Хотя химия является фундаментальной наукой, хотя она охватывает такое разнообразие предметов, хотя общее количество установленных ею фактов действительно огромно, тем не менее, следует откровенно сказать, что эта обширность по большей части состоит из деталей и более или менее изолированных фактов и идей. Химия может похвастаться замечательными достижениями. Но величайшие достижения еще впереди. И причина в следующем: химия еще не является по-настоящему единой наукой. Настоящие основы, которые свяжут воедино все изолированные факты и идеи, материал, которым химик, действительно, имеет основания гордиться, по большей части отсутствуют. Вот почему будущее так намного больше прошлого. И вот почему мир может ожидать от химиков гораздо больших достижений в будущем, чем он видел в прошлом, какими бы великими они ни были.
В самых фундаментальных терминах химия занимается изменениями, которые различные виды энергии производят в материи. Химия занимается двумя вещами: энергией и материей. И все же химия должна признать, что она не знает природы материи или природы энергии. А не зная, она не может оценить.
В этом направлении лежат достижения химии будущего. По мере того как природа материи и природа энергии постепенно раскрываются перед успехами химических исследований, открываются замечательные возможности для будущего развития. Мы начинаем видеть, насколько мы были действительно расточительны. Ужасающие потери, на которые обратило наше внимание движение за сохранение наших природных ресурсов, меркнут в полном ничтожестве, когда мы рассматриваем, что мы потеряли из-за нашего невежества. Мы только начинаем осознавать нашу расточительность химической энергии. Кусок угля, например, имеет в себе возможность совершить в десять раз больше работы, чем он делает сейчас. В куске радия накоплено почти бесконечное количество энергии. Как изменить эту внутреннюю или химическую энергию в другие формы энергии, с которыми мы знакомы, в тепло, или электричество, или обычную механическую энергию, — это проблема будущего. Использование этого огромного количества потенциальной энергии, которая накоплена во всех формах материи, обуздание ее на службе человечества — это проблема, которая стоит перед химиком. Она уходит к самым основам его науки.
Но начало положено. Острие клина уже нашло вход. Открытие радия и изучение его распадов широко открыли наше поле зрения. Проблема должна поддаться, когда удары химического исследования упадут на клин и вобьют его до конца.
Химия всегда была утилитарной наукой. Ее результаты всегда были на службе человечества. И если мы можем судить о будущем по прошлому, даже делая скидку на энтузиазм химика, мы можем предвидеть улучшенные процессы, которые сократят наши нынешние расточительные методы; мы можем видеть новые процессы, создающие для нас такие вещи, как каучук из крахмала, для которого мы сейчас должны зависеть от щедрости природы; и мы можем смутно видеть время, когда мы сможем использовать часть той энергии, которая скрыта в недрах материи и необъятность которой мы только начали осознавать.
ТЕСНАЯ СВЯЗЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ГЕНЕРАТОРНОМ ГАЗЕ С СОХРАНЕНИЕМ НАШИХ ТОПЛИВНЫХ РЕСУРСОВ.
РОБЕРТ ХЕЙВУД ФЕРНАЛЬД.
[Профессор машиностроения, Кейсовская школа прикладных наук.]
Официальные отчеты показывают, что уголь, поступающий на рынок, составляет ежегодно от 450 000 000 до 500 000 000 коротких тонн только в Соединенных Штатах. Эти цифры, однако, несколько вводят в заблуждение, так как они никоим образом не показывают огромные потери, которые происходят из-за наших нынешних методов добычи и ограничений по качеству угля, который может быть транспортирован и размещен на рынке с разумной прибылью. Тщательное исследование показало, что уголь, потраченный впустую или оставленный в шахтах в таком виде, что он недоступен для будущих поколений, составляет каждый год практически 100 процентов от того, что поступает на рынок, или, другими словами, в настоящее время около 450 000 000 тонн ежегодно теряются с точки зрения коммерческой ценности.
Если позволить этому состоянию продолжаться, то, по оценкам Геологической службы США, наши доступные запасы битуминозного угля будут исчерпаны в течение следующих двухсот лет.
Осознание серьезности этой ситуации привело к тщательному и систематическому изучению нынешнего отсутствия эффективности в использовании топлива как для энергетических, так и для металлургических целей, к исследованиям более эффективного использования нынешних рыночных сортов топлива и к рассмотрению методов использования так называемых низкосортных топлив, лигнитов и торфов.
