Разработка эффективных устройств и вихревых технологий для энергетики Организации: 1.Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН; 2.Московский авиационный институт; 3.Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана; 4.Московский энергетический институт; 5.ОАО НИИКИЭТ Н.А. Доллежаля, г. Москва; 6.Центр им. М.В. Келдыша, г. Москва; 7.Ст.- Петербургский университет гражданской авиации; 8.Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ Руководитель работы: Леонтьев Александр Иванович, академик РАН
Основные блоки работы 1.Вихреобразование и теплообмен в отрывных потоков. Решение проблем интенсификации тепломассопереноса. 2.Теплофизика и аэродинамика потоков во вращающихся системах. 3.Структура течения и тепломассоперенос в вихревых камерах в одно и – двухфазных режимах течения и плазмохимических реакторах. 4.Усовершенствование сжигания угля ультратонкого помола, водоугольного топлива и ТБО в вихревых потоках. 5.Горение в вихревых потоках. 6.Разработка вихревых технологий на основе витых стержневых тепловыделяющих элементов и труб. 7.Вихревые технологии на различных луночных рельефах. 8.Создание эффективных малогабаритных устройств транспортировки концентрированных потоков энергии в плотные среды. 9.Повышение эффективности реакторных установок путем продления ресурса корпусного оборудования 10. Повышение эффективности устройств, охлаждаемых кипящей жидкостью, с помощью микро- и нанорельефа поверхности и закрутки теплоносителя. 11. Создание новых видов теплообменного оборудования и повышение его эффективности.
Авторский коллектив: Авторский коллектив: Леонтьев Александр Иванович, академик РАН, г. Москва - руководитель работы. Дзюбенко Борис Владимирович, д.т.н., профессор МАИ, г. Москва. Коротеев Анатолий Анатольевич, академик РАН, директор Центра «Новые космические технологии», МАИ, г. Москва. Алексеенко Сергей Владимирович, член-корреспондент РАН, директор Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск. Волчков Эдуард Петрович, академик, Советник РАН, ИТ СО РАН, г. Новосибирск. Драгунов Юрий Григорьевич, д.т.н., профессор, член-корреспондент РАН, директор – ген. конструктор ОАО НИИКИЭТ Н.А. Доллежаля, г. Москва. Исаев Сергей Александрович, д.ф.-м.н., профессор Ст.- Петербургского государственного университета гражданской авиации, г. Санкт-Петербург. Кузма-Кичта Юрий Альфредович, д.т.н., профессор МЭИ (национальный исследовательский университет), г. Москва. Попов Игорь Александрович, д.т.н., профессор Казанского национального исследовательского технического университета им.А.Н.Туполева - КАИ, г.Казань. Терехов Виктор Иванович, д.т.н., профессор, зав. отделом ИТ СО РАН, г. Новосибирск.
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ И ВИХРЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ Работа соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» и «Транспортные и космические системы» и критическим технологиям Российской Федерации «Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом», «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии», утвержденных указом Президентом от 07 июля 2011 г. Пр-899.
ВИХРЕВАЯ СТРУКТУРА ОТРЫВНЫХ ТУРБУЛИЗИРОВАННЫХ ПОТОКОВ И ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНОМ Управление теплообменом с помощью вихреобразующих элементов является одним из наиболее распространенных методов в энергетике. Отрыв потока, сопровождающийся интенсивным вихреобразованием, существенно влияет на аэрординамические характеристики течения и тепломассоперенос. Поэтому фундаментальные исследования сложной структуры отрывных потоков и теплогидравлической эффективности представляет большой интерес для целей интенсификации тепломассопереноса и усиления процессов перемешивания. Это свойство отрывных потоков широко используется для организации процессов горения. В работе представлен цикл исследований тонкой структуры отрывных потоков и возможности управления тепломассо- обменом в энергетическом оборудовании Поле вихревого течения при отрыве потока за уступом и ребром потока за уступом и ребром Уступ, 20 мм Тu = 1,2% Ребро, 20мм Tu = 1,2%
СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА Изолинии максимальной турбулентности в вихревом следе за уступом и ребром Степень усиления теплоотдачи в отрывном турбулизированном потоке Интенсивность вихревого течения в зоне отрыва характеризуется величиной степени турбулентности в зоне рециркуляции потока. Экспериментально установлено, что при отрыве за ребром турбулизация потока примерно в 2 раза выше, чем за уступом, что вызывает более интенсивный теплообмен за ребром. При этом низкие преграды приводят к интенсификации теплообмена в точке присоединения потока. Результаты исследований турбулентных отрывных потоков положены в основу инженерных методов расчета и оптимизации конструкций теплообменных аппаратов с интенсифицированным теплопереносом.
