Для чего нужны центрифуги? Лабораторные центрифуги – назначение, устройство, безопасность, критерии выбора Центрифуги в аэрокосмической промышленности.

Многие водители и владельцы грузового автотранспорта считают, что масляные центрифуги лишают моторные масла полезных присадок. Впрочем, в это действительно легко поверить, т.к. принцип центробежного разделения по определению способен отделять разные по массе вещества. Однако касается ли это масляных присадок?

Как уже было сказано, центрифугирование является фильтрованием под действием центробежных сил. Центрифуги находят широкое применение в химической промышленности, где используются для очистки жидкостей от твердых включений с большей плотностью. Нетрудно догадаться, что тяжелые примеси могут осесть и сами собой, но центрифуга существенно ускоряет этот процесс.

На практике возможности центрифуги ограничиваются отсеиванием только достаточно крупных частиц. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что центрифуга не может расслоить моторное масло, отделив присадки от основы. Дело еще и в том, что в процессе производства моторных масел пакет присадок тщательно конструируется на молекулярном уровне и растворяется в специальной смеси базовых основ, после чего образуется среда с высокой степенью однородности.

Если процесс смешивания компонентов масла проходит с нарушением технологии, то оно может расслоиться само собой под действием одной лишь гравитации. Но это будет крайне некачественный продукт, поэтому производители стараются смешать компоненты таким образом, чтобы масло находилось в стабильном состоянии на всем протяжении гарантийного срока и периода эксплуатации.

Расслоить качественное масло при помощи центрифуги практически невозможно, как ни старайся. Ни центрифуга, ни отстаивание для жидкостей, компоненты которых соединены на молекулярном уровне, здесь не работают. А вот некачественные масла, произведенные с нарушением технологии, могут расслоиться уже в канистре, задолго до того, как попадут в центрифугу системы очистки масла в двигателе.

Неизбежные процессы трения, происходящие при работе любого двигателя или иного механизма, порождают продукты износа - частицы металла. Кроме того, в масло попадает пыль, шлам и прочие технологические и механические загрязнения. Больше всего таким загрязнениям подвержено масло в дизельных моторах коммерческого автотранспорта. Абсолютно все перечисленные загрязнители ухудшают качество смазки и способствуют быстрейшему износу мотора.

Шлам, как правило, образуется в низкотемпературных зонах двигателя, где происходит интенсивная конденсация пара, выделяемого при сгорании топлива. В этих местах шлам и скапливается больше всего. В основном это картер и зоны под крышкой клапанов ГРМ. При потере маслом критического уровня диспергирующих свойств частицы шлама объединяются в массивы, образуя вязкую субстанцию бурого цвета. Эти отложения постепенно сгущают масло, что в свою очередь приводит к ухудшению его текучести и затрудненному прокачиванию по каналам. В результате, масло не достигает всех деталей, нуждающихся в смазке, и наступает так называемое масляное голодание двигателя. Его симптомы - падение давление масла в системе, задиры трущихся поверхностей, а в худшем случае - заклинивание двигателя.

Механические загрязнители представляют опасность как абразив, увеличивающий износ деталей. Извлечь из масла твердые частицы и шлам помогают, установленные на двигателе, центрифуги. Но постепенно эта проблема стала решаться не ликвидацией последствий механического износа, а устранением его причин.

Однако вернемся к присадкам. Предположим, что инородные частицы, образующиеся в процессе эксплуатации масла и склонные к укрупнению, захватывают моющие и диспергирующие присадки, адсорбирующиеся на поверхности загрязнений. Под действием центробежных сил такие частицы, достигшие определенного размера, действительно могут отсеиваться центрифугой. Но не стоит забывать, что эти присадки вводятся в масло для того, чтобы загрязнители не осаждались на деталях двигателя. Действие моющее-диспергирующих присадок является комплексным. Оно проявляется как стабилизация нерастворимых продуктов окисления углеводородов, удержание их в мелкодисперсном состоянии и противодействия их слипанию и увеличению в размерах. Благодаря этим присадкам, масло на всем протяжении эксплуатации остается однородным и стабильным. Но это при условии, что масло качественное. При нарушении технологии производства, описанная схема частично или полностью не работает, в результате чего уменьшается срок от замены до замены, либо наступает преждевременный износ деталей двигателя.

