Письма о науке. 1930—1980 - Пётр Капица

Я извиняюсь за чересчур длинное письмо, но мне кажется, вопрос достаточно серьезен, чтобы ему уделить больше внимания.

П. Капица

57) В. М. МОЛОТОВУ 20 апреля 1938, Москва

Товарищ Молотов,

Я пишу это письмо по поводу некоторых вопросов, возникших у меня в связи с одной работой, производимой у нас в институте, и, как мне кажется, достаточно важной, чтобы довести до Вашего сведения.

Дело в том, что года два тому назад в нашей технической печати обсуждался вопрос о применении обогащенного кислородом воздуха в нашей металлургии, тепловом и химическом хозяйствах; опытные данные, по-видимому, показывают, что, сжигая уголь в воздухе, где больше кислорода, чем обычно, можно поднять производительность домен, улучшить работу котлов на теплоцентралях, получить лучший газ при газификации угля и т. д. Одним словом, во всех случаях, где приходится сжигать уголь, обогащенный кислородом воздух делает горение более полным и получается больше количества тепла.

Не являясь специалистом во всех этих разнообразных областях техники, я, конечно, не берусь отвечать за справедливость всех этих заключений, но мне кажется, что есть основания считать их правильными. В самом деле, [когда] сжигают уголь, из топки тепло уносится не только получившимся после горения углекислым газом, но и азотом воздуха, который никакого участия в горении не принимает. Притом «бездельник» азот уносит с собой в четыре раза больше тепла, чем углекислый газ. Присутствие азота в топке приносит еще вред тем, что затрудняет горение и делает его неполным, поэтому приходится пропускать через топку больше воздуха, чем это было бы необходимо при полном горении, что еще больше увеличивает потери. Обычно в среде необогащенного воздуха сжигать уголь полностью не удается.

Не нужно быть специалистом-доктором, чтобы понять, что если желудок, кроме питательных веществ, еще загрузить четырехкратным количеством неперевариваемых веществ, то при этом пищеварение будет затруднено. Так, мне кажется, и при горении. Здравый смысл говорит, что азот приносит вред при сжигании топлива. Получение же тепла горением есть один из самых важных и распространенных процессов в народном хозяйстве, и все, что касается улучшения процесса горения, безусловно является одной из важнейших технических проблем.

Если в мировом хозяйстве обогащение воздуха кислородом не поставлено еще достаточно остро, то это можно объяснить, по-видимому, двумя причинами. Первая — это то, что истощение мировых запасов угля еще не стоит достаточно остро, а вторая — это то, что металлургическое и энергетическое хозяйство капиталистических стран обычно трестировано и потому очень туго поддается всяким нововведениям. У нас же этого не должно быть и, несомненно, в будущем социалистическое хозяйство будет наиболее прогрессивным, а если мы и будем консервативны, то скорее в мелких усовершенствованиях, чем в крупных.

Но пока есть еще и другая причина, затрудняющая применение обогащенного воздуха,— это экономичность. Подсчеты специалистов, хотя и расплывчатые, по-видимому, показывают (если взять среднее между мнением пессимистов и оптимистов), что при наилучших современных технических методах получения обогащенного воздуха результат будет «О», то есть столько же сэкономим, сколько и затратим. Поэтому ставится вопрос: какого совершенства и экономичности достигли существующие методы обогащения воздуха и каких здесь можно ждать улучшении? Я заинтересовался этим вопросом и вот что, я думаю, можно установить с большой достоверностью:

Кислород для обогащения наиболее дешево добывать из воздуха, так как он там находится в свободном состоянии.

Чтобы получить кислород из воздуха, нужно затратить некоторую работу.

Из основных законов физики с полной достоверностью можно показать: чтобы получить 1 кубический метр чистого кислорода, нужно затратить по крайней мере 0,07 киловатта, каким бы методом этот кислород ни добывать. В самых крупных и экономичных современных установках эта затрата энергии равна 0,4 киловатта, то есть в 6 раз больше минимального теоретического предела. Это показывает, что мы имеем несомненно возможность в несколько раз уменьшить стоимость обогащения воздуха кислородом.

Из всех разнообразных методов, предложенных для выделения из воздуха кислорода, единственный, который представляет техническую ценность,— это метод ректификации, и трудно предположить, что удастся найти лучший метод.

Ректификация, это, попросту говоря, разгонка, такая же разгонка, как спирта от воды; основана она на том, что жидкий кислород кипит при температуре, градусов на 13 выше, чем жидкий азот. Поэтому если ожижить воздух, то при подогревании сперва испарится больше азота, чем кислорода. Повторяя этот процесс несколько раз, можно полностью разделить два газа. Та техническая схема, которая позволяет делать эту повторную разгонку, почти не теряя холода, затраченного на ожижение, и называется ректификацией.