Отрывное турбулентное течение за плоской преградой, ориентированной под углом к потоку φ = 90 0 φ = 70 0 φ = 50 0 Локальный теплообмен при вариации угла φ φ Отрывное течение за плоской преградой, ориентированной под углом к потоку, отличается рядом особенностей по сравнению с перпендикулярной преградой, в том числе усилением теплообмена. Это явление широко используется для эффективного охлаждения лопаток турбин и повышения теплоотдачи в теплообменниках. Полученные результаты позволяют сформулировать основные принципы и подходы для создания надежных инженерных методов оценки интенсивности теплообмена. Формула Леонтьева для максимального теплообмена
Интерференция отрывных потоков и теплообмен в системе межреберных ячеек Система прямых ребер Термограмма и коэффициент теплоотдачи в системе межреберных ячеек Коэффициент теплоотдачи в системе преград φ = 45 0 Скошенные ребра Исследован физический механизм процессов коллективного взаимодействия вихревых структур, а также возможный диапазон интенсификации (подавления) турбулентного теплообмена в системе преград. Установлено, что теплообмен неравномерен в различных ячейках и его интенсивность зависит как от предыстории, так и числа ячеек вниз по потоку. Подробные исследования показали наличие возвратных вихревых потоков из последующих ячеек в предыдущие. Эти важные особенности необходимо учитывать при разработке методов расчета и проектировании новой высокоэффективной теплообменной аппаратуры
Аэродинамика и тепломассоперенос в закрученных потоках Разработана феноменологическая теория теплопереноса в закрученных потоках. Выяснены механизмы интенсификации теплообмена и вклад различных факторов в суммарный тепловой эффект. Показана важная роль массовых сил на формирование поля турбулентно- сти и пристенное трение и теплообмен. Исследован широкий класс задач с продольной кривизной линий тока - течение у криволинейных поверхностей, закрученных потоков в трубах и пристенных струях и завесах, во вращающихся системах и др.
Вихревая стабилизация плазменных струй Разработаны фундаментальные основы механизма вихревого газодинамического управления и стабилизации пламен и низко-температурной плазмы. Найдены пределы существования устойчивых режимов стратификации струй в поле центробежных сил. Показано сильное влияние торцевых пограничных слоев на процесс термоизоляции. На основе систематических экспериментальных исследований разработана теория вихревых течений, ограниченных твердыми стенками. Созданы инженерные основы для проектирования плазмохимических реакторов для переработки различных материалов в плазменной среде. Развитие плазменных струй с вихревой стабилизацией
Вихревые структуры в энергетическом оборудовании Формирование концентрированных вихрей (вихревых нитей) разной геометрии, распад вихря и прецессия вихревого ядра оказывают кардинальное влияние на структуру течения и процессы переноса, а в конечном счете – на эффективность энергетического оборудования. Двухспиральная и винтовая структуры течения в модели вихревой топки типа Е-500 (визуализация пузырьками воздуха в жидкости) УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ В ЭНЕРГЕТИКЕ Спиральный распад вихря за закручивающим устройством Конический распад вихря у стенки
Уровень шума: 1.2 Pa (92 dB) Крутка: S = 1.0 Число Рейнольдса: Re = Эквивалент. отн. гор.: = 1.4 Скорость смеси: U0 = 7.3 m/s Мгновенные поля скорости и завихренности (Particle Image Velocimetry) Визуализация пламени (а) – фотосъемка (б) – UV sensitive ICCD Camera (радикалы CH*) (а)(б) ВЛИЯНИЕ ЗАКРУТКИ НА СТРУКТУРУ ПЛАМЕНИ (ПРОПАН - ВОЗДУХ) УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Re Φ Карта режимов горения пламени. Измерения с помощью PIV- системы. Установлено резкое увеличение области устойчивого горения за счет закрутки потока Граница срыва пламени для закрученного пламени (S=1.0) ВЛИЯНИЕ ЗАКРУТКИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРЕНИЯ (ПРОПАН - ВОЗДУХ) Граница срыва пламени для незакрученного пламени (S=0) УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
