КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 17-79-10283

НазваниеРазработка нового класса инфракрасных горелок для малой распределенной энергетики на основе микроканальных материалов

Руководитель Мазной Анатолий Сергеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова Радиационные горелки, инфракрасные горелки, малая распределенная энергетика, энергоэффективность, СВС, синтез, интерметаллиды, пористые материалы, фильтрационное горение

Код ГРНТИ31.15.27

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Вопрос обновления парка котельного оборудования крайне актуален для России. Современный котёл – это устройство конденсационного типа с тепловым КПД более 90-95% по высшей калорийности топлива, и уходящими газами с содержанием оксидов азота менее 30 ppm, монооксида углерода менее 50 ppm. Имеющиеся на рынке решения мало приспособлены для северных территорий с резко континентальным или полярным климатом, тогда как вопрос использования надёжных систем жизнеобеспечения первостепенен. Настоящий проект направлен на создание технологий и материалов для нового класса инфракрасных горелок с осесимметричным (цилиндрический, сферический) микроканальным излучателем [ http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.048 ]. Данные горелки могут функционировать в режиме, когда пламя локализовано во внутреннем объёме излучателя, что позволяет максимально повысить радиационный КПД горелки и существенно снизить температуру уходящих газов. При этом осесимметричная архитектура излучателя позволяет принципиально избежать проблему проскока пламени, что существенно повышает безопасность устройства. Комплекс преимуществ данных горелок позволяет создать не только эффективное и экологичное, но и крайне компактное оборудование, поэтому вопрос разработки нового типа горелок представляется актуальным. В качестве материала инфракрасных горелок широко применяются керамики или стальные сетки. Однако для создания осесимметричных излучателей данные материалы практически не пригодны: керамика подвержена хрупкому разрушению вследствие возникающих термомеханических градиентов, а сетки склонны к окислению. Перспективными материалами для создания излучателей являются интерметаллиды (Ni-Fe-Ti-Cr)+Al, основа современных суперсплавов, которые характеризуются способностью долговременно работать в окислительной среде при температурах до 1100 Цельсия и обладают высокотемпературной пластичностью. Для изготовления пористых металлических изделий применимы различные методы термо-механической обработки готового (имеющего заданный фазовый состав) сплава, такие как деформационное упрочнение пены, перфорирование безпористых заготовок, экструзия и спекание порошкового образца, волочение проволок и создание сеток и пр. Однако данные методы малопригодны для создания микроканальных изделий из алюминидов ввиду высокой температуры плавления и трудностей деформационной обработки последних. Так как образование интерметаллидов из элементов происходит с выделением тепла, самым энергоэффективным способом получения (Ni-Fe-Ti-Cr)+Al изделий является прямой синтез в режиме горения, известный как самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) [ http://dx.doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291 ]. Здесь под прямым синтезом понимается получение материалов готовых к эксплуатации без дополнительной высокотемпературной обработки. В настоящем проекте для создания микроканальных изделий с заданными характеристиками предлагается применять специальные нестационарные режимы синтеза, при которых волна горения состоит из пульсирующих сверхадиабатических очагов, в формировании которых участвует до 10^6 частиц исходных порошковых реагентов. Здесь образование интерметаллидов происходит в результате быстропротекающих процессов термокапиллярного растекания и конвективно-реакционного смешения расплава компонентов. Реакционная среда при этом претерпевает существенные изменения: масштаб гетерогенности изменяется от размера частиц реагентов до размера слившихся твёрдо-жидких капель, которые при кристаллизации формируют структурные элементы материала. Закономерности формирования макроструктуры продуктов в данных процессах остаются малоизученными. В настоящем проекте предлагается на примере порошковых систем Al + (Ni,Fe,Ti,Cr) с привлечением современных методов изучения процесса и продуктов синтеза провести комплексные экспериментальные исследования механизмов горения и структурообразования в нестационарных режимах горения с участием расплавов. Особое внимание будет уделено исследованию условий формирования нестационарных режимов горения, при которых волна горения состоит из крупных сверхадиабатических очагов, образованных по механизму реакционной коалесценции. Будут определены условия, при которых в ходе синтеза обеспечивается неизменность формы реакционной системы с образованием в синтезируемом продукте каналов заданного размера. К структуре микроканального материала предъявляется ряд требований. С одной стороны, необходимо создавать микроканалы с высокой газопроницаемостью, что важно для возможности использовать горелку с газовыми сетями низкого давления (до 3000 Па). С другой стороны, структура материала, формирующего микроканалы, должна обеспечивать интенсивный теплообмен с газовой фазой, при обеспечении высокой теплопроводности излучателя по всей толщине стенки. В проекте предлагается проведение исследований с определением оптимальных характеристик микроканального излучателя, обеспечивающих максимальный выход инфракрасного излучения при высоких характеристиках экологии. Предлагаемые исследования будут проведены на высоком уровне с привлечением современного высокотехнологичного экспериментального оборудования: цифровые расходомеры и регуляторы газа, высокочувствительные газоанализаторы, прецизионные измерители мощности радиационного потока, высокоскоростные термопарные контроллеры и пр. Применение современных методик анализа и высокоточного экспериментального оборудования позволит детально описать предложенные к изучению процессы. Таким образом, в проекте предлагается решить комплекс задач по разработке технологии получения микроканальных излучателей современных инфракрасных горелок. Решение задач проекта позволит перейти к стадии создания прототипов теплотехнического оборудования для нужд малой распределенной энергетики.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---