Подсчитано и доказано, что полезные ископаемые выгоднее всего добывать открытым способом, из карьеров. Копай и копай себе на здоровье, в шахту лезть не нужно и крепи не требуются... Однако и здесь есть свои отрицательные стороны. Работа "на свежем воздухе" на самом деле оборачивается своей полной противоположностью. Пыль и выхлопные газы от автомобилей, которые вывозят полезные ископаемые из карьера, скапливаются внизу. Строить обеспыливающие установки в карьере неудобно. Ведь длина аспирационных воздуховодов будет составлять многие сотни метров. Построить огромную трубу, которая вытянет газ из карьера и выбросит его в верхние слои атмосферы? Идея вроде бы и неплохая, но... Карьер на месте не стоит, а по мере вырабатывания пластов движется, увлекая за собой и все основные источники пылегазовыделений. А ведь можно построить передвижную трубу, высота которой практически будет неограниченной Подвесить к дирижаблю воздуховод из эластичного материала, и дело с концом. Моторы такому дирижаблю не потребуются, удерживаться на месте он будет при помощи четырех расчалок. Тракторы, прикрепленные к тросам, отбуксируют трубу куда надо. Госкомитет по делам изобретений и открытий выдал по этой заявке авторское свидетельство No819357.
ВИХРЬ В ТРУБЕ
Для удаления газов и одновременной их очистки от пыли необходимо очень простое и эффективное устройство, не требующее больших затрат электроэнергии. А если применить эжектирующее устройство дымовой трубы для того, чтобы с его помощью улавливать несгоревшие частицы? Оказывается, это возможно! Нужно только повернуть насадок трубы вниз. Частицы, идущие по трубе с большой скоростью, обладают инерцией,
которой достаточно для того, чтобы при повороте газового потока на 180° они продолжали двигаться по прямой. Изобретение под названием "Устройство для очистки потока газа и пыли" использует именно этот эффект. Сразу за срезом опускного участка трубы установлен конус с отверстием, в которое и пролетают по инерции твердые частицы, а для того чтобы очистку сделать эффективной, вокруг пылевого потока создается еще завеса из чистого воздуха. Как и в эжектирующем устройстве, здесь образуется прозрачный кольцевой канал, препятствуюший проникновению пылинок из грязного потока в атмосферу.
Щель, через которую в корпус пылеуловителя проникает чистый воздух, долгие годы специалисты считали вредной. Ведь воздух, примешиваясь к очищаемому газу, балластирует его -- увеличивает объем, следовательно, и увеличивается расход электроэнергии на транспортировку. Но если так рассуждать, то и вода вредна в системе газоочистки! А ведь скоро 100 лет, как запыленный поток очищают путем орошения водой. Метод эффективный, но... связанный с решением другого вопроса: куда девать отработавшую в пылеуловителе воду. В этом отношении воздух, подаваемый в корпус пылеуловителя, намного удобней. В отличие от воды он ничего не стоит, и его сброс можно осуществить прямо в атмосферу. Главное, чтобы он был чист.
В последние годы появились новые устройства для улавливания пыли -вихревые. В их корпуса через кольцевые щели с направляющими лопастями подается воздух, создающий вихрь, который собирает пылинки в общий концентрированный поток. В природе такие вихри можно наблюдать в жаркий день на пыльной дороге. Они возникают в восходящем токе воздуха, живут несколько секунд и исчезают. В вихревом пылеуловителе вращающийся поток существует за счет вторичного воздуха, создающего "подкрутку", пыли. Пылевой вихрь, которого еще не так давно боялись как порождения нечистой силы, стал служить охране природы. И теперь если сказать про какой-нибудь завод, что у него "дым пожиже, а труба пониже", чем у соседей,-- это значит похвалить его. Но разговор о вихревом эффекте на этом не кончается, мы еще не раз вернемся к нему.
НЕМНОГО О ВИХРЯХ
ВИХРЕВЫЕ "ДЕМОНЫ МАКСВЕЛЛА"
В 1858 г. Г. Гельмгольц разработал теорию круговых потоков в идеальной жидкости и пришел к выводу, что в центре ядра существует некий цилиндрический столбик, который вращается подобно твердому телу. Это открытие дополнил Ж. Ранк. Он установил, что в высокоскоростном вращающемся потоке происходит "самопроизвольный отсос тепла" от воздеосевых слоев вихря к периферийным. При этом температура первых понижается, а вторых повышается по сравнению с первоначальным уровнем.
