Лист рукописи с датой 1944 г.
Лист рукописи с рисунком
Письмо Капицы Вавилову
Письмо Капицы Вавилову
Письмо Вавилова Капице

Рукопись "Основы техники глубокого холода"

П.Л. Капица работал в области техники низких температур с начала 30-х годов. Еще работая в Англии, в лаборатории Резерфорда, Капица построил ожижитель гелия с поршневым детандером оригинальной конструкции. В конце 30-х в Москве он создал систему производства жидкого кислорода, и разработанный им цикл установки низкого давления известен во всем мире как "цикл Капицы".

С 1943 года Капица руководил "Главкислородом" - фактически это было министерство, созданное для обеспечения кислородом воюющей страны. В этой должности он стал лауреатом двух Сталинских премий. В эти же годы Петр Леонидович был директором ИФП, обеспечивавшего научное руководство отраслью, создал техникум для подготовки специалистов среднего звена, возглавил кафедру турбохолодильных установок МИХМа (ныне МГУ ИЭ), выпускавшую инженеров, и организовал ВНИИ Кислородного машиностроения (ныне ОАО "НПО Гелиймаш"), производивший установки для разделения воздуха. Это была продуманная программа становления и развития кислородной промышленности страны, включавшая не только производство, но и комплексную систему подготовки кадров для работы в отрасли.

Для того чтобы обеспечить кислородную промышленность специалистами, необходимо было разработать учебные программы и подготовить научно-техническую литературу, поэтому уже в 1942 году Капица начал работу над фундаментальной монографией, которую он назвал "Основы техники глубокого холода".

Как известно, с 1946 года, после отказа участвовать в атомном проекте под руководством Берии, Капица был в опале - безвыездно жил на даче на Николиной Горе и занимался научными исследованиями в созданной им своими руками лаборатории - "избе физических проблем". В первые опальные годы Петр Леонидович продолжал работать над книгой и рассчитывал опубликовать ее. В феврале 1947 года он писал С.И. Вавилову, бывшему тогда президентом Академии наук: "…Я готовлю к печати свою книгу "Основы техники глубокого холода" … надеюсь, что она будет закончена к концу этого года, и я буду благодарен, если Академия найдет возможность включить ее в план своих изданий". Вавилов ответил, что "разумеется, книга будет издана", однако по причинам, которые пока установить не удалось, издание не состоялось.

Вернувшись в ИФП в середине пятидесятых годов, П.Л. Капица занимался исследованиями в области электроники больших мощностей - этой теме была посвящена его Нобелевская лекция. В институте продолжались работы в области криогеники, но сам Петр Леонидович к работе над книгой "Основы техники глубокого холода" не возвращался.

В 1989 году была издана книга "Письма о науке", содержащая наиболее интересные письма П.Л. Капицы, касающиеся самого широкого круга научных вопросов. В ней было опубликовано цитированное выше письмо Капицы президенту Академии наук СССР Вавилову. После публикации письма у многих специалистов криогенной отрасли возник интерес к упоминавшейся книге, несколько раз предпринимались попытки найти рукопись, но успехом они увенчались только весной 2008 года, когда хранитель Музея-кабинета П.Л. Капицы Елена Леонидовна Капица разыскала в архиве Музея материалы книги. 61 год они пролежали в архиве (который занимает более 120м книжных полок!) - и вот пришло время им выйти на свет.

Рукопись оказалась объемной: три папки формата А4 высотой примерно в 15 см. каждая. Для первоначальной экспертизы был приглашен выпускник 1946 года кафедры турбокислородных установок МИХМа д.ф.-м.н. Виктор Васильевич Дильман, давший рукописи высокую оценку. Для дальнейшего анализа рукописи Е.Л. Капица обратилась на кафедру холодильной и криогенной техники МГУИЭ - так теперь называется МИХМ. Зав. кафедрой Игорь Мартынович Калнинь поддержал проект подготовки найденной книги к публикации. Елена Леонидовна вместе с доцентом кафедры ХКТ к.т.н. Галиной Васильевной Никиткиной разобрали рукопись, выделили логические фрагменты и составили предварительное оглавление (авторского оглавления обнаружено не было). Теперь уже не было сомнения, что найдена именно рукопись книги "Основы техники глубокого холода", т. к. материал соответствовал заявленному Капицей в 1947 г. и по содержанию и по объему.

