Разработка i–d-диаграммы: Л.К. Рамзин или Рихард Молье?

i–d-диаграмма как совершенный инструмент

27 июня 2018 года исполняется 70 лет со дня смерти Леонида Константиновича Рамзина, крупного советского учёного теплотехника, научно-техническая деятельность которого была многогранна и охватывала широкий круг научных вопросов теплотехники: теории проектирования теплосиловых и электрических станций, аэродинамического и гидродинамического расчёта котельных установок, горения и излучения топлива в топках, теории сушильного процесса, а также решение многих практических проблем, например, эффективное использование подмосковного угля в качестве топлива. До опытов Рамзина данный уголь считался неудобным для использования.

Одна из многочисленных работ Рамзина была посвящена вопросу смешивания сухого воздуха и водяного пара. Аналитический расчёт взаимодействия сухого воздуха и водяного пара представляет собой довольно сложную математическую задачу. Но существует i–d-диаграмма. Её применение упрощает расчёт так же, как i–s-диаграмма снижает трудоёмкость расчёта паровых турбин и других паровых машин.

Сегодня работу проектировщика или инженера-наладчика по кондиционированию воздуха трудно представить без использования i–d-диаграммы. С её помощью можно графически представить и рассчитать процессы обработки воздуха, определить мощность холодильных установок, детально проанализировать процесс сушки материалов, определить состояние влажного воздуха на каждой стадии его обработки. Диаграмма позволяет быстро и наглядно рассчитать воздухообмен помещения, определить потребность кондиционеров в холоде или теплоте, измерить расход конденсата при работе воздухоохладителя, высчитать потребный расход воды при адиабатном охлаждении, определить температуру точки росы или температуру мокрого термометра.

В советское время в учебниках по вентиляции и кондиционированию, а также в среде инженеров-проектировщиков и наладчиков i–d-диаграмма обычно именовалась как «диаграмма Рамзина». В то же время в ряде западных стран — Германии, Швеции, Финляндии и многих других — она всегда носила название «диаграмма Молье». С течением времени технические возможности i–d-диаграммы постоянно расширялись и совершенствовались. Сегодня благодаря ей производятся расчёты состояний влажного воздуха в условиях переменного давления, перенасыщенного влагой воздуха, в области туманов, вблизи поверхности льда и т.д. [1–4].

Впервые сообщение о i–d-диаграмме появилось в 1923 году в одном из немецких журналов. Автором статьи был известный в Германии учёный Рихард Молье [5]. Прошло несколько лет, и вдруг в 1927 году в журнале Всесоюзного теплотехнического института появилась статья директора института профессора Рамзина [6], в которой он, практически повторяя i–d-диаграмму из немецкого журнала и все приводимые там аналитические выкладки Молье, объявляет себя автором этой диаграммы. Рамзин объясняет это тем, что ещё в апреле 1918 года он в Москве на двух публичных лекциях в Политехническом обществе демонстрировал подобную диаграмму, которая в конце 1918 года была издана Тепловым комитетом Политехнического общества в литографированном виде. В таком виде, пишет Рамзин, диаграмма в 1920 году широко применялась им в МВТУ в качестве учебного пособия при чтении лекций.

Современным почитателям профессора Рамзина хотелось бы верить, что он был первым в разработке диаграммы, поэтому в 2012 году группа преподавателей кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства попыталась в различных архивах отыскать документы, подтверждающие изложенные Рамзиным факты первенства [7]. К сожалению, никаких проясняющих материалов за период 1918–1926 годов в доступным преподавателям архивам обнаружить не удалось.

Правда, следует отметить, что период творческой деятельности Рамзина пришёлся на трудное для страны время, и какие-то ротопринтные издания, а также черновики лекций по диаграмме могли быть потеряны, хотя остальные его научные разработки, даже рукописные, хорошо сохранились.

Никто из бывших студентов профессора Рамзина, кроме М. Ю. Лурье, также не оставил никаких сведений о диаграмме. Только инженер Лурье, как руководитель сушильной лаборатории Всесоюзного теплотехнического института, поддержал и дополнил своего начальника — профессора Рамзина — в статье, помещённой в одном и том же с ним журнале ВТИ за 1927 год [8].