Геологическая служба США уже несколько лет исследует экономическую ценность углей и лигнитов в качестве топлива для газогенераторов. Эта работа, начатая с испытаний угля и лигнита на заводе по испытанию угля, построенном на Всемирной выставке в Сент-Луисе, штат Миссури, в 1904 году, была продолжена в Сент-Луисе и в Норфолке, штат Вирджиния, и в настоящее время проводится Службой на заводе по испытанию топлива в Питтсбурге, штат Пенсильвания. Испытания были предприняты, потому что было очевидно желательно определить ценность газогенератора как средства повышения эффективности использования запасов угля в Соединенных Штатах. Ранние испытания оказались весьма обнадеживающими, продемонстрировав, что многие угли, которые сейчас тратятся впустую или не добываются, потому что они не являются удовлетворительным топливом для паросиловых установок, могут путем преобразования в генераторный газ выполнять в два-три раза больше работы, чем лучшие сорта парового угля, сжигаемого в котельной установке. В результате проведение испытаний генераторного газа и изучение процессов, происходящих внутри газогенератора, теперь составляют неотъемлемую часть топливных исследований, проводимых на заводе в Питтсбурге в соответствии с положениями, принятыми Конгрессом для анализа и испытания минеральных топлив.
Быстрое развитие газового двигателя.
Только в конце девятнадцатого века газовый двигатель вошел в общее пользование, и хотя за последние двадцать или тридцать лет было разработано много типов, только в течение восьми или девяти лет строятся большие газовые двигатели. Это развитие началось одиннадцать или двенадцать лет назад в Германии, Бельгии и Англии, но заметный прогресс ограничивается последними восемью годами.
Долгое время естественным топливом этих двигателей внутреннего сгорания был городской газ, но он был слишком дорогим, за исключением двигателей малой мощности. Редко удавалось экономично эксплуатировать установки мощностью более 75 лошадиных сил на этом топливе. Дешевый газ был необходим для развития газового двигателя, но ранние попытки производства дешевого газа были несколько обескураживающими, и одно время казалось очень маловероятным, что газовый двигатель в какой-либо степени потеснит область, занимаемую паровым двигателем. Теоретические возможности двигателя внутреннего сгорания, работающего на дешевом топливе, обещали так много, однако, что практические трудности были быстро преодолены, в результате чего двигатель внутреннего сгорания стал серьезным соперником парового двигателя во многих его применениях.
Развитие большого газового двигателя за последние несколько лет было чрезвычайно быстрым. Всего десять лет назад двигатель мощностью 600 лошадиных сил, выставленный на Парижской выставке, считался чудом, но сегодня четырехтактные, двухрядные, двухтактные двигатели мощностью от 2000 до 3500 лошадиных сил можно найти почти на всех современных сталелитейных заводах, и в этой стране есть установки, содержащие несколько агрегатов мощностью 5400 лошадиных сил каждый.
Развитие газогенератора для энергетических целей.
Быстрое продвижение большого газового двигателя стало возможным благодаря улучшениям в производстве дешевого газа непосредственно из топлива с помощью газогенератора. Ранняя форма генератора, представленная в Европе и теперь широко используемая как за рубежом, так и в Соединенных Штатах, известна как всасывающий генератор, название которого продиктовано тем фактом, что двигатель развивает свой заряд газа в генераторе с помощью собственного такта всасывания. Хотя многие генераторы этого типа сейчас используются, большинство из них небольшие, редко превышающие 200 лошадиных сил. Серьезным ограничением полезности всасывающего генератора был тот факт, что из-за способа генерации газа нельзя было использовать смолистые топлива, ограничение, которое предотвращало использование битуминозных углей, лигнитов, торфов и других подобных топлив. Топлива, наиболее часто используемые для генераторов этого типа, — это древесный уголь, кокс и антрацит, хотя предпринимаются попытки сконструировать установки так, чтобы они могли работать на битуминозных или смолистых углях.
Для удовлетворения потребности в концентрации энергии в крупных установках, вместо эксплуатации большого числа отдельных агрегатов малой мощности, был разработан газогенератор давления. Этот генератор вырабатывает газ под небольшим давлением за счет подачи дутья из воздуха и пара, а газ накапливается в газгольдере до тех пор, пока он не потребуется двигателю. Поскольку газ может таким образом храниться перед подачей в двигатель, а его генерация не зависит от такта всасывания двигателя, деготь и другие примеси могут быть удалены из него с помощью соответствующих устройств, что позволяет использовать битуминозный уголь, лигнит и торф.