Если же сгустки в качественном масле все же образуются, то это может сигнализировать о неполадках самого двигателя, например, неполадках в топливной системе. Кстати топливо является серьезным фактором, оказывающим влияние на «запас прочности» масла. Дизель, которым торгуют отечественные заправки, к сожалению, не всегда подходит для двигателей классов Евро-3 и выше.

На большинстве современных дизельных грузовиков и спецтехнике такого оборудования, как центрифуга, уже не устанавливают. Однако не потому, что она как-то влияет на свойства масла. При исправности всех систем двигателя, регулярно проверяющихся при ТО, а также при использовании качественных масел и топлива, крупные частицы, которые могли бы улавливаться центрифугой, попросту отсутствуют. А раз в масле нет таких загрязнений, то и центрифуга становится не нужной.

Центрифуга для отжима белья – устройство, известное многим домохозяйкам. Но речь пойдет не о «довеске» к полуавтоматической стиралке, а полноценном самостоятельном бытовом приборе. Ее можно приобрести в качестве дополнения к машинке-полуавтомат без отжима. Также устройство подойдет тем, кто стирает в ручном режиме, для облегчения процесса в целом. Далее мы рассмотрим принцип работы такой центрифуги и сделаем краткий обзор популярных моделей, чтобы вы определились, стоит ли делать такую покупку.

Бытовая центрифуга имеет простейшее устройство. Детали прибора скрыты корпусом из пластика или металла, форма – округлая или квадратная. Внутри находится барабан, расположенный вертикально. Во время работы барабан вертится на высокой скорости, создавая центробежную силу, в результате чего капли воды выталкиваются из белья и стекают в бак. Из центрифуги вода сливается в специально отведенную емкость. Практически все центрифуги имеют схожие характеристики, и кардинального различия в принципе их использования не наблюдаются. Чтобы правильно отжать белье в центрифуге, нужно:

• Открыть крышку машинки для отжима.
• Снять заглушку.
• Заложить белье в барабан. Укладывайте вещи плотно, чтобы избежать дисбаланса и прыжков машинки во время работы.
• Установить заглушку, закройте крышку.
• Подставить емкость и запустить прибор.
• На механическом таймере выбрать время работы. Аппарат запустится самостоятельно. В некоторых моделях для запуска нужно переключить тумблер.
• По завершении работы отключить центрифугу.
• Достать и досушить белье.

Важно! При работе даже дорогая модель будет создавать вибрации. Гасить их можно, используя антивибрационные подставки для стиральных машин.

Если у вас не работает отжим в полуавтоматической машине, такой как «Фея», «Ренова» или другой мини-стиралке с полосканием и отжимом, можно избежать ремонта. Для этого приобретите отдельную независимую центрифугу и отжимайте в ней – удобно и надежно.

На что смотреть при выборе

Покупая технику, чтобы повысить качество отжима вещей, пользователи обращают внимание на два основных фактора: качество и цену. Всем хотелось бы, чтобы машинка стоила дешево, а работало долго и без сбоев. Возможно, мы вас разочаруем, но такого не бывает – платить за качество придется. И вот почему:

• Хороший аппарат априори не может быть дешевым.
• Качественная сборка при низкой цене еще не гарантирует качественный отжим.

Поэтому вопрос, сколько стоит центрифуга, должен волновать в последнюю очередь. Прежде всего обратите внимание на такие моменты:

• Вместительность барабана . Чем больше объем бака, тем выше ценность. Такую машинку можно использовать для отжима ковров и других крупных вещей – штор, одеял, покрывал, верхней одежды.
• Количество оборотов . В современной технике скорость барабана около 2000 оборотов за 1 минуту и более. Чем выше показатель, тем меньше влаги остается в белье.

Важно! Помните, что высокая скорость вращения может испортить вещи.

• Устойчивость . К сожалению, чтобы проверить этот параметр, нужно запустить агрегат. Не во всех магазинах есть проверочные стенды. Если вы покупаете б/у машинку, будет проще. Вибрировать и покачиваться в работе центрифуга может, а вот скакать и перемещаться по полу – ни в коем случае.
• . Подобные приборы требуют ресурсов и быстро изнашиваются, поэтому стоит выбирать маломощные модели, например, в 350 Вт – такая машинка не потребует колоссальных затрат на электроэнергию.