Автор открытия не сумел дать ему теоретического обоснования. Он изобрел вихревой холодильник и эжектор для отсоса газов, но добиться сколько-нибудь приемлемого коэффициента полезного действия не смог. Его современники проводили аналогию между вихревым разделением энергии и работой "демона Максвелла", полагая, что в вихревой трубке происходит сортировка горячих (быстрых) и холодных (медленных) молекул. Действительно, в вихревом потоке одна его часть нагревается, а другая охлаждается, но убедительных данных в пользу гипотезы о сепарации на молекулярном уровне до сих пор нет. Некоторые современные ученые придерживаются мнения о взаимодействии вихрей, в соответствии с которым действие механизма вихревого энергоразделения выявляется в макроскопических масштабах -- при турбулентных пульсациях в поле центробежных сил последовательные многократные сжатия и расширения воздуха в вихре приводят к появлению радиального перетока тепла от оси к периферии. Однако и эта гипотеза до сих пор не имеет достаточно веских научных обоснований. Как бы в напоминание об этом председатель координационного совета по вихревой технике профессор А. П. Меркулов перед началом заседаний спрашивает собравшихся, не привез ли с собой кто-нибудь теоретическое обоснование вихревого холодильника. Но... Пока что имеются чисто практические достижения.
Как это часто бывает, отсутствие четкой теоретической базы на долгие годы задерживает применение изобретений на практике. "Техника преследует пользу, а наука -- истину", но значит ли это, что нужно воздерживаться от замечательных изобретений, созданных на основе вихревого эффекта? Многие советские и иностранные инженеры ведут разработки в этом направлении. Заведующий лабораторией вихревой техники заслуженный изобретатель Латвийской ССР кандидат технических наук А. И. Азаров разработал вихревой холодильник, коэффициент полезного действия которого приближается к коэффициенту полезного действия компрессорного, хотя его вес .в несколько раз меньше. Сейчас аппараты уже выпускаются серийно для использования в транспортной технике: в кабинах тепловозов, электровозов и автомобилей. Вихревые холодильники хороши для предотвращения перегрева резцов, обрабатывающих особо твердые сплавы, а также для кондиционирования воздуха в кабинах крановщиков.
60% всех патентов, выданных на усовершенствование вихревых трубок во всем мире, принадлежит изобретателям из СССР. Здесь не только холодильные машины и эжекторы.
У ряда славянских народов бытовало поверье, что в вихре обитает нечистая сила и стоит бросить в него серп, вихрь распадется, и только капли росы останутся на серпе. Это и есть кровь дьявола. В балладе "Кубок" поэт В. Жуковский пишет о том, что юноша паж нырнул в море за кубком и попал в водоворот:
И вдруг мне навстречу поток;
Из трещины камня лилася вода;
И вихорь ужасный повлек
Меня в глубину с непонятною силой...
И страшно меня там кружило и било.
С точки зрения гидроаэродинамики, обе ситуации вполне достоверны. Попав в .центр вихря, серп мгновенно охлаждается и после разрушения смерча тут же запотевает, капельки росы -- это конденсат из воздуха. Вихревой же поток, увлекший пажа, как песчинку, вниз, также не идет в разрез с наблюдениями ученых. В воде действуют такие же процессы, как и в воздухе. Далее Жуковский пишет, как паж сначала зацепился за подводную скалу, а потом оттолкнулся и попал в центр вихря: "То было спасеньем: я схвачен приливом и выброшен в верх водомета порывом". Действительно, в эпицентре вихрь имеет восходящий поток.
Роберт Вуд для иллюстрации лекций подогревал на газовых горелках противни с тонким просеянным песком. При этом имитировались смерчи, возникающие в пустынях. Горячий поток воздуха образует вихревую трубу и затягивает в нее пыль, как "твердое тело", которое Гельмгольц в своих трудах назвал вихревым шнуром. Расположив в придорожной пыли несколько тангенциально направленных сопел, можно подключить их к компрессору и искусственно создать смерч, который, возникнув, какое-то время продержится над соплами, вберет в себя некоторое количество пыли и рассыплется.