14 Вихревая структура (сферическая лунка, Re=40000) От бифуркации струйно- вихревых структур в сферической лунке, связанной с их перестройкой от симметричной картины к несимметричной и смерчевой интенсификацией теплообмена, к конструированию наклоненных к потоку овальных удлиненных лунок теплоотдача от участка с овальными лунками при постоянстве площади «пятна» возрастает более, чем в три раза по сравнению со сферическими аналогами, в частности, при умеренных глубинах Вихревые технологии на различных луночных рельефах
Экспериментальная установка для исследования теплообмена и гидродинамики при сверхзвуковом обтекании облуненной поверхности Рабочее сечение – 250x320мм Число Маха -2,8 Время работы - до 7 мин. экспериментаζ/ζ 0 α/α 0 r_лr_гл ,190,880,880,91 21,691,20,880,91 31,651,170,880,90 41,681,20,880,90 Диаметр лунки – 7 мм Глубина лунки – 1мм Шаг по потоку – 20 мм Шаг поперек потока – 11,5мм
Распределение температуры на пластине при сверхзвуковом обтекании Получено увеличение коэффициента теплоотдачи на 20% по сравнению с гладкой поверхностью. Наиболее интенсивное захолаживание происходит непосредственно за углублениями на расстоянии примерно равным половине диаметра углубления. При этом в центре углублений температура поверхности остается на уровне температуры гладкой поверхности. Теплоотдача при сверхзвуковом обтекании облуненной пластины
1 – элементы радиационной защиты; 2 – торцевой отражатель нейтронов; 3 – система входных решеток; 4, 11, 13 – элементы металлического корпуса из различных материалов; 5 – тепловыделяющие элементы; 6, 9 – пружины, фиксирующие подвижные элементы ТВС (твэлы, отражатель и др.) и компенсирующие удлинение этих элементов при их нагреве; 7, 10 – стержни, передающие усилия с пружин на элементы ТВС; 8 – тепловая изоляция ТВС; 12 – выходная решетка Схема ТВС c витыми твэлами Достоинства: - интенсивное выравнивание температурных неравномерностей в поперечном сечении пучка, сформированных неравномерным полем энерговыделения в реакторе, и тем самым повышение выходных параметров энергоустановки. Схема течения в пучке витых труб
Достигнутые результаты: интенсификация теплоотдачи, повышение эффективности теплообменников до 12%, освоение новой продукции, уменьшение металлоемкости продукции до 11%. Экономический эффект – 300 млн рублей (ООО КЭР-Холдинг). СОЗДАНИЕ НОВЫХ ВИДОВ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ Оптимизация и исследование характеристик промышленного отопительного конвектора. Заказчик: ООО КЭР-Холдинг Создание, оптимизация и исследование характеристик бытовых вертикальных и горизонтальных отопительных конвекторов. Заказчик: ООО КЭР-Холдинг, ООО Энергия и эффективность Создание, оптимизация и исследование характеристик систем охлаждения рентгеновских аппаратов непрерывного действия. Заказчик: ООО Тринити
Трубный пучок из интенсифицированных труб кожухотрубчатого теплообменного аппарата для подогрева тосола дымовыми газами вспомогательной энергоустановки нового семейства автомобилей КамАЗ. Радиаторы отопителей автомобилей семейства ВАЗ Теплообменная аппаратура для современных автомобилей
Теплообменная аппаратура Прототип интенсифицированного кожухотрубчатых водоводяного подогревателя для индивидуальных тепловых пунктов Горизонтальные и вертикальные конвектора
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СНИЖЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРМОДЕФОРМАЦИЙ Использование вставок из высокопористого ячеистого проницаемого материала -создание и исследование характеристик межступенчатого охладителя газа при его компримировании Заказчик: НИИ Турбокомпрессор (Казань), РИТЦ ПМ (Пермь) -создание и исследование характеристик систем пористого охлаждения металлических лазерных зеркал Заказчик: КОКБ Союз (Казань) -создание и исследование характеристик систем транспортных пористых теплообменников Заказчик: РИТЦ ПМ (Пермь) Достигнутые результаты: интенсификация теплоотдачи от 3 до 15 раз, уменьшение теромодеформаций рабочий поверхностей, повышение надежности и эффективности систем охлаждения, оптимизация структуры пороматериалов (Патент РФ )