• Размеры . Если у центрифуги не будет постоянного места, и вы планируете прятать ее в кладовку после использования, габариты – немаловажный критерий. Также актуально для жителей малогабаритных квартир.
• Материалы . Чтобы понять, из чего сделан бак и корпус, не нужно быть экспертом. Выбирайте устройство в металлическом корпусе, а не пластиковом. Если вариантов нет, то проверьте качество и прочность пластика, надавив на него пальцем.
• Уплотнители . Эти комплектующие должны быть правильно установлены и подогнаны под плотное закрытие люка. Если вы заметили кривизну или неправильное расположение резинок, откажитесь от подобной покупки.
• Слив . Высота носика должна быть достаточной, а длина – оптимальной для слива воды в емкость.

Важно! Подыщите модель со съемным носиком, чтобы получить более компактную технику.

Обзор популярных моделей

Не знаете, где купить и как выбрать подходящую модель? Рейтинг популярных образцов поможет составить верное мнение.

Устройство, импортируемое в РФ из Аргентины. Есть три причины, по которым KOH-I-NOOR досталась первая ступень нашего ТОП-5:

1. Самые лучшие показатели качества отжима среди аналогов: в белье остается до 22% влаги.
2. Вместительность – 5 кг.
3. Экономичная и быстрая работа.

Среди плюсов – отсутствие дребезжания при работе и относительно приемлемая цена в 12 500 рублей.

Ее отличают следующие параметры и характеристики:

• Объем барабана в 4,5 кг.
• Остаточная влажность отжатого белья – 40%.
• Высокое качество сборки.
• Доступная стоимость – в пределах 9 000 рублей.

«Серебро» рейтинга досталось AEG SV от известного немецкого бренда, который уже успел успешно зарекомендовать себя в качестве изготовителя лучших стиральных машин. Параметры модели несколько слабее предыдущих вариантов:

• Объем барабана – 4 кг.
• Скорость вращения – 2800 оборотов за минуту.
• Влажность белья после отжима – 40%.

Цена на сегодняшний день около 15 000 рублей.

Отечественная модель, дополненная функцией полоскания. Качество сборки оставляет желать лучшего, а на материалах производитель явно сэкономил. Недостатки компенсируются производительностью:

• Барабан вмещает 6 кг белья.
• Скромный вес.
• Удобная ручка для переноски и компактные габариты – идеально для хранения.
• Низкое потребление ресурсов.
• Приятная цена – менее 6 000 рублей.
• Среднее качество отжима: остаточная влажность в районе 45%.

Последнее место рейтинга досталось еще одной российской модели. Это малогабаритный вариант со средним качеством сборки. Главный и существенный недостаток – слабый отжим, оставляющий в белье до 70% влажности. Зато порадует цена – чуть больше 3 000 рублей. Сегодня спрос на такие аппараты упал благодаря широкому распространению автоматических стиралок. Но, если нет возможности установить СМА в домашних условиях по той или иной причине, не поскупитесь и купите центрифугу. Наш рейтинг поможет вам в выборе подходящей модели.

По значению фактора разделения центрифуги можно условно разде­лить на две группы: нормальные центрифуги (К р < 3500) и сверхцентрифуги (К р > 3500).

Нормальные центрифуги применяются главным образом для разделе­ния различных суспензии, за исключением суспензий с очень малой кон­центрацией твердой фазы, а также для удаления влаги из штучных мате­риалов. Сверхцентрифуги служат для разделения эмульсий и тонкодисперс­ных суспензий.

Нормальные центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. Сверхцентрифуги являются аппаратами отстойного типа и подразделяются на трубчатые сверхцентрифуги , используемые для разде­ления тонкодисперсных суспензий, и жидкостные сепараторы , служащие для разделения эмульсий.

Существенным признаком типа центрифуг является способ выгрузки из них осадка. Выгрузка производится вручную, при помощи ножей или скребков, шнеков и поршней, движущихся возвратно-поступательно (пуль­сирующих), а также под действием силы тяжести и центробежной силы.

По расположению оси вращения различают вертикальные, наклонные и горизонтальные центрифуги. Вал ротора вертикальной центрифуги имеет опору внизу или подвешивается сверху.

В зависимости от организации процесса центрифуги делятся на перио­дически и непрерывно действующие.

Трехколонные центрифуги. Аппараты этого типа относятся к нормаль­ным отстойным или фильтрующим центрифугам периодического действия с выгрузкой осадка вручную.