Для поддержания "работы" смерча необходимо огромное количество энергии. В марте 1984 г. над штатом Иллинойс (США) прошел вихрь, именуемый торнадо. Его жертвами стали 24 человека. Камиль Фламмарион в своей работе "Атмосфера" рассказывал о смерче так: "В числе крупных метеоров, нарушающих видимый порядок и гармонию природы, в числе явлений, приносящих ужас и отчаяние всюду, где они показываются, одно из них замечательно своими странными гигантскими формами... оно, по-видимому, повинуется... неизвестным и как бы противоречивым законам, которые управляют им самим и, наконец, бедствиями, причиняемыми им. Эти бедствия сами по себе сопровождаются особыми обстоятельствами, столь странными, что причины их нельзя смешать с другими воздушными явлениями, губительными для человечества. Этот столь грозный и необычайный метеор, к счастью редкий в наших странах, обозначается в наше время общим названием смерча".
В то время метеором называлась не только короткая вспышка влетающего в земную атмосферу небесного тела, как трактуют современные словари, но, вообще, всякие воздушные явления: дождь, туман, бури и даже северное сияние и радуга. Отсюда и метеорология.
Не было почти ни одного ученого, который бы не обращался к этой науке в своих исследованиях. Благодаря метеорологии были накоплены первые знания об электричестве. Опираясь на знания, почерпнутые из наблюдений за воздушными явлениями, М. В. Ломоносов написал диссертацию "О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном". Эти знания лежат в основе теоретических обоснований служения атмосферных явлений естественной вентиляции в промышленности.
Фламмарион, размышляя над смерчами, высказал в той же "Атмосфере" и такое предположение: "В настоящее время мы можем обозначить с точностью природу и характер его, говоря, что смерч есть столб воздуха, обыкновенно быстро вращающийся около самого себя и перемещающийся сравнительно медленно, так как можно следить за его перемещением. Причиною и двигательною силою этого вращающегося столба воздуха является, по-видимому, электричество". В этом осторожном "по-видимому"-- добросовестность исследователя, который воздержался от умозаключений до тех пор, пока сам не убедился в природе явления на опыте. Впоследствии были и иные суждения.
Вот сохранившиеся благодаря стараниям другого французского ученого Жана Пельтье описания Двух смерчей, наблюдавшихся к югу от Парижа днем 16 мая 1806г. Первый -- начался около часа и имел не менее 4 м ширины у основания близ облака. Вершина этого конуса, доходящая до уровня земли, пульсировала, то увеличиваясь, то, по мере вытягивания в сторону, сужаясь до толщины руки. Этот смерч чрезвычайно медленно продвигался к югу, затем к западу и юго-западу и показался над последними домами предместья Сен-Жак, а затем над долиной Монружа, Монсури и Глясьер. Он был серовато-белого цвета обыкновенных облаков и отчетливо выделялся на фоне темных туч. Он представлял собой длинную полупрозрачную трубу, в которой были видны поднимающиеся пары.
Наблюдавший это явление профессор Дебрен сравнил их движение с потоками дыма, движущегося в стеклянной печной трубе. Особенно поразило профессора, что пары поднимались наиболее интенсивно в нижней части смерча на расстоянии приблизительно 1 км от земли. По мере того как облако, составлявшее верхушку смерча, продвигалось, сам смерч изгибался и вытягивался, в какой-то момент достигнув длины 3 км. Потом он наклонился так, что его угол составил 20°. Тогда его хвост оказался над Аркюэлем, а голова -- над Шатильоном. Все явление наблюдалось в течение 45 мин, после чего смерч исчез в облаке, давшем ему начало. Однако через 20 мин образовался новый смерч. Он имел сероватый цвет, и по всей его длине наблюдалась светлая трубка, по которой поднимались пары. Этот смерч прошел на расстоянии 1600--2000 шагов от первого и просуществовал 25 мин. Раздался сильный гром, из облака, находившегося поблизости от смерчей, упали крупные капли дождя и тут же, вслед за ними, градины величиной с орех. Верующие люди, наблюдавшие это явление, восприняли появление смерчей как знамение божье.