В процессе развития за газогенератором давления последовал газогенератор с нисходящим потоком, который фиксирует деготь в виде постоянного газа и, следовательно, полностью использует летучие углеводороды в битуминозном угле, лигните и торфе.
Несколько разрозненных установок на генераторном газе были введены в эксплуатацию для энергетических целей в Соединенных Штатах до 1900 года, но применение этого типа энергии в широком смысле развилось только после этой даты. В течение первых нескольких лет этого периода развития почти исключительно использовались антрацит, кокс и древесный уголь, хотя иногда на установках давления и с нисходящим потоком пробовали использовать хорошо зарекомендовавший себя битуминозный уголь, который, как известно, особенно свободен от серы и трудностей, связанных со спеканием, и содержит мало соединений, образующих золу и деготь. Быстрое развитие установок на антраците было ожидаемым, но именно Геологической службе США на ее испытательных станциях в Сент-Луисе и Норфолке предстояло продемонстрировать возможность использования на таких установках практически всех сортов топлива любой коммерческой ценности, независимо от количества содержащихся в них серы или смолистых веществ. На рисунках 1 и 2 показан очень быстрый рост числа установок и общей мощности в лошадиных силах установок, работающих на битуминозном угле и лигните с начала этих исследований Геологической службой в 1904 году.
В связи с тем, что даты установки многих станций установить невозможно, представить точный рост как по количеству установок, так и по мощности в лошадиных силах не представляется возможным. Относительный темп, однако, приблизительно показан на рисунках 1 и 2, данные для которых были получены по 375 установкам. Показатели за 1909 год оценены на основе данных за первые пять месяцев. Эти показатели были проверены двумя или тремя методами и указывают лишь на нормальный рост, установленный темпами развития до делового спада 1908 года. Вполне вероятно, что фактические цифры за весь год могут превысить указанные.
Относительные результаты испытаний паровых установок и установок на генераторном газе.
При рассмотрении соотношения между экономическими результатами установок двух обсуждаемых типов, а именно паровых и работающих на генераторном газе, следует помнить, что сегодня на обычном производственном предприятии, работающем на паровой энергии, менее 5 процентов от общего количества энергии в потребляемом топливе доступно для полезной работы на станке.
В этой связи интересно и полезно взглянуть на возможности наиболее совершенной и наиболее квалифицированно эксплуатируемой коммерческой установки, используемой в настоящее время. Данные, касающиеся паровой установки, выбранной для этого определения, взяты из таблицы, подготовленной г-ном Стоттом, суперинтендантом по энергетике компании Interborough Rapid Transit Company, Нью-Йорк, которая, как говорит г-н Стотт, показывает «потери, обнаруженные за год эксплуатации того, что, вероятно, является одной из самых эффективных установок, существующих сегодня, и, следовательно, типичной для современного состояния техники».
Рисунок 1. — Ежегодный прирост числа энергетических установок на генераторном газе в Соединенных Штатах.
Рисунок 2. — Ежегодный прирост общей мощности в лошадиных силах энергетических установок на генераторном газе в Соединенных Штатах.
Средние потери в паровой установке компании Interborough при преобразовании 1 фунта угля, содержащего 12 500 британских тепловых единиц, в электричество.
British
thermal
units. Per cent. Loss by friction 138
1.1
Loss in exhaust 7,513
60.1
Loss in pipes and auxiliaries 275
2.2
Loss in boiler 1,000
8.0
Loss in stack 1,987
15.9
Loss in ashes 300
2.4
Total losses 11,213
89.7
Energy utilized 1,287
10.3
12,500
100.0
Г-н Стотт далее представляет таблицу, показывающую тепловой КПД установок на генераторном газе, о которой он говорит:
Считается, что следующий тепловой баланс представляет собой лучшие результаты, полученные в Европе и Соединенных Штатах на сегодняшний день при формировании и использовании генераторного газа.
Средние потери в установке на генераторном газе при преобразовании 1 фунта угля, содержащего 12 500 британских тепловых единиц, в электричество.