В трехколонной фильтрующей центрифуге с верхней выгрузкой осадка (рис. V-14) разделяемая суспензия загружается в перфорированный ро­тор 1, внутренняя поверхность которого покрыта фильтровальной тканью или металлической сеткой. Ротор при помощи конуса 2 установлен на валу 3, который приводится во вращение электродвигателем посредством клиноременной передачи. Жидкая фаза суспензии проходит сквозь ткань (или сетку) и отверстия в стенке ротора и собирается в дне станины 4, по­крытой неподвижным кожухом 5, откуда отводится для дальнейшей обра­ботки. Осадок, образовавшийся на стенках ротора, извлекается, например, при помощи лопатки, после открывания крышки кожуха 6.

Для смягчения воздействия вибраций на фундамент станина 7 с укре­пленными на ней ротором, приводом и кожухом подвешена при помощи вертикальных тяг 8 с шаровыми головками на трех расположенных под углом 120° колонках 9. Это обеспечивает некоторую свободу при вибрации ротора. Центрифуга снабжена тормозом, который может быть приведен в действие только после остановки электродвигателя.

Трехколонные центрифуги выполняются также с нижней выгрузкой осадка, что более удобно в производственных условиях.

Рассматриваемые центрифуги отличаются небольшой высотой и хоро­шей устойчивостью и получили распространение для проведения дли­тельного центрифугирования.

Подвесные центрифуги . Эти центрифуги также относятся к числу нор­мальных отстойных или фильтрующих центрифуг периодического действия с вертикальным ротором и устройством для выгрузки осадка вручную.

На рис. V-15 показана подвесная отстойная центрифуга с нижней вы­грузкой осадка. Исходная суспензия подается по трубопроводу 1 в ротор 2 со сплошными стенками, укрепленный на нижнем конце вала 3. Верхний конец вала имеет коническую или шаровую опору (часто снабженную ре­зиновой прокладкой) и приводится в действие непосредственно соединен­ным с ним электродвигателем. Твердая фаза суспензии, поскольку ее плот­ность больше плотности жидкой фазы, отбрасывается под действием центро­бежной силы, к станкам ротора и осаждается на них. Жидкая фаза распола­гается в виде кольцевого слоя ближе к оси ротора и по мере разделения вновь поступающих порций суспензии переливается через верхний край ротора в пространство между ним и неподвижным кожухом 4. Жидкость удаляется из центрифуги через штуцер 5. Для выгрузки осадка поднимают на цепи коническую крышку 6 и проталкивают его вручную между реб­рами 7, которые служат для соединения ротора с валом.

Подвесные отстойные центрифуги предназначены для разделения тонко­дисперсных суспензий небольшой концентрации, что позволяет подавать суспензию во вращающийся ротор непрерывно до получения слоя осадка достаточной толщины.

В подвесных фильтрующих центрифугах удаление осадка из ротора облегчено и поэтому их используют для проведения коротких процессов центрифугирования.

Современные подвесные центрифуги полностью автоматизированы и имеют программное управление. Достоинством этих центрифуг является допустимость некоторой вибрации ротора. Кроме того, в них пред­отвращается попадание на опору и привод агрессивных жидкостей. В настоящее время подвесные центрифуги с выгрузкой осадка вручную постепенно заменяются центрифугами более совершенных конструкций.

В подвесных саморазгружающихся центрифу­гах нижняя часть ротора имеет коническую форму, причем угол нак­лона ее стенок больше угла естественного откоса получаемого осадка. При таком устройстве ротора осадок сползает с его стенок при оста­новке центрифуги.

Для предотвращения вибраций, возникающих в результате неравно­мерной загрузки ротора в подвесных центрифугах, используют кольцевой клапан, через который поступающая суспензия распределяется равно­мерно по всему периметру ротора. Для облегчения выгрузки осадка из под­весных центрифуг иногда применяются скребки, срезающие осадок со сте­нок ротора при пониженной скорости его вращения.

Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка . Центрифуги таксой конструкции являются нормальными отстой­ными или фильтрующими центрифугами периодического действия с автома­тизированным управлением.

В горизонтальной фильтрующей центрифуге с ножевым устройством (рис. V-16) операции загрузки суспензии, центрифугирования, промывки, механической сушки осадка и его разгрузки выполняются автоматически. Центрифуга управляется электрогидравлическим автоматом, позволяю­щим по толщине слоя осадка контролировать степень заполнения ротора.