При расчёте параметров влажного воздуха оба автора, Л. К. Рамзин и Рихард Молье, с достаточной степенью точности полагали, что к влажному воздуху можно применить законы идеальных газов. Тогда по закону Дальтона барометрическое давление влажного воздуха можно представить как сумму парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара. А решение системы уравнений Клайперона для сухого воздуха и водяного пара позволяет установить, что влагосодержание воздуха при данном барометрическом давлении зависит только от парциального давления водяного пара.

Диаграмма как Молье, так и Рамзина построена в косоугольной системе координат с углом 135° между осями энтальпии и влагосодержания и базируется на уравнении энтальпии влажного воздуха, отнесённой к 1 кг сухого воздуха: i = i_c + i_пd, где i_c и i_п — энтальпия сухого воздуха и водяного пара, соответственно, кДж/кг; d — влагосодержание воздуха, кг/кг.

Согласно данным Молье и Рамзина, относительная влажность воздуха представляет собой отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного воздуха к максимально возможной массе водяного пара в том же объёме этого воздуха при той же самой температуре. Или же, приближённо, относительную влажность можно представить как отношение парциального давления пара в воздухе в ненасыщенном состоянии к парциальному давлению пара в том же воздухе в насыщенном состоянии.

На основании приведённых выше теоретических предпосылок в системе косоугольных координат и была составлена i–d-диаграмма для определённого барометрического давления.

По оси ординат отложены значения энтальпии, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к ординате, — значения влагосодержание сухого воздуха, а также нанесены линии температуры, влагосодержания, энтальпии, относительной влажности, дана шкала парциального давления водяного пара.

Как указывалось выше, i–d-диаграмма была составлена для определённого барометрического давления влажного воздуха. Если же барометрическое давление меняется, то на диаграмме линии влагосодержания и изотерм сохраняются на своих местах, но значения линий относительной влажности меняются пропорционально барометрическому давлению. Так, например, если барометрическое давление воздуха уменьшится в два раза, то на i–d-диаграмме на линии относительной влажности 100 % следует написать влажность 50 %.

Так кто же всё-таки был автором i–d-диаграммы?

Биография Рихарда Молье подтверждает, что i–d-диаграмма была не первой составленной им расчётной диаграммой. Он родился 30 ноября 1863 года в итальянском городе Триесте, который входил в многонациональную Австрийскую империю, управляемую Габсбургской монархией. Его отец, Эдуард Молье, сначала был судовым инженером, потом стал директором и совладельцем местной машиностроительной фабрики. Мать, урождённая фон Дик, происходила родом из аристократической семьи из города Мюнхена.

Окончив в 1882 году в Триесте с отличием гимназию, Рихард Молье начал учиться сначала в университете в городе Грац, а потом перевёлся в Мюнхенский технический университет, где много внимания уделял математике и физике. Любимыми его преподавателями были профессоры Морис Шрётер и Карл фон Линде. После успешного завершения учёбы в университете и короткой инженерной практики на предприятии своего отца Рихард Молье в 1890 году в Мюнхенском университете был зачислен ассистентом Мориса Шрётера. Его первая научная работа в 1892 году под руководством Мориса Шрётера была связана с построением тепловых диаграмм для курса теории машин. Через три года Молье защитил докторскую диссертацию, посвящённую вопросам энтропии пара.

С самого начала интересы Рихарда Молье были сосредоточены на свойствах термодинамических систем и возможности достоверного представления теоретических разработок в виде графиков и диаграмм. Многие коллеги считали его чистым теоретиком, поскольку вместо проведения собственных экспериментов он опирался в своих исследованиях на эмпирические данные других. Но на самом деле он был неким «связующим звеном» между теоретиками (Рудольф Клаузиус, Дж. У. Гиббс и др.) и практическими инженерами. В 1873 году Гиббс в качестве альтернативы аналитическим расчётам предложил t–s-диаграмму, на которой цикл Карно превращался в простой прямоугольник, благодаря чему появилась возможность легко оценивать степень аппроксимации реальных термодинамических процессов по отношению к идеальным. Для этой же диаграммы в 1902 году Молье предложил использовать понятие «энтальпии» — некой функции состояния, которая в то время была ещё малоизвестна. Термин «энтальпия» был ранее по предложению голландского физика и химика Хейке Камерлинга-Оннеса (лауреата Нобелевской премии по физике 1913 года) впервые введён в практику тепловых расчётов Гиббсом. Подобно «энтропии» (этот термин был предложен в 1865 году Клаузиусом), энтальпия является абстрактным свойством, которое не может быть непосредственно измерено.

