) В. М. МОЛОТОВУ 20 апреля 1938, Москва

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

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.

Вот в чем заключалась моя идея, она исключительно проста. При конструировании прежних турбин, которые делали французы, немцы и Гипрогаз, в основу были положены принципы конструкции паровых турбин, и, по-моему, это было неправильно. Дело в том, что турбодетандер должен работать при —186 градусов [по Цельсию], а при этой температуре воздух становится тяжелее и его плотность во много раз превышает плотность пара. Поэтому, гораздо правильнее положить в основу конструкции турбины те принципы, на которых работает водяная турбина, т. е. использовать силы, возникающие при движении более тяжелой среды, поэтому при работе турбины не только использовать реакционные силы потока газа, но в кориолисовые силы^xciii. На практике это достигается тем, что вместо аксиального пуска газа он делается радиальным. Можно показать теоретически, что такую турбину представляется возможным заставить работать с двойным перепадом давления и, по сравнению с прежними турбинами, при тех же потерях получать двойную мощность.

Два года тому назад мы взялись за эту работу, и, как всегда в исследовательской работе, затруднения пришли не с той стороны, откуда их ждали. Оказалось, что турбина при вращении в такой плотной среде, как воздух у точки ожижения, теряла свою устойчивость. Пришлось искать теоретические основания этой устойчивости. В библии современного турбостроения, [в] книге Стодолы (стр. 928, 6-е издание, 1924 г.)^xciv говорится «что теория этих явлений чрезвычайно запутана и не разрешена...». Но, не имея теории, нельзя было найти пути для того, чтобы добиться устойчивости. Строя модели и экспериментируя, после 8—9 месяцев работы нам удалось найти теорию этого явления. Тогда все стало просто и легко, и, [когда мы] сделали соответствующие приспособления, турбина стала устойчива. Насколько наша турбина устойчива, видно из следующего: край ротора делает более 200 метров в секунду, т. е. скорость полета дроби из двустволки, а зазор между ротором и кожухом при этом немногим больше 1/10 миллиметра. Между прочим, эти методы стабилизации роторов, возможно, окажут влияние и на большие паровые турбины, там тоже полезно иметь большую устойчивость вращения ротора, чтобы уменьшить зазор между лопатками и кожухом, так как это повысит коэффициент полезного действия.

Было еще следующее затруднение. Для нужной нам производительности наша турбина получается очень маленькая — ротор ее свободно помещается на ладони и весит всего 300 грамм, хотя, чтобы снабжать се воздухом, нужен компрессор, который весит 4 тонны. (Это, между прочим, рисует соотношение габаритов поршневых и турбинных механизмов.) Наш ротор делает 46 ООО оборотов в минуту. Вначале все подшипники у нас быстро разбалтывались. Изучая причину этого, мы нашли, что это происходит благодаря тому, что оси инерции турбины было невозможно достаточно точно центрировать; тогда был изобретен новый метод подвешивания ротора к оси. Сцепление ротора с осью осуществляется на трении и поэтому ротор становится самоцентрирующим. Возможно, что и этот метод крепления роторов найдет себе более широкое применение в [таких] быстро вращающихся механизмах, как центрифуги, гирокомпасы и пр.

[Когда мы] преодолели все эти трудности, после двух лет работы, третья по счету построенная турбина полностью подтвердила правильность основных идей, заложенных в пей. Несмотря на ее малый размер, коэффициент полезного действия ее больше 0,7, а при некоторых режимах доходит до 0.75—0,80, тогда как прежние турбодетапдеры, по литературным данным, не имели коэффициента [полезного действия], заметно больше 0,6—0,65, несмотря на то, что они гораздо больше по размерам, чем наша [турбина].

Специальной охладительной установкой, снабженной такой турбиной, мы теперь ожижаем воздух при давленый в 3 — 4 атмосферы вместо прежних 200 и этим осуществили поставленную задачу.

Вот еще некоторые цифры, характеризующие то, что мы достигли. Если сравнить нашу установку с прежними установками, равными по производительности, то для нашей установки стандартный компрессор низкого давления стоит по советским ценам 20 ООО рублей, [а] для обычного ожижителя — 100 000 рублей. Далее, у нас отсутствует необходимость очищения воздуха от влаги и углекислоты: очистительные приспособления в прежних установках достигали размеров, больших, чем вся наша установка. Даже включая все расходы по двухлетнему экспериментированию, вся наша установка нам обошлась не более 100 000 р., в то время как эквивалентная ей стандартная установка завода ВАТ^xcv, честная копия немецкой, стоит 200 000 р.