Суспензия поступает в перфорированный ротор 1 по трубе 2 и равно­мерно распределяется в нем. На внутренней поверхности ротора располо­жены подкладочные сита, фильтровальная ткань и решетка, которая обес­печивает плотное прилегание сит к ротору во избежание их выпучивания, что недопустимо при ножевом съеме осадка. Ротор находится в литом кожухе 3, состоящем из нижней стационарной части и съемной крышки. Фугат удаляется из центрифуги через штуцер 4. Осадок срезается ножом 5 (который при вращении ротора поднимается при помощи гидравлического цилиндра 6), падает в направляющий наклонный желоб 7 и удаляется из центрифуги через канал 8. Описанная центрифуга предна­значается для разделения сред­не- и грубодисперсных суспен­зий.

Центрифуги с пульсирую­щим поршнем для выгрузки осадка. Эти аппараты относятся к фильтрующим центрифугам непрерывного действия с гори­зонтальным ротором (рис. V-17) Суспензия по трубе 1 поступает в узкую часть конической во­ронки 2, вращающейся с такою же скоростью, как и перфори­рованный ротор 3, покрытый изнутри металлическим щеле­вым ситом 4. Суспензия пере­мещается по внутренней поверх­ности воронки и постепенно при­обретает скорость, почти равную скорости вращения ротора. Затем суспензия отбрасывается через отверстия в воронке, на внутреннюю поверхность сита в зоне перед поршнем 5. Под действием центробежной силы жидкая фаза проходит сквозь щели сита и удаляется из кожуха цен­трифуги по штуцеру 6. Твердая фаза задерживается на сите в виде осадка, который периодически перемещается к краю ротора при движении поршня вправо приблизительно на 1 / 10 длины ротора. Таким образом, за каждый ход поршня из ротора удаляется количество осадка, соответствующее длине хода поршня; при этом поршень совершает 10-16 ходов в 1 мин . Осадок удаляется из кожуха через канал 7.

Поршень укреплен на штоке 8, находящемся внутри полого вала 9, ко­торый соединен с электродвигателем и сообщает ротору вращательное дви­жение. Полый вал с ротором и шток с поршнем и конической воронкой вращаются с одинаковой скоростью. Направление возвратно-поступательного движения поршня изменяется автоматически. На другом конце штока на­сажен перпендикулярно его оси диск 10, на противоположные поверх­ности которого в особом устройстве попеременно воздействует давление масла, создаваемое шестеренчатым насосом.

В центрифугах с устройством для промывки осадка кожух разделен на две секции, через одну из которых отводится промывная жидкость.

Описанная центрифуга применяется для обработки грубодисперсных, легкоразделяемых суспензий, особенно в тех случаях, когда нежелательно повреждение частиц осадка при его выгрузке.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка. Эти центрифуги пред­ставляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного дей­ствия с вертикальным коническим ротором.

Суспензия, содержащая крупнозернистый материал, например уголь, руду, песок, поступает в центрифугу сверху через воронку 1 (рис.V-19). Под действием центробежной силы суспензия отбрасывается к коническому ротору 2 с перфорированными стенками. При этом жидкая фаза суспензии проходит сквозь отверстия ротора и удаляется из центрифуги по каналу 3, а твердые частицы, размер которых должен быть больше размера отвер­стий, задерживаются внутри ротора. Образовавшийся таким образом слой твердых частиц, угол трения которого меньше, чем угол наклона стенок ротора, перемещается к его нижнему краю и отводится из центрифуги по каналу 4. С целью увеличения продолжительности периода, в течение ко­торого жидкость отделяется от твердых частиц, движение их тормозится шнеком 5, вращающимся медленнее ротора. Необходимая разность скоростей вращения ротора и шнека достигается при помощи зубчатого редуктора.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка применяются для раз­деления суспензий, крупнозернистых материалов.

Центрифуги с вибрационной выгрузкой осадка. Центрифуги такой конструкции представляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного действия с вертикальным или горизонтальным коническим ротором.

Недостатком описанной выше центрифуги с инерционной выгрузкой осадка является невозможность регулирования скорости движения осадка вдоль стенок ротора. Этот недостаток устранен в центрифугах с вибрацион­ной выгрузкой осадка, принцип действия которых состоит в следующем.

Центрифуга имеет конический ротор с углом наклона стенок, меньшим угла трения осадка по стенке. Поэтому движение осадка вдоль стенок от узкого к широкому концу ротора под действием центробежной силы оказы­вается невозможным. В данном случае для перемещения осадка в роторе используются осевые вибрации, которые создаются механическим, гидрав­лическим или электромагнитным устройством. При этом интенсивность вибраций определяет скорость перемещения осадка в роторе, что позволяет, в частности, обеспечить необходимую степень обезвоживания осадка.

