В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

У теплообмена с использованием псевдожидкостей есть уже и признанные достижения, например значительная интенсификация ряда химических процессов. Или создание печей для высокотемпературного нагрева металла, которые резко повышают качество и эффективность кузнечного производства.

Кузнечное дело, история которого начинается в глубокой древности, и в наши дни не утратило своего значения. Крупные кузнечные цеха существуют на большинстве машиностроительных заводов, в частности на автомобильных и моторостроительных. Причем принцип нагрева металла очень часто остается таким же, как тысячу лет назад: заготовку помещают в пламя, в пламенную печь, которая лишь по масштабам и по вспомогательному оборудованию, но никак не по принципу действия отличается от горна деревенского кузнеца. И так же как тысячи лет назад, безжалостно расходуется топливо на нагрев заготовки — в трубу улетают миллионы джоулей энергии. И так же выгорает металл, заготовка быстро окисляется в пламени, покрывается окалиной, которую потом приходится удалять токарям и фрезеровщикам.

Было предпринято немало попыток избавиться от этих недостатков, особенно от второго, но печи получались очень сложными, громоздкими или ненадежными. А печи, родившиеся в ИТМО, уже имеют значительный рабочий стаж (справка: на различных заводах работают 12 таких печей; одна из них в течение года круглосуточно работает в Москве на Первом Государственном подшипниковом заводе; Министерство автомобильной промышленности приняло решение о серийном выпуске новых печей), хотя, конечно, путь к этому был нелегким. О некоторых этапах этого пути и о самих печах рассказывает один из их создателей, руководитель лаборатории теплообменных процессов и аппаратов, доктор технических наук Николай Васильевич Антонишин:

— Частная, по сути дела, задача, о которой мне предстоит рассказать, относится к чрезвычайно важной и общей проблеме — повышению эффективности нагревательных устройств. Первый шаг в этом важном деле был сделан безвестным изобретателем, который оградил свой костер камнями. Как ни странно, но существуют области теплотехники, в которых во все последующие времена не было сделано других усовершенствований подобного масштаба. В числе таких областей — высокотемпературный огневой нагрев металлических заготовок. Здесь до самого последнего времени используется традиционная схема теплообмена — через газообразные продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изолятором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его способность передавать тепло, равен 200, в то время как у жидких металлов или расплавов солей этот коэффициент равен 20 000.

В новых печах, разработанных ИТМО совместно со Специальным конструкторским бюро Министерства автомобильной промышленности, теплообмен осуществляется в кипящей псевдожидкости — сжигаемый газ первоначально отдает тепло песку, а тот, перемещаясь с потоками газа, отдает тепло металлу (рис. 4). На первый взгляд может показаться, что введение этого посредника — песка — ничего не должно дать, так как сам песок получает тепло все от того же теплоизоляторы — от газа. Однако суммарная поверхность песчинок огромна, и в значительной мере благодаря этому они отбирают у пламени во много раз больше тепла, чем сумела бы отнять нагреваемая заготовка.

Поучительна история создания новых печей. Все началось с того, что в отвлеченных, по сути, исследованиях были обнаружены очень эффективные процессы теплообмена в псевдожидкостях на основе газообразных продуктов горения. Затем была найдена область, где эти процессы могли дать большой эффект. Потом началась постройка печей и их разрушение — первые печи получались неудачными. И наконец, последние модели — они просты, надежны, нагрев идет в несколько раз быстрее, чем в обычных пламенных печах. И главное, не создается окалины, что дает особо ощутимый экономический выигрыш. Вся эта коротко рассказанная история заняла почти 15 лет, но она все же приводит к оптимистическому выводу — современные системы теплообмена могут в корне преобразовывать некоторые традиционные теплотехнические процессы.

Среди новых теплообменных систем важное место занимают тепловые трубы. Один из простых вариантов тепловой трубы— это закрытый металлический цилиндр (рис. 5); его внутренние стенки выложены слоем пористого материала, пропитанного легко испаряющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы — на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу — это нормальная конвекция; здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшаяся жидкость по пористому материалу возвращается обратно к горячему концу трубы.

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