Смерчи наблюдались много раз. Некоторые из них приносили и материальный ущерб. Особенно драматические последствия вызвал смерч в Монвиле 19 августа 1845 г. Был тихий и очень жаркий день. Вдруг вихрь страшной силы обрушился на долину, проходящую от Мароммы до Малонэ и Клера. Жертвой смерча оказались корпуса бумагопрядильной фабрики Монвиля. Они были скручены и опрокинуты, как карточные домики. Сотни работниц были погребены под развалинами.
В 1927 г. смерч появился над озером близ Серпухова. Как гигантский насос, он вобрал в себя воду вместе с рыбой и выбросил все это за городом. В 1940 г. смерч преподнес подарок жителям села Мещеры Горьковской области -- колотые дрова и старые монеты.
Долго не забудет средняя Россия огромной силы смерч, пронесшийся над Ивановской областью. Это произошло 9 мая 1984 г. Смерч шел со скоростью 100 м/с с нагрузкой около 8 т/м 2. В деревне Беляницы, расположенной в 6 км от Иванова, были разрушены здания, с корнями вырваны вековые деревья. Погибло 1,5 тыс. га леса.
По сведениям, распространенным агентством "Ю. Сэньюс энд Уорлд рипорт" из Вашингтона, смерчи, именуемые в тех местах торнадо, иногда достигают скорости 130 м/с. Наиболее часто они возникают в Техасе, Оклахоме, Канзасе. В одном только апреле 1984 г. было зарегистрировано около 450 торнадо, что более чем в 2 раза превышает обычное их число в это время года. Они стали причиной гибели по меньшей мере 106 человек. В среднем над территорией страны проносится ежегодно около 700 смерчей. В 1983 г. их было 931. По мнению некоторых исследователей атмосферных явлений, за последние 30--40 лет торнадо зарождались с десятилетними циклами. На 1984 г. пришелся пик очередного такого цикла.
То же агентство сообщило: "Хотя почти невозможно предсказать, где и когда зародится следующий смерч за последнее десятилетие учеными немало сделано в этом направлении. Так, недавно был создан специальный радар, позволяющий зарегистрировать изменения в скорости и направлении ветра, которые могут привести к торнадо". И все же до последнего времени из-за неожиданного появления смерча принять действенные меры для спасения жизни людей невозможно. По этой же причине не собраны достаточно убедительные данные об основных параметрах смерчей.
Возникновение торнадо связано с грозами, во время которых развиваются мощные кучевые облака, охватывающие небольшую территорию-. При этом, как утверждает английский метеоролог Дж. Вайсберг, начинают действовать два слоя воздуха, сильно различающиеся по температуре, влагосодержанию, плотности и характеру ветра. В результате нарушается равновесие этих слоев. Холодный воздух начинает опускаться, вытесняя теплый, а теплый поднимается по сложной криволинейной траектории. При этом возникает восходящий вихрь. Сначала все это происходит над небольшой площадью земли, затем к вихрю подсасываются граничащие с ним слои воздуха и вовлекаются в восходящее движение, достигающее вершины вихря. В диаметре торнадо достигает 400м и может пройти путь до нескольких десятков километров. 26 мая 1917 г. торнадо, пройдя 469 км над штатами Иллинойс и Индиана, произвел там сильные разрушения. Он существовал 7 ч 20 мин и двигался со скоростью курьерского поезда. Другой торнадо в 1931 г. в штате Миннесота поднял в воздух железнодорожный вагон с 117 пассажирами, перенес его на 24 м и без повреждений опустил в кювет. Никто из пассажиров не пострадал.
Как и все циклонические явления, связанные с вращением наружных слоев воздуха, торнадо в середине имеет "глаз", в котором образуется вакуум.
А теперь попробуйте представить себе работу искусственно образованных смерчей и торнадо средней мощности. Не нужно было бы строить дымовых труб. Созданный над выбросным патрубком дымососа смерч поднимал бы вверх на тысячи метров описанную Фламмарионом полупрозрачную трубку, по которой с огромной скоростью потянулся бы дым. Смерч диаметром чуть побольше можно применить для вентиляции открытых карьеров. А на участках, где производятся сварочные работы, такие смерчи или торнадо просто необходимы. Они бы мгновенно избавляли сварщиков от угарного газа, аэрозолей марганца и других вредностей.