Жидкостные сепараторы . Эти аппараты являются отстойными сверх­центрифугами непрерывного действия с вертикальным ротором.

Кчислу таких сверхцентрифуг относятся жидкостные сепараторы, имеющие ротор диаметром 150-300мм , вращающиеся со скоростью 5000-10000 об/мин . Они предназначаются для разделения эмульсий, а также для осветления жидкостей.

В жидкостном сепараторе тарельчатого типа (рис. V-20) обрабатываемая смесь в зоне отстаивания разделена на несколько слоев, как это делается в отстойниках для уменьшения пути, проходимого частицей при оседании. Эмульсия подается по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, откуда через отверстия в тарелках 2 распределяется тонкими слоями между ними. Более тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через отверстие 3. Более легкая жидкость перемещается к центру ротора и удаляется через кольцевой канал 4.

Отверстия в тарелках располагаются ориентировочно по поверхности раздела между более тяжелой и более легкой жидкостями. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося ротора, он снабжен ребрами 5. Для той же цели тарелки имеют выступы, которые одновременно фиксируют расстояние между ними.

Примером сепараторов тарельчатого типа могут служить широко распространенные молочные сепараторы.

Центрифуги могут быть с вертикальным и горизонтальным рас­положением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически), полуне­прерывного (суспензия подается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно).

Отстойная центрифуга периодического действия с ручной выгрузкой осадка (рис. 7.6) состоит из барабана, насаженного на вращающийся вал и помещен­ного в корпус. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении барабана, твердые частицы осаждаются в виде сплошного слоя осадка на стенке барабана, а осветленная жидкость переливается в кожух и удаляется через расположенный внизу патрубок. По окончании процесса осадок выгружается из центрифу­ги.

Процесс в отстойной центри­фуге состоит из разделения (оса­ждения) суспензии и отжима или уплотнения осадка.

Непрерывнодействующие отстойные гори­зонтальные центрифуги со шнековой выгруз­кой осадка (НОГШ) применяют в крахмалопаточном произ­водстве для получения концентрированного крахмального осадка и в других производствах.

Центрифуга состоит из ротора и внутреннего шнекового устройства, заключенных в корпус. Суспензия подается через центральную трубу в полый вал шнека. На выходе из этой трубы внутри шнека суспензия под действием центробежной силы распре­деляется в полости ротора.

Ротор вращается в кожухе в полых цапфах. Шнек вращается в цапфах, находящихся внутри цапф ротора. Под действием центро­бежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам ротора, а жидкость образует внутреннее кольцо, толщина которого определя­ется положением сливных отверстий на торце ротора. Образовав­шийся осадок перемещается вследствие отставания скорости враще­ния шнека от скорости вращения ротора к отверстиям в роторе, через которые он выводится в камеру 6 и удаляется из центрифуги.

При движении вдоль ротора осадок уплотняется. При необходи­мости он может быть промыт.

Фильтрующие центрифуги периодического и непрерывного дей­ствия разделяются по расположению вала на вертикальные и гори­зонтальные, по способу выгрузки осадка - на центрифуги с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой осадка. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтро­вальной тканью.

В фильтрующей центрифуге периодиче­ского действия (рис. 8.14) суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается к внут­ренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку 3.

Конструкция фильтрующей центрифуги с перфорированным барабаном аналогична конструкции автоматической отстойной центрифуги с непрерывным ножевым съемом осадка.

Вот этот невзрачный серый цилиндр и является ключевым звеном российской атомной индустрии.

Выглядит, конечно, не слишком презентабельно, но стоит понять его назначение и взглянуть на технические характеристики, как начинаешь осознавать, почему секрет его создания и устройства государство охраняет как зеницу ока.