Высокоэффективные компактные многомодульные теплообменники системы утилизации теплоты уходящих газов когенерационных и тригенерационных установок на базе газопоршневых двигателей ОАО КамАЗ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Разработка и исследование теплогидравлических характеристик теплообменного оборудования с промышленно перспективными интенсификаторами теплообмена Исследование гидродинамики и теплообмена в каналах с перспективными поверхностными интенсификаторами теплоотдачи. Интенсификация теплоотдачи до 6 раз при умеренном или сопоставимом росте гидросопротивления. Создание на основе полученных результатов семейства новых теплообменных аппаратов: Достигнутые результаты: интенсификация теплоотдачи до 6 раз, повышение эффективности теплообменников, оптимизация их конструкций. Экономический эффект – 700 млн рублей (ОАО КамАЗ). Создание теплообменников с луночными рельефами. Использование подобных рельефов для снижения сопротивления транспортных средств. Использование микрошероховатости в радиаторах автомобилей ВАЗ
23 Плоско-овальные трубы с неполным оребрением и фрагмент вихревой картины обтекания трубы с нанесенными лунками Вихревая интенсификация теплообмена в трубных пучках Эффект – увеличение теплоотдачи при низких гидравлических потерях
Кипение на поверхности с микропористым покрытием Фотография поверхности с микропористым никелевым покрытием (увеличено в 100 раз) Теплоотдача при кипении воды, P=0.1 MPa, - медное покрытие, толщина 0.4 мм - покрытие из нерж. стали, толщина 0.15 мм - покрытие из нерж. стали, толщина 0.22 мм 0 - поверхность без покрытия Дивертор термоядерной установки
Кипение на поверхности с нанорельефом Рабочий участок, покрытый частицами карбида кремния (x60) Рабочий участок, покрытый частицами карбида кремния (x60) SEM-фотография центральной части рабочего участка (x15000) Теплоотдача при кипении воды и наножидкости. 1- Вода, 2- наножидкость SiC 0.01%. При кипении наножидкости коэффициент теплоотдачи повышается до 2х раз Относительное повышение КТН для концентрации наночастиц С= 0.01 % 1,9 1,5 1,7 Аварийное охлаждение корпуса реактора
1 – тепловыделяющие сборки; 2 – замедлитель нейтронов; 3 – отражатель нейтронов; 4 – органы управления и регулирования ядерным реактором (поворотные барабаны с поглощающими элементами на части их поверхности); 5 – боросодержащие накладки; φ – угловое азимутальное положение по периметру периферийных ТВС; ψ – угол поворота барабана Схема ядерного реактора Характерные параметры ЯЭДУ: Для полета на Марс гетерогенный ядерный реактор ЯЭДУ должен обеспечивать нагрев водорода в ТВС с твердыми поверхностями теплообмена до температуры перед соплом Т к = К, что позволяет получить удельный импульс тяги до 9,2–9,5 км/с при использовании ингибирующей углеродосодержащей добавки в рабочем теле. При таких параметрах обеспечивается потребная суммарная тяга связки из 3–4 ЯРД, равная 200 кН, а тяга единичного ЯРД составляет 50– 70 кН. Зная удельный импульс тяги и расход рабочего тела, можно определить скорость рабочего тела на выходе из реактора – V вых перепад давления – Δp длину реактора – L р его массу – G р площадь поверхности теплообмена – nS, где n– число каналов охлаждения среднюю плотность теплового потока – q cp Заданные параметры: пористость реактора по рабочему телу – ε температура водорода – Т вых число Маха М вых =V вых /a вых
Высокотемпературные энергетические установки Схема малогабаритной системы транспортировки энергии электронных пучков
Увеличение плотности мощности транспортируемых электронных пучков Изменение плотности мощности выведенных в атмосферу электронных пучков: I – системы с отделением области генерации пучков от плотной среды; II – системы на основе последовательных ступеней давления; III – созданные системы на основе каналов, формируемых электронами на начальной стадии транспортировки.