Большое достоинство этого понятия заключается в том, что оно позволяет описывать изменение энергии термодинамической среды без учёта различия между теплотой и работой. Используя эту функцию состояния, Молье предложил в 1904 году диаграмму, отражающую взаимосвязь энтальпии и энтропии. В нашей стране она известна как i–s-диаграмма. Эта диаграмма, сохраняя большинство достоинств t–s-диаграммы, даёт некоторые дополнительные возможности, позволяет удивительно просто иллюстрировать сущность как первого, так и второго законов термодинамики. Вкладывая усилия в широкомасштабную реорганизацию термодинамической практики, Рихард Молье разработал целую систему термодинамических расчётов, основанных на использовании понятия энтальпии. В качестве базы для этих расчётов он использовал различные графики и диаграммы свойств пара и ряда хладагентов.

В 1905 году немецкий исследователь Мюллер для наглядного изучения процессов обработки влажного воздуха построил диаграмму в прямоугольной системе координат из температуры и энтальпии. Рихард Молье в 1923 году усовершенствовал эту диаграмму, сделав её косоугольной с осями энтальпии и влагосодержания. В таком виде диаграмма практически и дожила до наших дней. За свою жизнь Молье опубликовал результаты ряда важных исследований по вопросам термодинамики, воспитал целую плеяду выдающихся учёных. Его ученики, такие как Вильгельм Нуссельт, Рудольф Планк и другие, сделали ряд фундаментальных открытий в области термодинамики. Умер Рихард Молье в 1935 году.

Л. К. Рамзин был на 24 года моложе Молье. Биография его интересна и трагична. Она тесно связана с политической и экономической историей нашей страны. Он родился 14 октября 1887 года в селе Сосновка Тамбовской области. Его родители, Прасковья Ивановна и Константин Филиппович, были учителями земской школы. Окончив Тамбовскую гимназию с золотой медалью, Рамзин поступил в Высшее Императорское техническое училище (позже МВТУ, сейчас МГТУ). Ещё будучи студентом, он принимает участие в научных работах под руководством профессора В. И. Гриневецкого. В 1914 году он, с отличием завершив учёбу и получив диплом инженера-механика, был оставлен в училище для научной и преподавательской работы. Не прошло и пяти лет, как имя Л. К. Рамзина стало упоминаться в одном ряду с такими известными российскими учёными-теплотехниками, как В. И. Гриневецкий и К. В. Кирш.

В 1920 году Рамзин избирается профессором МВТУ, где заведует кафедрами «Топливо, топки и котельные установки» и «Тепловые станции». В 1921 году он становится членом Госплана страны и привлекается к работе над планом ГОЭРЛО, где вклад его был исключительно весом. Одновременно Рамзин является активным организатором создания Теплотехнического института (ВТИ), директором которого был с 1921 по 1930 годы, а также его научным руководителем с 1944 по 1948 годы. В 1927 году он назначается членом Всесоюзного совета народного хозяйства (ВСНХ), масштабно занимается вопросами теплоснабжения и электрификации всей страны, выезжает в важные зарубежные командировки: в Англию, Бельгию, Германию, Чехословакию, США.

Но ситуация в конце 1920-х годов в стране накаляется. После смерти Ленина резко обостряется борьба за власть между Сталиным и Троцким. Враждующие стороны углубляются в дебри антагонистических споров, заклиная друг друга именем Ленина. Троцкий, как народный комиссар обороны, имеет на своей стороне армию, его поддерживают профсоюзы во главе с их лидером М. П. Томским, который выступает против сталинского плана подчинения профсоюзов партии, защищая автономию профсоюзного движения. На стороне Троцкого практически вся российская интеллигенция, которая недовольна хозяйственными неудачами и разрухой в стране победившего большевизма.