Да, забыл представить: перед вами газовая центрифуга для разделения изотопов урана ВТ-3Ф (n-го поколения). Принцип действия элементарный, как у молочного сепаратора, тяжелое, по воздействием центробежной силы, отделяется от легкого. Так в чем же значимость и уникальность? Для начала ответим на другой вопрос – а вообще, зачем разделять уран? Природный уран, который вот прямо в земле лежит, представляет из себя коктейль из двух изотопов: урана-238 и урана-235 (и 0,0054 % U-234). Уран-238, это просто тяжелый, серого цвета металл. Из него можно сделать артиллерийский снаряд, ну или… брелок для ключей. А вот что можно сделать из урана-235? Ну во первых атомную бомбу, во вторых топливо для АЭС. И вот тут мы подходим к ключевому вопросу – как разделить эти два, практически идентичных атома, друг от друга? Нет, ну действительно, КАК?! Кстати: Радиус ядра атома урана -1.5 10-8 см. Для того, что бы атомы урана можно было загнать в технологическую цепочку, его (уран) нужно превратить в газообразное состояние. Кипятить смысла нет, достаточно соединить уран с фтором и получить гексафторид урана ГФУ. Технология его получения не очень сложная и затратная, а потому ГФУ получают прямо там, где этот уран и добывают. UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид (на фото) непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

Немного истории В самом начале ядерной гонки, величайшими научными умами, как СССР, так и США, осваивалась идея диффузионного разделения – пропускать уран через сито. Маленький 235-й изотоп проскочит, а «толстый» 238-й застрянет. Причем изготовить сито с нано-отверстиями для советской промышленности в 1946-м году было не самой сложной задачей. Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-технического совете при Совете Народных Комиссаров (приведен в сборнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев)): В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней». Ниже приведен документ - доклад Берии Сталину о подготовке первого атоиного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.

И вот теперь сами представьте – 2000 здоровенных установок, ради каких-то 100 грамм! Ну а куда деваться-то, бомбы ведь нужны. И стали строить заводы, и не просто завода, а целые города. И ладно только города, электричества эти диффузионные заводы требовали столько, что приходилось строить рядом отдельные электростанции. На фото: первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже (США). Строительство обошлось в $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.

В СССР Первая очередь Д-1 комбината №813, была рассчитана на суммарный выпуск 140 граммов 92-93 %-ного урана-235 в сутки на 2-х идентичных по мощности каскадах из 3100 ступеней разделения. Под производство отводился недостроенный авиационный завод в поселке Верх-Нейвинск, что в 60 км от Свердловска. Позже он превратился в Свердловск-44, а 813-й завод (на фото) в Уральский электрохимический комбинат – крупнейшее в мире разделительное производство.

И хотя технология диффузионного разделения, пусть и с большими технологическими трудностями, было отлажена, идея освоения более экономичного центрифужного процесса не сходила с повестки дня. Ведь если удастся создать центрифугу, то энергопотребление сократится от 20 до 50 раз! Как устроена центрифуга? Устроена она более чем элементарно и похожа на старую стиральную машину, работающую в режиме «отжим/сушка». В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6). За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а в верху и в низу. Это возникает из-за конвекционных потоков – крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и в низу цилиндра установлены две небольших трубочки – заборника. В нижнею трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю – смесь с большей концентрацией атомов 235U. Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

Технические особенности. Ну во первых скорость вращения - у современного поколения центрифуг она достигает 2000 об/сек (тут даже не знаю с чем сравнить…в 10 раз быстрее чем турбина в авиадвигателе)! И работает она без остановки ТРИ ДЕСЯТКА лет! Т.е. сейчас в каскадах вращаются центрифуги, включенные еще при Брежневе! СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся. Не трудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит? Да никакой! Нет там подшипников. Сам ротор представляет из себя обыкновенный волчок, внизу у него прочная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец висит в вакууме, удерживаясь электромагнитным полем. Иголка тоже не простая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом (каким – ГТ). Не трудно представить, что при такой бешеной скорости вращения, сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной. Вспоминает академик Иосиф Фридляндер: «Трижды вполне расстрелять могли. Однажды, когда мы уже получили Ленинскую премию, случилась крупная авария, у центрифуги отлетела крышка. Куски разлетелись, разрушили другие центрифуги. Поднялось радиоактивное облако. Пришлось всю линию останавливать - километр установок! В Средмаше центрифугами командовал генерал Зверев, до атомного проекта он работал в ведомстве Берии. Генерал на совещании сказал: "Положение критическое. Под угрозой оборона страны. Если мы быстро не выправим положение, для вас повторится 37-й год". И сразу совещание закрыл. Придумали мы тогда совершенно новую технологию с полностью изотропной равномерной структурой крышек, но требовались очень сложные установки. С тех пор именно такие крышки и производятся. Никаких неприятностей больше не было. В России 3 обогатительных завода, центрифуг многие сотни тысяч.»
На фото: испытания первого поколения центрифуг