ПРИРУЧЕНИЕ СМЕРЧА
С давних пор инженеры начали приручать циклонические явления. Тот же Жозеф Ранк, когда исследовал лабораторную модель циклона, нашел в ней все те же качества, что и в одноименных природных явлениях: снижение давления и температуры в центре, повышение на периферии.
А вот что писал В. Майер: "Смерч -- одно из самых грандиозных и загадочных явлений природы. Энергия его настолько велика, что почти никто и ничто не может выдержать схватку со смерчем. Каким образом смерч переносит тяжелые предметы порой на весьма значительные расстояния? Как он образуется? На эти и многие другие вопросы современная наука не в состоянии дать исчерпывающих ответов". Далее предлагается самим читателям сделать водяную модель смерча в стакане воды, на дне которого установлен микроэлектродвигатель, используемый в детских игрушках. Нужно только облепить его снаружи пластилином, чтобы в него не попала вода, а на валик надеть латунный диск. Провода от двигателя выводятся наружу к батарейке от карманного фонаря. Остается налить на воду слой подсолнечного масла и включить ток. Диск начнет вращаться и увлечет за собой жидкость. Через некоторое время в ней образуется воронка -- смерч в стакане воды...
В океане также возникают вихри, подобные атмосферным циклонам, антициклонам и даже торнадо. Это колоссальные массы воды диаметром в десятки и даже сотни километров. Природа возникновения этих вихрей тоже пока не выяснена. Но интересно, что к югу от Гольфстрима водяные вихри вращаются по часовой стрелке, а к северу -- против часовой стрелки. Торнадо же и другие атмосферные циклонические системы, возникающие в северном полушарии, вращаются против часовой стрелки, а в южном -- по часовой. Громадные ветро- и гидроэлектростанции можно установить, если "приручить" вращающиеся потоки воздуха и воды. Но все это только после того, как будут полностью раскрыты секреты природы. А что можно сделать уже сейчас? Ведь не можем же мы сидеть сложа руки.
В 1945 г. немецкий физик Р. Хилш занялся исследованиями, начатыми Ж. Ранком. Он обнаружил, что если в цилиндрическую камеру по касательной через сопло подавать сжатый воздух, то в центре трубы возникнет вихревой поток, в который по оси будет подсасываться воздух из окружающей атмосферы. На этом принципе был создан эжектор, способный отсасывать вредные газы. Впоследствии исследователь продолжил свои опыты. Постепенно, перекрывая подсос по оси, он достиг того, что с периферии вихревой трубки пошел горячий, а из центра -холодный воздух. Несмотря на то что коэффициент полезного действия холодильника, работающего на этом принципе, значительно ниже обычного, в некоторых отраслях техники он нашел применение,
В жаркие летние дни даже в нашем умеренном климате в пыли проселочных дорог возникают небольшие вихри. Их даже можно смоделировать, если закопать в канавку кусок резинового шланга, конец его направить вверх, вокруг него поставить несколько дощечек так, чтобы образовалась завихривающая крыльчатка. К свободному концу шланга подключается расходный патрубок вентилятора от автомобиля -- и прибор готов. Как только заработает мотор, из шланга вырвется струя воздуха и увлечет за собой лежащую на дороге нагретую пыль. Проходя в зазорах между дощечками, пыль войдет в поток по касательной и образует настоящий маленький смерч.
Известный изобретатель Д. М. Левчук рассказывал, как однажды наблюдал такой небольшой природный вихрь, который подхватил на дороге палку, поставил ее вертикально и, медленно покачивая, понес вдоль дороги. На пути нижний конец палки описал спираль и попал в отверстие ступицы лежавшего на дороге тележного колеса. Теперь на этом принципе работает ряд сконструированных Д. М. Левчуком механизмов по сборке различных узлов, состоящих из детали с отверстием, в которое нужно установить стержень.
Можно не только ориентировать стержень на отверстие с помощью вихревой трубки, но и ввернуть в гайку шпильку. Крутящий момент для этого вполне достаточен. На этом же принципе работает вихревой автомат для сборки деталей производительностью 3600 шт. в час.