В ходе дальнейшего изучения рукописи, при анализе перекрестных ссылок стало ясно, что имеются еще ненайденные главы. В архиве были предприняты дополнительные поиски, и вскоре удалось обнаружить папку с материалами "Механизм вязкостных и теплопроводных, диффузных и поточных процессов", объемом около 170 стр. машинописного текста.

Эксперты - д.т.н. И.К. Буткевич, д.т.н. В.С. Эдельман, к.ф.-м.н. С.Т. Болдарев (ИФП РАН им.Капицы), д.т.н. проф. В.М. Бродянский (МЭИ), д.т.н. проф. И.М. Калнинь (МГУ ИЭ) - познакомилась с пока еще не обработанными материалами и высказали единодушное мнение о целесообразности публикации книги.

По мнению экспертов сегодня, спустя 70 лет после написания, несмотря на частичное устаревание содержания, материалы книги по-прежнему интересны; более того, рукопись представляет не только мемориальный, но и научный, а главное - научно-методический интерес. В рукописи воодушевляет ясная физическая картина процессов на их основе систематического анализа, начиная с описания с помощью уравнений и понятий термодинамики, затем уравнений гидродинамики, и, наконец, инженерного моделирования. В современных учебниках и пособиях эта картина разделена, и отдельные ее части, излагаемые разными авторами, не сливаются в цельное представление о криогенике. Однако такая картина совершенно необходима для работы специалистов, а особенно она важна для студентов и преподавателей.

П.Л. Капица во многом предвосхитил и опередил демонстрируемые сегодня подходы к криогенным системам. Ему удалось простым и доступным языком, на конкретных численных примерах раскрыть физический смысл тепло- и массообменных взаимодействий в таких сложных процессах, как низкотемпературная ректификация. Систематизация, завершение и публикация рукописи в виде стройной методологии термодинамического анализа действительных процессов в реальных криогенных системах внесет значительный вклад в развитие термодинамического анализа криогенных систем. Издание этого материала будет весьма полезно для широкого круга специалистов, занимающихся изучением, исследованием, разработкой, созданием и эксплуатацией установок, систем, машин и аппаратов криогенной техники для ожижения, разделения и очистки различных газов, в том числе и многокомпонентных, как, например, воздух или природный газ.

Начиная с 2009 года велась работа по переводу рукописи в электронный вид, которую добровольно взяли на себя студенты 3, 4 и 5 курсов кафедры ХКТ МГУИЭ. К настоящему времени в электронный вид переведено примерно 800 страниц рукописи (~80% текста), вписаны формулы. Наиболее сложной задачей оказалась работа с рисунками - а их более 150. Часть из них имелась в законченном виде (иногда на кальке) остальные - в рукописном виде, чаще неразборчиво. Около сотни рисунков, однако, удалось преобразовать в электронный формат. В результате трехлетней работы получены четыре части книги в электронном виде; две из них - "Термодинамические основы технических холодильных процессов и циклов" и "Механизм вязкостных и теплопроводных, диффузных и поточных процессов" - можно считать логически завершенными автором и готовыми к научному редактированию, а две другие - "Технические проблемы разделения газов" и "Расчет и основные конструкции ректификационной аппаратуры" - требуют расшифровки рукописных фрагментов, дополнительного изучения и установления логических связей между разделами. Оставшиеся 200 страниц являются рукописными набросками, неотредактированными автором, их обработка может стать в дальнейшем основой самостоятельного научного исследования.

Один из специалистов-криогенщиков - начальник отдела ОАО НПО "Гелиймаш" к.т.н. Борис Давыдович Краковский - взялся за научное редактирование первой части рукописи. Благодаря его бескорыстным усилиям и технической помощи очередного поколения студентов кафедры холодильной техники МИХМ, работа близится к завершению.

В июне 2011 года в Музее Капицы собрались представители трех организаций, созданных в свое время Петром Леонидовичем Капицей: сотрудники Института физических проблем Генрих Дмитриевич Богомолов, Игорь Константинович Буткевич и Сергей Тимофеевич Болдарев, Борис Давыдович Краковский из ОАО "НПО Гелиймаш" (бывш. ВНИИ Кимаш) и Игорь Мартынович Калнинь и Галина Васильевна Никиткина с кафедры ХКТ МГУИЭ (МИХМ), для обсуждения проблем, связанных с подготовкой рукописи к публикации. Встречу вел Сергей Петрович Капица. Участники встречи обсудили текущее состояние работы над рукописью, увидели 400 страниц напечатанного текста с формулами и рисунками и вновь подтвердили свое намерение продолжать работу. Было решено издавать книгу по частям, начиная с первой части. Такая публикация вызовет интерес не только в русскоязычном пространстве. Нет никакого сомнения, что книга будет востребована техническими специалистами, а также научными учреждениями и университетами всего мира.