Корпуса роторов тоже поначалу были металлические, пока на смену им не пришел… углепластик. Легкий и особопрочный на разрыв, он является идеальным материалом для вращающегося цилиндра. Вспоминает Генеральный директор УЭХК (2009-2012) Александр Куркин: «Доходило до смешного. Когда испытывали и проверяли новое, более «оборотистое» поколение центрифуг, один из сотрудников не стал дожидаться полной остановки ротора, отключил ее из каскада и решил перенести на руках на стенд. На вместо движения вперед, как не упирался, он с этим цилиндром в обнимку, стал двигаться назад. Так мы воочию убедились, что земля вращается, а гироскоп, это великая сила.» Кто изобрел? О, это загадка, погружённая в тайну и укутанная неизвестностью.

Тут вам и немецкие плененные физики, ЦРУ, офицеры СМЕРШа и даже сбитый летчик-шпион Пауэрс. А вообще принцип газовой центрифуги описан еще в конце 19-го века. Ещё на заре Атомного проекта инженер Особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но сначала его идею коллеги не одобряли. Параллельно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ­-5 в Сухуми бились учёные из побеждённой Германии: доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Гернот Циппе. Всего в группу входило около 300 «вывезенных» физиков. Вспоминает генеральный директор ЗАО «Центротех-СПб» ГК «Росатом» Алексей Калитеевский: «Наши специалисты пришли к выводу, что немецкая центрифуга абсолютно непригодна для промышленного производства.

В аппарате Штеенбека не было системы передачи частично обогащённого продукта в следующую ступень. Предлагалось охлаждать концы крышки и замораживать газ, а потом его разморозить, собрать и пустить в следующую центрифугу. То есть, схема неработоспособная. Однако в проекте было несколько очень интересных и необычных технических решений. Эти «интересные и необычные решения» были соединены с результатами, полученными советскими учёными, в частности с предложениями Виктора Сергеева. Условно говоря, наша компактная центрифуга - на треть плод немецкой мысли, а на две трети - советской». Кстати, когда Сергеев приезжал в Абхазию и высказывал тем же Штеенбеку и Циппе свои мысли по поводу отбора урана, Штеенбек и Циппе отмахнулись от них, как от нереализуемых. Итак что же придумал Сергеев. А предложение Сергеева заключалось в создании отборников газа в виде трубок Пито.

Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на этой теме, проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила...». Позже, оказавшись за пределами СССР Штеенбек центрифугами больше не занимался. А вот Геронт Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент №1071597 от 1957 года, заявлен в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, отдадим должное, «Русской центрифугой» (на фото).

Кстати, русская инженерная мысль проявила себя и в многих других случаях. В качестве примера можно привести элементарный аварийный запорный клапан. Там нет датчиков, детектеров и электронных схем. Там есть только самоварный краник, который своим лепестком касается станины каскада. Если что не так, и центрифуга меняет свое положение в пространстве, он просто поворачивается и закрывает входную магистраль. Это как в анекдоте про американскую ручку и русский карандаш в космосе.

Наши дни На этой неделе автор этих строк присутствовал на знаменательном событии – закрытии российского офиса наблюдателей министерства энергетики США по контракту ВОУ-НОУ. Эта сделка (высокообогащенный уран – низкообогащенный уран) была, да и остается крупнейшим соглашением в области ядерной энергетики между Россией и Америкой. По условиям контракта российские атомщики переработали 500 тонн нашего оружейного (90%) урана в топливный (4%) ГФУ для американских АЭС. Доходы за 1993-2009 годы составили 8,8 млрд. долларов США. Это стало логическим исходом технологического прорыва наших ядерщиков в области разделения изотопов, сделанного в послевоенные годы. На фото: каскады газовых центрифуг в одном из цехов УЭХК. Здесь их около 100 000 шт.

Благодаря центрифугам мы получили тысячи тонн относительно дешевого, как военного, так и коммерческого продукта. Атомная отрасль, одна из немногих оставшихся (военная авиация, космос), где Россия удерживает непререкаемое первенство. Одних только зарубежных заказов на десять лет вперед (с 2013 года по 2022 год), портфель «Росатома» без учета контракта ВОУ-НОУ составляет 69,3 миллиарда долларов. В 2011 году он перевалил за 50 миллиардов… На фото склад контейнеров с ГФУ на УЭХК.