British
thermal
units. Per cent. Loss in gas producer and auxiliaries 2,500
20.0
Loss in cooling water in jackets 2,375
19.0
Loss in exhaust gases 3,750
30.0
Loss in engine friction 813
6.5
Loss in electric generator 62
.5
Total losses 9,500
76.0
Converted into electric energy 3,000
24.0
12,500
100.0
Тепловой КПД таких установок, как указывают различные авторы, достигает 33, 36 и 38,5 процентов, а для некоторых установок смело публикуются такие экстравагантные цифры, как «выше 40». Хотя текущая цель состояла в том, чтобы привести цифры для установки на генераторном газе, которые могут выгодно сравниться с показателями паровой установки компании Interborough, были предприняты усилия, чтобы оставаться в рамках достижимых показателей КПД. Также обращается внимание на тот факт, что рассматриваемая установка на генераторном газе должна быть достаточно большой, чтобы выгодно сравниваться с паровой установкой. Это исключает сравнение с всасывающими установками, которые относительно малы, но дают более высокие пропорциональные показатели КПД, чем более крупные установки давления и с нисходящим потоком, поскольку последние требуют большего или меньшего количества вспомогательного оборудования.
Г-н Стотт, по-видимому, готов принять тепловой КПД 24 процента для лучших установок на генераторном газе для сравнения с КПД 10,3 процента для своей паровой установки, но тщательное изучение проблемы привело к более консервативной оценке для установки на генераторном газе, а именно 21,5 процента.
Только что приведенные таблицы показывают сравнительные показатели КПД, достигнутые на установках лучшего типа, как паровых, так и работающих на генераторном газе, но они редко реализуются в обычной практике. Результаты, полученные на правительственной установке в Сент-Луисе, вероятно, более точно отражают обычный тип оборудования. Эти результаты следующие:
Относительная экономичность паровых и газовых энергетических установок в Сент-Луисе при преобразовании 1 фунта угля, содержащего 12 500 британских тепловых единиц, в электричество.
Steam Power. Gas Power. British
thermal
units. Per cent. British
thermal
units. Per cent. Losses in exhaust, friction, etc. 11,892
95.14
10,812
86.5
Converted into electric energy 608
4.86
1,688
13.5
12,500
100.00
12,500
100.0
Соотношения общего расхода топлива на тормозную лошадиную силу в час, требуемого паровой установкой и установкой на генераторном газе при полной нагрузке, без учета потерь в режиме ожидания, представлены ниже, как полученные из 75 видов угля, 6 видов лигнита и 1 вида торфа (Флорида).
Кривые на рисунке 3 графически показывают большую экономию, достигнутую при использовании установки на генераторном газе. Цифры для испытаний на генераторном газе включают не только уголь, потребленный в газогенераторе, но и уголь, использованный во вспомогательном котле для выработки пара, необходимого для дутья под давлением — то есть приведенные цифры включают общий расход угля, требуемый установкой на генераторном газе.
Соотношения топлива, используемого в паровых и газовых установках.
Average ratio, coal as fired per brake-horsepower hour under boiler to coal as fired per brake-horsepower hour in producer 2.7 Maximum ratio, coal as fired per brake-horsepower hour under boiler to coal as fired per brake-horsepower hour in producer 3.7 Minimum ratio, coal as fired per brake-horsepower hour under boiler to coal as fired per brake-horsepower hour in producer 1.8 Average ratio, lignite and subbituminous coal as fired per brake-horsepower hour under boiler to lignite as fired per brake-horsepower hour in producer 2.7 Maximum ratio, lignite and subbituminous coal as fired per brake-horsepower hour under boiler to lignite as fired per brake-horsepower hour in producer 2.9 Minimum ratio, lignite and subbituminous coal as fired per brake-horsepower hour under boiler to lignite as fired per brake-horsepower hour in producer 2.2 Average ratio, peat as fired per brake-horsepower hour under boiler to peat as fired per brake-horsepower hour in producer 2.3
При рассмотрении возможного повышения КПД паровых испытаний с компаунд-машиной по сравнению с использованной простой машиной не следует упускать из виду тот факт, что соответствующее повышение КПД испытаний на генераторном газе может быть достигнуто при соответствующих благоприятных условиях. Не только генератор переживает переходный период, но и газовый двигатель все еще должен рассматриваться в том же свете. В больших размерах вертикальный двигатель одинарного действия заменяется горизонтальным двигателем двойного действия. Постоянно вносятся другие изменения и улучшения, которые способствуют повышению КПД газового двигателя, подобно тому, как компаундирование и тройное расширение уже повысили КПД парового двигателя.