Ситуация благоприятствует планам Льва Троцкого: в руководстве страной наметились разногласия между Сталиным, Зиновьевым и Каменевым, умирает главный враг Троцкого — Дзержинский. Но Троцкий в это время не использует свои преимущества. Противники, пользуясь его нерешительностью, в 1925 году снимают его с поста народного комиссара обороны, лишая контроля над Красной армией. Через некоторое время Томского освобождают от руководства профсоюзами.

Попытка Троцкого 7 ноября 1927 года, в день празднования десятилетия Октябрьской революции, вывести на улицы Москвы своих сторонников не удалась.

А положение в стране продолжает ухудшаться. Провалы и неудачи социальноэкономической политики в стране вынуждают партийное руководство СССР переложить вину за срывы темпов индустриализации и коллективизации на «вредителей» из числа «классовых врагов».

К концу 1920-х годов промышленное оборудование, оставшееся в стране ещё с царских времён, пережившее революцию, гражданскую войну и хозяйственную разруху, находилось в плачевном состоянии. Результатом этого стало увеличивающее в стране число аварий и катастроф: в угольной промышленности, на транспорте, в городском хозяйстве и других областях. А раз есть катастрофы, то должны быть и виновники. Выход был найден: во всех неприятностях, происходящих в стране, виновата техническая интеллигенция — вредители-инженеры. Те самые, которые всеми силами пытались этих неприятностей не допускать. Инженеров начали судить.

Первым было громкое «Шахтинское дело» 1928 года, затем последовали процессы по наркомату путей сообщения и золоторудной промышленности.

Наступила очередь «дела Промпартии» — крупного судебного процесса по сфабрикованным материалам по делу о вредительстве в 1925–1930 годах в промышленности и на транспорте, якобы задуманной и исполненной антисоветской подпольной организацией, известной под названиями «Союз инженерных организаций», «Совет Союза инженерных организаций», «Промышленная партия» [9].

По данным следствия, в состав центрального комитета «Промпартии» входили инженеры: П. И. Пальчинский, который был расстрелян по приговору коллегии ОГПУ по делу о вредительстве в золотоплатиновой промышленности, Л. Г. Рабинович, который был осуждён по «Шахтинскому делу», и С. А. Хренников, который умер во время следствия. После них главой «Промпартии» был объявлен профессор Л. К. Рамзин.

И вот в ноябре 1930 года в Москве, в Колонном зале Дома Союзов, специальное судебное присутствие Верховного Совета СССР под председательством прокурора А. Я. Вышинского начинает открытое слушание по делу контрреволюционной организации «Союза инженерных организаций» («Промышленная партия»), центр руководства и финансирования которой якобы находился в Париже и состоял из бывших российских капиталистов: Нобеля, Манташева, Третьякова, Рябушинского и других. Главным обвинителем на суде выступает Н. В. Крыленко.

На скамье подсудимых восемь человек: руководители отделов Госплана, крупнейших предприятий и учебных заведений, профессора академий и институтов, включая Рамзина. Обвинение утверждает, что «Промпартия» планировала госпереворот, что обвиняемые даже распределяли должности в будущем правительстве — например, на пост министра промышленности и торговли планировался миллионер Павел Рябушинский, с которым Рамзин, находясь в загранкомандировке в Париже, якобы вёл тайные переговоры. После публикации обвинительного заключения иностранные газеты сообщали, что Рябушинский умер ещё в 1924 году, задолго до возможного контакта с Рамзиным, но такие сообщения не смущали следствие.

Этот процесс отличался от множества других тем, что государственный обвинитель Крыленко играл здесь не самую главную роль, никаких документальных подтверждений он не мог представить, так как их не было в природе. Фактически, главным обвинителем стал сам Рамзин, который признался во всех предъявленных ему обвинениях, а также подтвердил участие всех обвиняемых в контрреволюционных действиях. Фактически, Рамзин явился автором обвинений своих товарищей.