П.Л. Капица "Основы техники глубокого холода"

Оглавление

Часть 1. Термодинамические основы холодильных систем

Глава 1. Термодинамические основы технических холодильных процессов
Технические методы производства холода
Дросселирование
Термодинамическая оценка холодильных циклов
Графические методы расчета
Закон сохранения материи для потока
Первое начало термодинамики для потока
Второе начало термодинамики для потока
Идеальная мощность, потребляемая холодильным циклом
Реальная мощность, потребляемая холодильным циклом

Глава 2. Термодинамическое изучение холодильных систем и их элементов
Введение
Потери мощности в теплообменниках
Теплообменники (внутри системы)
Концевые теплообменники
Потери мощности в испарителях и конденсаторах
Потери мощности при дросселировании и потери мощности от перепада давления
Потери мощности из-за несовершенства теплоизоляции
Потери мощности в компрессоре
Потери мощности в детандере

Глава 3. Термодинамический анализ холодильных циклов
Классификация холодильных циклов
Потери мощности в установках глубокого охлаждения
Холодильные циклы на основе дросселирования
Простой холодильный цикл
Циклы с переносом холода
Холодильные циклы на основе детандирования

Глава 4. Циклы для ожижения газов
Термодинамические особенности циклов ожижения
Эффективность промышленных ожижительных циклов
Материальный и тепловой баланс ожижительной установки с турбодетандером

Часть 2. Механизм вязкостных, теплопроводных и диффузионных поточных процессов

Глава 1. Задачи при излучении гидродинамических процессов в потоках
Средние величины
Ламинарное и турбулентное движение по каналам

Глава 2. Теплопередача в потоке
Теплопередача в ламинарном потоке
Теплопередача в турбулентном потоке

Глава 3. Диффузионный обмен в потоке
Коэффициент диффузии
Общие уравнения диффузии в текучей среде
Диффузионная передача в двухмерном потоке
Диффузионный обмен в ламинарном потоке
Диффузионная передача в двухмерном турбулентном потоке

Часть 3. Разделение газов

Глава 1. Техническая проблема разделения газов
Введение
Термодинамические основы задачи разделения газов
Проблема смешения газов
Методы разделения газовых смесей
1. Метод селективных полупроницаемых перегородок
2. Метод разделения газов диффузией
3. Метод центрифугирования
4. Магнитный метод разделения
5. Метод разделения поглощением
6. Метод разгонки при переходе в жидкую фазу

Глава 2. Основные задачи ректификации
Равновесное состояние бинарных смесей
Закон сохранения материального и теплового баланса потоков для смесей
Теорема о прямой
Графическое определение молекулярного веса смеси

Глава 3. Термодинамическое смешение и разделение потоков различной концентрации в поточных системах
Графический метод
Сложение потоков
Разность потоков
Приложение графического построения к изолированной системе потоков
Учет подвода потока энергии в систему потоков на диаграмме
Диаграмма Поншона
Полюсы на диаграмме Поншона
Построение диаграмм Поншона

Часть 4. Расчет и основные конструкции ректификационной аппаратуры

Расчет и основные конструкции ректификационной аппаратуры
Введение
Ректификационная колонка
Основные соотношения между потоками
Граничные условия между потоками в колонке
Расчет колонок при оптимальном режиме
Поперечное перемешивание в колонках
Запас флегмы в колонке
Основные характеристики ректификационной колонки
Число теоретических тарелок
Однородность потока по его сечению
Запас флегмы
Перепад давления
Потери холода
Физические процессы пленочной ректификации
Колонки пленочной ректификации
Трубчатые колонки
Насадочная колонка
Колонки пленочной ректификации и с вынужденной циркуляцией потоков (вертушки)
Спиральная вертушка
Цилиндрическая вертушка
Тарелочная колонка
Ступенчатая ректификация
Основные процессы на тарелке
Пенообразование
Диффузный обмен в пене
Колпачковые тарелки
Сетчатые тарелки
Основные характеристики тарелочной ректификации
Тарелочная колонка с упорядоченным течением флегмы
Основные направления развития ректификационных устройств
Ректификационная колонна
Затраты мощности при ректификации