Распределение температуры вдоль оси струи в реакторе ВВЭР-440. Пунктирные линии - расчет Повышение эффективности реакторных установок путем продления ресурса корпусного оборудования Корпус ректора ядерной установки типа ВВЭР
Разработаны теория, методы расчета высокотурбулентных вихревых и отрывных течений, сформулированы основы вихревых технологий, увеличивающих эффективность и ресурс энергетических установок и теплообменных аппаратов. Проведены фундаментальные исследования турбулентных течений во вращающихся потоках, выявлены области интенсификации и подавления турбулентного тепломассообмена.Разработаны теория, методы расчета высокотурбулентных вихревых и отрывных течений, сформулированы основы вихревых технологий, увеличивающих эффективность и ресурс энергетических установок и теплообменных аппаратов. Проведены фундаментальные исследования турбулентных течений во вращающихся потоках, выявлены области интенсификации и подавления турбулентного тепломассообмена. Разработаны вихревые технологии на основе витых стержневых тепловы деляющих элементов и витых труб, эффективные компактные устройства транспортировки концентрированных потоков энергии электронных пучков в плотные среды, технологические мероприятия по повышению эффективности и безопасности ядерных реакторов.Разработаны вихревые технологии на основе витых стержневых тепловы деляющих элементов и витых труб, эффективные компактные устройства транспортировки концентрированных потоков энергии электронных пучков в плотные среды, технологические мероприятия по повышению эффективности и безопасности ядерных реакторов. Разработаны вихревые технологии на основе широкого класса поверхностных вихрегенераторов, обеспечившие повышение теплоотдачи в каналах и управление обтеканием летательных аппаратов при до- и сверхзвуковом режимах течения.Разработаны вихревые технологии на основе широкого класса поверхностных вихрегенераторов, обеспечившие повышение теплоотдачи в каналах и управление обтеканием летательных аппаратов при до- и сверхзвуковом режимах течения. Разработаны технологии повышения эффективности устройств, охлаждаемых кипящей жидкостью за счет микро - и нанорельефа поверхности и закрутки потока, а также систем охлаждения ядерных реакторов и термостабилизации лазерной техники путем установки в каналах вставок из высокопористых материалов с упорядоченной структурой.Разработаны технологии повышения эффективности устройств, охлаждаемых кипящей жидкостью за счет микро - и нанорельефа поверхности и закрутки потока, а также систем охлаждения ядерных реакторов и термостабилизации лазерной техники путем установки в каналах вставок из высокопористых материалов с упорядоченной структурой. Разработаны и реализованы вихревые технологии сжигания и переработки органических топлив и отходов.Разработаны и реализованы вихревые технологии сжигания и переработки органических топлив и отходов. Разработанные устройства и вихревые технологии не имеют в мире аналогов. Результаты работы представлены в 36 монографиях, 53 патентах и широко опубликованы во многих научно-технических статьях. Экономический эффект от внедрения результатов составляет 1,42 млрд. рублей.Разработанные устройства и вихревые технологии не имеют в мире аналогов. Результаты работы представлены в 36 монографиях, 53 патентах и широко опубликованы во многих научно-технических статьях. Экономический эффект от внедрения результатов составляет 1,42 млрд. рублей. ВЫВОДЫ
Монографии 1. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб, Судостроение, с. 2. Научные основы технологий XXI века / Под редакцией А.И.Леонтьева и др. – М.: УНПЦ «Энергомаш», с. 3. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И. и др. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. М.: ФГПУ «ЦНИИАТОМИНФОРМ», с. 4. Дзюбенко Б.В., Краев В.М., Мякочин А.С. Закономерности и расчет нестационарных турбулентных течений и тепломассообмена в каналах энергетических установок. – М.: «Издательство МАИ-ПРИНТ», с. 5. Dzyubenko B. and Dreitser G. Heat Exchanger Design Handbook, section 3.23: New York, Wallingford (UK): Begell House, Inc., 2003, Рart 3, Twisted Tube Heat Exchangers. 6. Alekseenko S.V., Kuibin P.A., Okulov V.L. Theory of concentrated vortices: an introduction. Springer- Verlag, Berlin-Heidelberg-New York.–2007.– 506 p. 7. Кутателадзе С.С., Волчков Э.П., Терехов В.И.Аэродинамика и тепломассооб мен в ограниченных вихревых потоках. Новосиб. СО АН СССР, 1987, 282 с. 8. Исследования и разработки Сибирского отделения Российской академии наук в области энергоэффективных разработок. Отв. ред. С.В. Алексеенко; Новосибирск: Изд-во СО РАН, – 400 с. 9. Шмелев В. Д., Драгунов Ю. Г., Денисов В. П., Васильченко И. Н. Активные зоны ВВЭР для атомных электростанций М.: ИКЦ «Академкнига», с. 10. Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г. и др. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. М., ИКЦ «Академкнига», 2004, 391 с.