Как показывают открытые архивы, Сталин внимательно следил за ходом судебного процесса. Вот что он пишет в середине октября 1930 году начальнику ОГПУ В. Р. Менжинскому: «Мои предложения: сделать одним из самых важных узловых пунктов в показаниях верхушки ТКП “Промпартия” и особенно Рамзина вопрос об интервенции и сроках интервенции… необходимо привлечь к делу других членов ЦК “Промпартии” и допросить их строжайше о том же, дав им прочесть показания Рамзина…».

Все признания Рамзина были положены в основу обвинительного заключения. На суде все обвиняемые признались во всех преступлениях, которые им были предъявлены, вплоть до связи с французским премьером Пуанкаре. Глава французского правительства выступил со опровержением, которое даже было опубликовано в газете «Правда» и оглашено на процессе, но следствием это заявление было приобщено к делу как заявление известного противника коммунизма, доказывающее существование заговора. Пятерых обвиняемых, в том числе Рамзина, приговорили к расстрелу, затем заменённому на десять лет лагерей, остальных троих — к восьми годам лагерей [10]. Все они были отправлены отбывать наказание, и все они, кроме Рамзина, погибли в лагерях. Рамзину же была предоставлена возможность вернуться в Москву и в заключении продолжить свою работу по расчёту и конструированию прямоточного котла большой мощности.

Для реализации этого проекта в Москве на базе Бутырской тюрьмы в районе нынешней Автозаводской улицы было создано «Особое конструкторское бюро прямоточного котлостроения» (одна из первых «шарашек»), где под руководством Рамзина с привлечением свободных специалистов из города велись конструкторские работы. Кстати, одним из привлекаемых к этой работе свободных инженеров был будущий профессор МИСИ имени В. В. Куйбышева М. М. Щёголев.

И вот 22 декабря 1933 года прямоточный котёл Рамзина, изготовленный на Невском машиностроительном заводе им. Ленина, производительностью 200 тонн пара в час, имеющий рабочее давление 130 атм и температуру 500 °C, был введён в эксплуатацию в Москве на ТЭЦ-ВТИ (ныне «ТЭЦ-9»). Несколько аналогичных котельных по проекту Рамзина было построено в других районах. В 1936 году Рамзина полностью освободили. Он стал заведовать вновь созданной кафедрой котлостроения в Московском энергетическом институте, а также был назначен научным руководителем ВТИ. Власть наградила Рамзина Сталинской премией первой степени, орденами Ленина и Трудового Красного Знамени. В то время такие награды очень высоко ценились.

ВАК СССР присудил Л. К. Рамзину учёную степень доктора технических наук без защиты диссертации.

Однако общественность не простила Рамзину его поведения на суде. Вокруг него возникла ледяная стена, многие коллеги не подавали ему руки. В 1944 году он по рекомендации отдела науки ЦК ВКП(б) был выдвинут в члены-корреспонденты АН СССР. На тайном голосовании в Академии он получил 24 голоса «против» и лишь один «за». Рамзин был полностью сломлен, морально уничтожен, жизнь для него закончилась. Умер он в 1948 году.

Сравнивая научные разработки и биографии этих двух учёных, работавших практически в одно время, можно предположить, что i–d-диаграмма для расчёта параметров влажного воздуха, скорее всего, была рождена на немецкой земле. Удивляет то, что профессор Рамзин стал претендовать на авторство i–d-диаграммы только через четыре года после появления статьи Рихарда Молье, хотя всегда внимательно следил за новой технической литературой, в том числе иностранной. В мае 1923 года на заседании Теплотехнической секции Политехнического общества при Всесоюзной ассоциации инженеров он даже выступал с научным докладом о своей поездке в Германию. Будучи в курсе работ немецких ученых, Рамзин, вероятно, хотел использовать их у себя на родине. Возможно, что у него были попытки параллельно вести аналогичные научно-практические работы в МВТУ в этой области. Но ни одной заявочной статьи по i–d-диаграмме в архивах пока не обнаружено. Сохранились черновики его лекций по теплосиловым станциям, по испытанию различных топливных материалов, по экономике конденсационных установок и т.д. И ни одной, даже черновой записи по i–d-диаграмме, написанной им до 1927 года, пока не найдено. Вот и приходится, несмотря на патриотические чувства, делать выводы, что автором i–d-диаграммы является именно Рихард Молье.