежного ускорения в квадрате. Поэтому при уменьшении диаметра витков центробежные силы, действующие на осадок, возрастают. Это позволяет улучшить показатели работы центрифуги, удлинить продолжительность фильтрования, а заодно уменьшить габариты.

Так появилась многовитковая спиральная центрифуга без ротора (рис. 31). Для ее осуществления потребовалось ввести только один дополнительный ролик. Но ролики должны в ней устанавливаться исключительно точно. Лента должна быть легкой и упругой, чтобы при остановке центрифуги спираль сохраняла свое положение. При пуске ленту приходится сначала немного поправлять, чтобы она правильно набегала на нижнюю пару роликов. Для этого ролики делаются поворотными. Лента для многовитковой центрифуги перед сшивкой перевертывается вокруг своей оси столько раз, сколько рассчитывают иметь витков. Именно это гарантирует образование упругой лентой заданного числа витков и их диаметр.

По ассоциации с "летающей лентой" в описанной центрифуге без ротора появилось еще два изобретения.

Самый выгодный способ разделения газовых смесей, например изотопов,- центрифугирование. Чем быстрее вращается ротор разделительной центрифуги, тем эффективнее идет процесс разделения. Но, к сожалению, число оборотов ротора ограничено прочностью
Рис. 31. Для многовитковой центрифуги понадобился только один добавочный ролик:
1 - фильтрующая бесконечная лента; 2 - сопло для подачи на ленту суспензии; 3 - направляющие ролики; 4 - сбрасывающий ролик; 5 - приемник; 6 - транспортер; 7 - добавочный ролик;
I. - суспензия; II. - фильтрат; осадок удаляется по транспортеру 6.

материала, из которого он сделан. Лучшие материалы в наилучших условиях допускают окружные скорости до 700 м в секунду. Если бы удалось этот потолок повысить примерно в 2 раза, то эффективность разделения увеличится в несколько раз. Вот если бы можно было сделать ротор из проволоки, которая гораздо прочнее массивного материала! До сих пор такой ротор не удавалось сделать. Неудачи были из-за того, что, как ни верти, при намотке ротора остаются концы, которые некуда девать. При работе они непременно вытягиваются, и ротор начинает пухнуть и расползаться.

Это - конструктивная сторона. А вдумаемся поглубже в принципиальную сущность процессов центрифугирования. Внутри ротора центрифуги существуют точки, в которых центробежное ускорение одинаково, одинакова центробежная сила, одинаков запас энергии

mv²/2.

Если все эти точки соединить между собой, то получаются цилиндрические поверхности одинаковой окружной скорости. Свойства этих поверхностей очень похожи на свойства хорошо знакомых нам горизонтальных плоскостей. На последних шарик остается неподвижным, и, если пренебречь ничтожным трением, для перемещения его по такой плоскости не надо тратить энергию. В центрифуге частица, также без затраты энергии, может двигаться в любом направлении по поверхности одинаковой скорости. Но, для того чтобы сорваться с поверхности, скажем, № 1 и передвинуться к центру на другую поверхность № 2 с меньшей окружной скоростью, частица должна кому-то передать ставшую ей ненужной часть энергии:

mv1/2 - mv2²/2.

С другой стороны, для перемещения частицы на поверхность № 3 с большей окружной скоростью ей надо придать дополнительную энергию:

mv3²/2 - mv1²/2.

Кроме самого ротора, никаких других источников или поглотителей энергии в центрифуге нет. А ротор получает энергию извне, от привода, или отдает ее тормозным устройствам. В выгодном положении оказываются частицы, непосредственно прилегающие к торцовой стенке ротора: они могут обмениваться энергией с ротором как угодно. Предоставленные сами себе, они берут от него энергию и движутся к периферии. Если же их принудительно передвигать к центру, то они, двигаясь, отдают стенке ротора лишнюю энергию.

Кратчайшая линия, по которой частица при этом движется к периферии ротора, по аналогии с силовыми линиями магнитного и электрического полей называется силовой линией центробежного поля. При установившемся вращении ротора, наполненного жидкостью, силовые линии направлены строго радиально. При неустановившемся же движении... Впрочем, продолжим рассказ о частице.

Частица, расположенная внутри объема жидкости вдали от стенок ротора, может обмениваться энергией только через длинную цепь посредников - своих соседей, или же передвинуться по поверхности одинаковой скорости.

Для улучшения процесса центрифугирования в технике давно уже применяют сепарирующие вставки внутри ротора в виде широких конусов, надетых один на другой тесным пакетом, "тарелок". Благодаря им турбулентное, вихревое движение уменьшается, газ или жидкость текут струйками, расстояние любой частицы до стенки ротора сильно сокращается. Но ничего нельзя поделать с броуновским движением. Оно кладет предел методу центробежного разделения газов, жидкостей и даже тончайших взвесей. Как же улучшить дело?

Любую частицу в роторе надо избавить от необходимости прибегать к помощи легкомысленно танцующих посредников. Вот если бы каждая частица всегда имела под боком стенку ротора, то тут и броуновское движение не помешало бы, а даже помогло.

Но такое средство... вот оно: это все тот же металлический фильтр. В системе капилляров частицам легко задеть за стенку и обменяться с ней энергией.

Даже не обязательно брать именно металлический фильтр. В качестве сепараторов можно поставить любое прочное пористое тело. Можно даже взять гранулированный материал.

И тут я поймал себя на том, что ход мыслей пошел в сторону. Я не уловил, как это получилось, но новое неожиданное изобретение уже сложилось... Восстанавливаю ход рассуждений. На чем, бишь, я свернул в сторону? Ленточная центрифуга - "летающая лента"? Что ротор не надо наматывать из проволоки? Так пусть ротор будет, как лисий хвост, говорю я, глядя на чернобурку. Она подвернулась кстати. Волоски меха при вращении хвоста вокруг его оси будут центробежной силой выбрасываться по радиусам. Центрифугирование изотопов ведется в вакууме, и сопротивление газа не будет мешать волоскам - "летающим лентам" распрямляться.

Корпус же центрифуги может быть неподвижным.

А если корпус не вращать, то его можно сделать из более дешевого материала, и не потребуется балансировка. Кожух не нужен. Его роль выполняет корпус... Вращающийся "лисий хвост" будет увлекать за собой разреженный газ. В "волосках" хвоста будет осуществляться необходимое идеальное ламинарное (спокойное) движение. Понятно, что "хвост" - это только модель. "Мех" нужен искусственный: из тонких проволочек, "усов", лент, нитей и волокон. Эти волокна будут располагаться всегда точно по силовым линиям центробежного поля, Никакие возмущения поля, появляющиеся от действия посторонних сил при неустановившемся движении, не страшны. Расчеты показывают, что разделительная сила такой центрифуги будет во много тысяч раз больше, чем в любом известном до сих пор аппарате того же назначения, а в то же время центрифуга удивительно проста и дешева.

Для центрифугирования жидкостей, разумеется, "летающие ленты" надо заменить более упругими стерженьками.

* * *

Как будет развиваться дальше цикл изобретений по центрифугам? Волнение, охватывающее каждый раз, когда возвращаешься к ним, говорит за то, что эта линия творчества далеко еще не исчерпана. Когда в своих химических работах мне довелось коснуться проблем космоса, первым, что пришло на ум, были опять-таки работы по центрифугам.



Главная    Истории из жизни    "Быстрые капли."