Все это, конечно, неплохо, так как, по-видимому, получать жидкий воздух таким путем, как мы, еще никому не удавалось, но все же это еще решает только ту часть проблемы по ректификации воздуха, которая связана с получением холода. Остается вопрос, как приложить этот метод получения холода для ректификации воздуха. Этот вопрос, мне кажется, тоже имеет решение, но заранее трудно точно сказать, что из этого получится. <...>

Но если я так подробно описал Вам нашу работу с турбиной, [то] это потому, что я считаю, что то, что нами уже достигнуто, имеет ценность для хозяйства нашей страны и это следует использовать. Это видно уже из данных испытания установки для ожижения воздуха, которая установлена у нас для нужд института, хотя она только сейчас поступает в опытную эксплуатацию. При продолжительной работе, конечно, возникнет необходимость ряда конструктивных улучшений, но принцип работы и его преимущество, мне кажется, можно считать доказанными.

Оставляя в стороне все дальнейшие улучшения и взяв установку, как она есть, она примерно в 3 раза дешевле эквивалентной ей установки прежних систем. Ввиду отсутствия высоких давлений, эксплуатация ее проще, безопаснее и экономичнее.

Наша установка дает сейчас 11 килограммов жидкого воздуха в час, хотя она работает на половинном числе оборотов компрессора. При полном числе оборотов установка должна давать 20 кг в час. Если продавать этот жидкий воздух по той цене, которую мы сейчас платим, т. е. 6 руб. за 1 кг, то, считая, что установка будет работать 300 дней в году по 20 часов в сутки, производительность такой установки будет 700 000 руб. при себестоимости не больше 100 000 руб. Следовательно, ужо 10 таких установок, работающих в Союзе, сэкономят за год все расходы, затраченные страной на институт.

Но главная ценность, мне кажется, в тех идеях, которые получили доказательства своей правильности, и в перспективе улучшения техники процесса обогащения воздуха. Если это будет так, то действительную ценность трудно учесть и она только определится лет через 10—15, а тогда все уже успеют забыть о наших начинаниях.

Держать в секрете наши достижения, конечно, нелепо, так как нет сомнения, что если мы стоим на правильном пути, то по логике развития технических процессов другие инженеры и ученые придут к тем же результатам. Например, достаточно таким хорошим инженерам, как Линде, Клод и пр. прочесть это письмо, чтобы через 3—4 года получить то же, что и мы. А идей не скроешь. Вообще, правильная политика всякой сильной техники — это искать свою силу в динамике развития. Прокладывая новые пути, открыто бежать впереди и рассчитывать только на силу своих ног. Поэтому, мне кажется, следует подумать о том, чтобы взять патент за границей на основные принципы нашей работы. <...>

Если Вы решите брать эти патенты и они будут получены, я хочу, чтобы все возможные доходы пошли нашей стране. Для этого лучше с самого начала оформить передачу всех прав без исключения на патенты указанному Вами юридическому лицу. Я лично только хочу оговорить [в отношении] себя следующее: кроме [того, чтобы] давать все <...> технические сведения, необходимые для получения патентов, я был бы полностью освобожден от всех юридических, финансовых и коммерческих дел, связанных обычно с получением и дальнейшей судьбой патентов.

Далее, прошу, чтобы заявки были сделаны по возможности скорее, чтобы после них я мог бы поскорее опубликовать как теорию, а также и общее описание установки.

Ввиду потенциальной важности всех этих вопросов и их срочного характера, я и написал Вам это письмо, чтобы Вы по своему усмотрению дали им то назначение, какое следует.

П. Капица

P. S. Я бы хотел отметить, что в работе по осуществлению турбины наш институтский коллектив работал с исключительным энтузиазмом и энергией. В особенности мастера. У нас, конечно, на такой работе нет сдельщины или сверхурочных часов. Но они своего времени не жалели, другой раз мне приходилось гнать их домой, прямо боясь, что они переработают. Все они принимали активное участие в конструировании деталей и дали ряд очень дельных конструктивных улучшений. Принимая во внимание, что постройка этой установки сэкономила институту не менее 100 000 руб., а также будет экономить около 70 000 руб. на расходах на жидкий воздух, я бы хотел премировать наш коллектив. Поэтому прошу Вашего указания на израсходование из средств института 15 000 руб. на премирование. Я прошу только дать разрешение скорее, так как психологически очень важно, чтобы награда совпала с достижениями. <...>