В последние годы в цементной промышленности получил распространение сухой способ производства, при котором сырье подается в печь не в виде шлама, а порошковое. Вообще-то, сухой способ был известен давно, но широко применять его в цементной промышленности не решались. Боялись, что горячие газы вынесут значительную часть порошка в атмосферу. Нужна была такая конструкция, которая позволила бы нагревать сырье во взвешенном состоянии. И тут вспомнили все тот же вихревой эффект. Сотрудники института ВНИИцеммаш предложили конструкцию печи (о ней говорилось в главе "Сколько стоит мешок дыма"). Там же были указаны и некоторые недостатки сухого способа получения цемента. Вот еще один из них: при тепловой обработке сухого порошкообразного сырья значительная часть его вылетала в дымовую трубу.
Кроме того, при работе циклонов на плохо подсушенной сырьевой муке в их конусной части образуется зависание пыли. Зачастую для устранения таких сводов приходится обстукивать нижнюю часть циклонов кувалдой. Отсюда вмятины, а то и пробоины, которые еще более ухудшают работу системы обеспыливания. На некоторых заводах, чтобы предотвратить забивание конусов, по центру циклонов подвешивают тяжелую цепь, которая, вращаясь потоком воздуха, обстукивает горловину конусной части и сбивает с нее настыли. В металлургии применяли вибраторы и периодически включаемые пневматические молотки. Однако все эти приемы не намного отличаются от обстукивания кувалдой или шуровки пылевыпускного отверстия ломом.
Так что считать этот вопрос решенным рано. Любая временная мера остается временной. Однажды я решил попытаться заменить лом воздушной струей. Вообще-то, сжатым воздухом разбивать своды уже пробовали, но в данном случае задача была посложнее -- нужно было отвести от основного потока только небольшую его часть и направить в конус циклона.
Сначала мысль показалась чуть ли не абсурдной: то, что удавалось при отборе проб пыли из газохода, размеры которого не превышали 1 м, вряд ли могло пригодиться в многометровом циклоне, применяемом в качестве конечного теплообменника в цементном производстве. Чтобы не промахнуться, решили строить прозрачную модель. Для начала из оргстекла построили двухметровую модель обычного циклона и испытали ее на сырьевой муке. При производительности 2300 м3/ч и сопротивлении 90мм вод. ст. коэффициент полезного действия установки составил 88%. Через полчаса работы в конусной части циклона уже начал образовываться свод. Коэффициент полезного действия стал падать. Вторую часть опыта проводили уже с установленным по оси циклона трубопроводом, ответвленным из входного патрубка. Вот тут-то и произошло чудо! Одна часть запыленного потока стала описывать характерную для циклонного процесса траекторию, а другая -- как в описанном ранее пробоотборнике -- пронзила пылевой поток и образовала интенсивный отбор пыли из вихря в бункер. Перепад давления между входным патрубком и конусной частью циклона был настолько велик, что через центральную трубу сверху вниз пылевой поток буквально бомбардировал воронку, соединяющую циклон с бункером. Мы нарочно пытались образовать свод и подавали в циклон пыль небывало большими дозами, но эффект осевой струи был сильнее. Свод не образовывался ни при каких обстоятельствах. Мало того, при всех прежних данных производительность циклона возросла до 2800 м3/ч, сопротивление снизилось до 78 мм вод. ст., а коэффициент полезного действия повысился до 93%. Стоимость реконструкции грошовая -- кусок изогнутой трубы и четыре прутковые расчалки, чтобы устье трубы было направлено точно на воронку.
Сейчас уже испытаны почти все возможные варианты взаимодействия центральной трубы с циклоном. Эффект -- неизменно положительный. В некоторых случаях такая реконструкция позволит заменить вторую ступень очистки -скруббер, или рукавный фильтр.
ЧЕТЫРЕХУГОЛЬНЫЙ ЦИКЛОН
Долгие годы на улицах оседали зола и пыль, вырывавшиеся из труб котельной столичного завода "Галалит", пока в один прекрасный день не исчезли благодаря золоуловителю системы Ярина. Среди многочисленных конструкций фильтров циклон, созданный Яриным, пожалуй, самый простой (рис. 4). Он работает на естественной тяге, создаваемой трубой. Такую установку можно сделать в любой механической мастерской с минимальными затратами труда и средств.