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 17-79-10283

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

РуководительМазной Анатолий Сергеевич, Доктор технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

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 словаРадиационные горелки, инфракрасные горелки, малая распределенная энергетика, энергоэффективность, СВС, синтез, интерметаллиды, пористые материалы, фильтрационное горение

Код ГРНТИ31.15.27

СтатусУспешно завершен

 

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.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будут получены новые знания о механизмах структурирования порошковых металлических систем, реагирующих в режиме волны горения. С этой целью на примере порошковых систем Al-(Fe,Ni,Ti,Cr) будут изучены механизмы структурной и химической трансформации реакционной среды при нестационарных режимах горения с активным участием процессов термокапиллярного растекания и коалесценции расплава реакционных компонентов. Впервые будет комплексно изучена связь процессов, протекающих в волне горения, со структурой продуктов синтеза и определены условия, обеспечивающие: (а) получение целевого материала заданных форм и размеров, (б) получение открыто-пористых материалов с равновесным фазовым составом, (в) пути регулирования геометрических характеристик микроканалов. Представленные в научной периодике работы по данной проблематике имели целью либо (а) фундаментальное исследование гидродинамических явлений в процессах горения гетерогенных металлических систем, либо (б) исследования конечной структуры продуктов реакции и описание свойств синтезированных функциональных материалов. Поэтому результаты комплексных исследований могут быть интересны не только специалистам в области высокотемпературного синтеза и структурной макрокинетики, но также специалистам в области нелинейной динамики и самоорганизующихся систем. В проекте будет разработана энергоэффективная технология синтеза осесимметричных микроканальных материалов для использования в качестве излучателей инфракрасных горелок. Тестирование полученных материалов позволит получить новые данные о влиянии параметров микроканальных излучателей на эффективность горелок по преобразованию энергии сжигаемого топлива в инфракрасное излучение с обеспечением низких уровней эмиссии монооксида углерода и оксидов азота. В результате тестирования будет получен массив надежных экспериментальных данных, что представляет интерес для численного моделирования процессов тепло- массообмена и механизмов фильтрационного горения газов в излучающих горелках осесимметричной формы. Таким образом, исследования по проекту позволят решить задачу создания осесимметричных микроканальных излучателей инфракрасных горелок с заданными функциональными характеристиками. Результаты проекта принципиально важны для развития нового направления в малой энергетике, связанного с созданием компактного, экологичного и энергоэффективного теплотехнического оборудования: мобильные водогрейные или паровые котлы для нужд отопления и горячего водоснабжения. Другими потенциальными областями применения горелок нового типа является: устройства когенерации тепловой и электрической энергии, бесконтактный нагрев, сушка, испарение материалов в различных технологических процессах. Тематика предлагаемого исследования находится во внимании мирового научного сообщества, что подтверждается наличием актуальных публикаций с результатами подобных исследований в журналах: International Journal of Heat and Mass Transfer, Journal of Alloys and Compounds, Proceedings of the Combustion Institute, Combustion and Flame, Fuel, Energy, Applied Energy. Данные журналы относятся к первым квартилям изданий по следующим категориям Journal Citation Reports: Energy & Fuels, Thermodynamics, Engineering, Mechanics, Chemistry, Materials Science, Metallurgy & Metallurgical Engineering.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Согласно данным международного энергетического агентства, мировое потребление энергии непрерывно растет, при этом порядка 90% энергии мы получаем благодаря сжиганию разных видов углеводородного топлива – угля, нефти, газа. Оценки специалистов показывают, что несмотря на активное развитие средств альтернативной энергетики, данный тренд будет сохраняться многие десятилетия. Поэтому в настоящее время усилия ученых и технологических компаний направлены на создание максимально высокоэффективных технических решений, котлов, бойлеров, печей, способных оказывать минимальное воздействие на окружающую среду. При этом важно чтобы устройство было как можно проще и дешевле в изготовлении. Усилия сотрудников Томского научного центра СО РАН направлены на создание нового класса газовых инфракрасных горелок. В отличии от обычных горелок, где газовоздушная смесь сгорает в виде факела, в инфракрасной горелке сжигание смеси проводят над поверхностью специальной газопроницаемой пластины - излучателя. Это может быть перфорированная керамика, или металлические сетки. В инфракрасных горелках организуют процесс так, чтобы газопроницаемый материал раскалялся от газового пламени и излучал инфракрасный поток. Чем более эффективно происходит нагрев излучателя, тем большая доля энергии сгоревшего газа переходит в поток излучения. В настоящее время инфракрасные горелки успешно используются для отопления рабочих зон промышленных объектов, создания генераторов электричества на основе TPV модулей, для сушки и термической обработки различных поверхностей. Красивый и простой пример – в Википедии есть статья «Горение», в которой размещена фотография процесса приготовления еды с помощью инфракрасной горелки. Развитие данного направления не стоит на месте, разрабатываются улучшенные горелки новой архитектуры для новых практически важных задач. Настоящий проект направлен на разработку нового типа инфракрасных горелок, которые выполнены в виде полой металлической трубы с газопроницаемыми стенками. В горелках такого типа реализуется эффективный теплообмен между фпламенем и излучателем, что позволяет существенно повысить долю энергии, переходящую в поток инфракрасного излучения. Однако есть сложности, которые ограничивают развитие этого решения – стандартные материалы не пригодны для создания излучателя. Если излучатель выполнить из керамики, то он треснет при запуске горелки, а если из обычных нержавеющих сталей – то такой излучатель быстро окислится. Выход может быть в применении материалов, которые в настоящее время широко используются только в авиакосмической технике – это интерметаллидные сплавы на основе систем никель-алюминий, титан-алюминий, железо-алюминий. Данные сплавы обладают уникальным комплексом высокотемпературных характеристик: высокой пластичностью и высокой окислительной стойкостью. Но есть и минусы – из данных сплавов катастрофически сложно изготавливать изделия сложной формы, так как при комнатной температуре они могут быть экстремально хрупкими. В выполняемом проекте разрабатывается энергоэфективный и достаточно простой подход к созданию цилиндрических инфракрасных горелок из Ni-Al сплава – синтез изделий в режиме горения. Данный метод носит название «самораспространяющийся высокотемпературный синтез», СВС. По своей сути метод похож на горение бенгальской свечи – по некоторому материалу, который создан из мелких порошков разных веществ, бежит волна горения. Вся разница в том, что после сгорания бенгальской свечи мы её выбрасываем, так как никакой практической ценности для нас больше не осталось. Но при правильной организации процесса СВС, продуктами горения могут быть ценные тугоплавкие вещества. Обычно под горением понимают процессы окисления углеводородов кислородом воздуха. Но гореть могут и металлы! Например, порошок титана или алюминия прекрасно горит в кислороде или в азоте. СВС пористых горелок осуществляется при горении смеси мелких порошков никеля и алюминия. Такое горение может происходить даже в вакууме, тепло здесь выделяется не от реакции металлов с газами, а от экзотермического взаимодействия друг с другом. Например, при горении 100 грамм смеси, состоящей из 68,5 масс.% никеля и 31,5 масс.% алюминия, может выделиться 138 кДж энергии. Размер используемых в СВС порошков настолько мал, что отдельную частицу невозможно увидеть невооруженным взглядом. Но изюминка изучаемого процесса в том, что вводя специальные добавки в порошковую шихту мы можем получать сплавы с крупнопористой структурой, где каждый элемент состоит из миллионов сплавившихся порошинок. Для этого необходимо реализовать сцинтилляционный режим горения. В этом режиме волна горения состоит из множества высокотемпературных очагов. В рамках выполняемого проекта изучено как можно управлять размером этих очагов, чтобы получать пористые материалы с размером газотранспортных каналов от сотен микрон, до нескольких миллиметров. Проведя исследования удалось определить условия для прямого синтеза крупнопористых цилиндрических горелок. Под прямым синтезом понимается получение заданного изделия в одну технологическую стадию – стадию горения, когда получается материал непосредственно пригодный к использованию в качестве горелки. Так как горелки цилиндрического типа малоизучены, в проекте также ставились задачи по определению оптимальных параметров, которые позволят получить как низкие выбросы вредных веществ, так и максимальную эффективность генерации инфракрасного излучения. Было установлено, что полые цилиндрические горелки могут характеризоваться максимально возможной эффективностью генерации инфракрасного излучения для заданных условий. Например, при удельной мощности 183 кВт/м2 в инфракрасный поток может перейти максимум 60% энергии метано-воздушного пламени, исследуемые горелки с размером структурных элементов порядка 600-1000 мкм могут обеспечить этот уровень КПД. При этом экологические характеристики горелок соответствуют самым строгим стандартам, которые только существуют в мире. Например, стандарт DB 11/139-2015, который с прошлого года применяется в столичном регионе Китая, регламентирует выбросы оксидов азота газовых котлов уровнем в 15 ppm, что является практически недостижимым для классических факельных горелок. Разрабатываемая горелка может его обеспечить и при этом покажет высокую эффективность. Таким образом, проводимое исследование интересно не только с точки зрения новых фундаментальных аспектов материаловедения и горения, но также позволяет приблизить решение ряда экологических и технологических задач современной теплотехники. Ссылка на видеоканал о горелках - https://www.youtube.com/playlist?list=PLT_k3VJCuNK7guBNQpYORqu9YOnjZUUdf