Теперь ставится вопрос: почему современные машины для ректификации воздуха затрачивают в 6 раз больше энергии, чем это возможно теоретически, и возможно ли это улучшить?

Машины, например, французские Клода, немецкие Линде — Френкля, [а также] Гипрогаза, по существу, очень похожи друг на друга, и их можно описать следующим образом. Они состоят из двух довольно сложных агрегатов. Первый — это машина для ректификации жидкого воздуха, а второй, более сложный,— это холодильная машина для ожижения воздуха. Такая сложность установки, каждый элемент которой вводит некоторые потери, в сумме и дает такую маленькую производительность и в го же время делает всю установку дорогой, громоздкой и мало надежной.

Поэтому, чтобы получить дешево обогащенный воздух, надо, главное, стремиться упростить эту машину, и результатом этого должен получиться удешевленный кислород при меньшем капиталовложении. Как это можно осуществить?

Первое, что подлежит упрощению, это та часть машины, которая делает холод, и вот почему. Для того чтобы ожижить воздух, его сжимают обычно до 220 атмосфер, а потом пропускают через детандер, где он производит работу и охлаждается. Этот метод очень хорош для маленького количества воздуха, порядка 200— 300 кубометров в час, где вопрос об экономичности не стоит остро. Но обогащать так количества воздуха порядка 100 000 кубометров в час, которые потребляют ТЭЦ и домны, это встречает большие затруднения.

Дело в том, что сжимать газ до 200 атмосфер можно только посредством поршня, двигающегося в цилиндре, и это также относится к расширению газа в детандере, а именно при больших количествах газа поршневые машины становятся очень дорогими и громоздкими. Тут те же проблемы, которые стояли лет 40—50 назад перед техникой получения механической работы из пара. Когда понадобилось получать десятки тысяч киловатт, то обыкновенная поршневая машина не могла уже выполнять задачу. Только паровая турбина, которая в десятки раз меньше по своим размерам, чем равносильная ей паровая машина, может дать экономично и надежно большие мощности. Можно почти с полной уверенностью сказать, что и для ожижения воздуха нужно перейти от поршневых компрессоров и детандеров к турбокомпрессорам и турбодетандерам. Но для этого надо найти метод ожижения воздуха при более низком давлении, при котором работают турбинные механизмы. Такие попытки делаются уже и во Франции, и в Германии, и у нас. Даже построены турбины, но они позволяют примерно только наполовину сократить размеры поршневых компрессоров в ректификационных установках, но все же они остаются нужны. С этими сложнейшими установками и получают ту затрату энергии 0,4 киловатта на кубометр чистого кислорода, о которой я говорил.

Два года тому назад, когда я изучал этот вопрос, я пришел к выводу, что одно простое, но существенное обстоятельство упускалось [из виду] при постройке турбинных машин для ожижения воздуха, и, приняв его, может быть, можно было бы отказаться от компрессоров и таким образом упростить и улучшить процесс обогащения воздуха.

Я поставил перед собой следующую задачу: осуществить машину, которая бы ожижала воздух, не прибегая к высоким давлениям и работала бы на турбине.

Здесь были сперва следующие трудности. Турбинами я никогда не занимался, знал их теоретически по книгам, поэтому я не чувствовал уверенности в себе и было бы неприятно, если бы одна из моих первых работ в Союзе была бы неудачной, поэтому я начал эту работу, не включая ее в официальный план работ института. Второе: хотя нашему институту и нужна была машина для получения жидкого воздуха, так как он является исходным продуктом для ожижения гелия и водорода, а наша промышленность нас снабжает жидким воздухом очень плохо (часты перебои, да и стоит он нам очень дорого — 60 000—70 000 рублей в год), но строить турбинный ожижитель для института было сопряжено со следующими затруднениями. Известно, что всякая турбина только тогда экономична, когда она работает с большим количеством газа. Происходит это оттого, что мощность турбины возрастает пропорционально ее объему, а большинство потерь увеличивается, как поверхность рабочих частей. Очевидно, что чем больше турбина, тем меньше отношение поверхности к объему и, следовательно, меньше относительные потери. Нашему же институту [нужна], сравнительно с промышленными масштабами, очень малая производительность, и, следовательно, турбина должна быть маленькой. Показать же на маленькой турбине справедливость моих идей еще труднее, и [это] заставило меня быть еще осторожнее.