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Изучен процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза крупнопористых сплавов состава Ni-Al-Cr-Ti для использования в качестве эмиттеров цилиндрических радиационных горелок. Определены условия синтеза, такие как химический и гранулометрический состав реакционной шихты, начальная температура подогрева, тип и количество добавок, необходимых для активации капиллярного взаимодействия плавящихся компонентов в зоне волны горения, что позволяет получать крупнопористые материалы без дефектов структуры с размером элементов сплава в диапазоне 500-2000 мкм. Основное преимущество разработанного технического процесса заключается в возможности прямого синтеза пористых материалов сразу готовых к применению в качестве радиационных горелок с использованием доступного на рынке отечественного сырья и стандартного оборудования. Исследования показали, что введение в состав Ni-Al сплава порядка девяти весовых процентов хрома и двух весовых процентов титана приводит к двукратному увеличению окислительной стойкости сплава при температурах до 1200 градусов Цельсия, что позволяет повысить ресурс радиационной горелки до 5000 часов. Последнее актуализирует проведение НИР по созданию бытовых водогрейных котлов, а также устройств когенерации тепла и электричества, на основе горелок нового класса – эффективных, компактных и экологичных. Во второй год реализации проекта создан и изучен первый прототип востребованных на рынке инфракрасных нагревателей, которые могут использоваться для эффективного нагрева и термической обработки объектов и поверхностей. Например – для отопления промышленных помещений, ферм и теплиц, обогрева мест пребывания человека на открытой местности, в качестве источников тепла в конвейерных печах, применяемых для сушки и тепловой обработки таких материалов как стальной прокат, текстиль, бумага, продукты питания и пр. Нагреватель по внешнему виду похож на фонарь, в котором внутри конического рефлектора с диаметром 30 см вместо лампы накаливания установлена цилиндрическая горелка размером 5*10 см. Данный нагреватель может использовать в качестве топлива как природный газ, так и пропан-бутановую смесь и работает в диапазоне мощностей 1-6 кВт. При этом в поток инфракрасного излучения преобразуется порядка 70-75 процентов энергии сгоревшего газа при достаточно низких выбросах вредных веществ. Проведенный литературный обзор, который охватил порядка 80 работ в авторитетной международной научной периодике, показал, что данный прототип нагревателя не имеет аналогов в классе, так как заложенные в основу работы горелки физические принципы обеспечивают максимально возможную эффективность преобразования тепла продуктов сгорания в инфракрасных поток.

 

Публикации

1. Мазной А., Кирдяшкин А., Китлер В., Пичугин Н., Саламатов В., Цой К. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Maсroporous B2+L12 Ni-Al Intermetallics Used in Cylindrical Radiant Burners Journal of Alloys and Compounds, 792, 561-573 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.023

2. Мазной А.С., Кирдяшкин А.И., Минаев С.С., Марков А.Б., Пичугин Н.С, Яковлев Е.В. A study on the effects of porous structure on the environmental and radiative characteristics of cylindrical Ni-Al burners Energy, том 160, страницы 399-409 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.017

3. Мазной А.С., Кирдяшкин А.И., Пичугин Н.С. РАДИАЦИОННЫЕ ГОРЕЛКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ С МАКСИМАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ГОРЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ Горение и Взрыв, том 2 страницы 56-65 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1515/10.30826/CE18110208

4. - Ученые предложили новую конструкцию инфракрасной горелки газета.ru, Energy ‒ 2018. ‒ V. 160. ‒ P. 399-409. doi: 10.1016/j.energy.2018.07.017 (год публикации - )

5. - Ученые усовершенствовали инфракрасную горелку для обогрева сибирских домов тайга.инфо, Energy ‒ 2018. ‒ V. 160. ‒ P. 399-409. doi: 10.1016/j.energy.2018.07.017 (год публикации - )

6. - Усовершенствованная инфракрасная горелка обогреет сибирские дома Индикатор.ru, Energy ‒ 2018. ‒ V. 160. ‒ P. 399-409. doi: 10.1016/j.energy.2018.07.017 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта получены новые научные результаты, которые имеют потенциал практического использования. А именно: 1). Разработан новый класс высокоэффективных и экологичных радиационных горелок, которые востребованы для задач отопления промышленных помещений, обогрева мест пребывания человека на открытой местности, могут применяться в качестве источников тепла в конвейерных печах, при создании новых эффективных устройств когенерации тепла и электричества. Изученный в рамках выполнения проекта прототип инфракрасного нагревателя при незначительной доработке может быть выведен на рынок устройств ИК нагрева малой мощности. Авторский коллектив уже прикладывает усилия для коммерциализации данной технологии. В частности, 14 мая в рамках инновационного форума UNOVUS-2019 (г. Томск) руководитель проекта будет участвовать в Конкурсе разработок молодых учёных с проектом «Инфракрасные нагреватели с наивысшим соотношением эффективности и экологичности в классе». 2). Разработаны составы реакционных шихт и определены условия проведения СВС, позволяющие получать крупнопористые сплавы Ni-Al-Cr-Ti востребованные для создания радиационных горелок с повышенными эксплуатационными характеристиками. Данные результаты имеют потенциал коммерциализации и охраняются в режиме коммерческой тайны ТНЦ СО РАН. В настоящий момент проводится работа по взаимодействию с потенциальными промышленными партнерами, имеющими опыт производства и продажи на рынке РФ теплотехнического оборудования.