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 22-19-00018

НазваниеРазработка научных основ повышения эффективности процессов тепло- и массообмена многокомпонентных текучих сред в условиях низких температур

РуководительЖердев Анатолий Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словатепло- и массообмен, низкие температуры, криогенная техника, холодильная техника, хладагенты, хладоносители

Код ГРНТИ81.31.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Низкие температуры (от уровня температур окружающей среды вплоть до абсолютного нуля) и связанные с их получением или использованием техника, технологии имеют одну из самых широких областей применения в хозяйстве и касаются многих аспектов частной жизни человека. Например, ранее, в XX веке, массовое внедрение низкотемпературной техники и технологий явно коррелировало с ростом населения и тяжелой промышленности (яркие примеры – бытовой холодильный шкаф и воздухоразделительная установка, предназначенная для обеспечения металлургии кислородом). Сегодня низкотемпературная техника еще более широко распространена и является одним из основных потребителей электрической энергии (бытовые, коммерческие и промышленные холодильные установки, кондиционеры, криогенное оборудование и др.). С развитием научно-технического прогресса, с изменением общественно-политической обстановки появляются новые задачи и новые возможности для совершенствования низкотемпературных аппаратов и систем. Например, начиная с подписания в 1992 году Рамочной конвенции ООН об изменении климата все большее внимание уделяется выбросам парниковых газов и углеродному следу в целом, что значительно влияет на низкотемпературную технику. С другой стороны, развитие информационных технологий открывает новые возможности по управлению процессами тепло- и массообмена в их динамике для повышения их точности (где это требуется), а также для снижения энергопотребления и вреда окружающей среде от использования данного оборудования (что актуально для разработки тепло- и массообменных систем будущего). При этом необходимо учитывать, что низкие температуры вносят дополнительные ограничения, новые взаимосвязи, изменяют степень взаимного влияния элементов систем, аппаратов и вносят иные особенности в процессы, что зачастую требует детального рассмотрения. Среди таких задач вопросы тепло- и массообмена многокомпонентных жидкостей, газов (смесей, двух- и многофазных потоков, например, природного газа, смесей хладагентов, влажного, загрязненного воздуха, хладоносителей с твердыми присадками). Основная научно-техническая проблема, на решение которой направлен данный проект заключается в недостатке знаний об особенностях и, следовательно, путях совершенствования организации процессов тепло- и массообмена в многокомпонентных текучих средах, находящихся в рабочем режиме в условиях низких температур. Основная гипотеза исследования описывается следующим. Получив результаты исследований ряда актуальных задач тепло- и массообмена в данном направлении низкотемпературной техники и технологий, возможно, проанализировав и обобщив полученные результаты, разработать критерии, закономерности, пороговые значения и т.п. Это открывает новые возможности как для проектирования низкотемпературного оборудования (повышение компактности и ресурса, учет различных режимов работы на стадии проектирования и т.п.), так и для дополнения понимания теплофизики в тепло- и массообменной аппаратуре. В рамках настоящего проекта будет выполнено комплексное исследование (параллельное развитие линейно-независимых тематик с переходом от частного к общему и обратно). Разделены направления по области применения аппаратов (см. Приложение). Первая группа – очистка газов (например, тепло- и массообмен вихревого эффекта для очистки природного газа в условиях низких температур, тепло- и массообмен при адсорбции в задаче осушки сжатого воздуха до низких значений температуры точки росы). Вторая группа – тепло- и массообмен в контуре хладагента (например, задача регулирования состава хладагентов для ожижения природного газа). Третья группа – тепло- и массообмен в контуре хладоносителя (в том числе методы генерации бинарного льда, модификация состава хладоносителя наночастицами). Четвертая группа – тепло- и массообмен в разомкнутом цикле (например, задача общего терапевтического охлаждения в открытом в атмосферу исполнительном устройстве при температуре охлаждающего газа до -130 гр. С). Планируемая научная новизна результатов исследований имеет два уровня: конкретные результаты и их сводный анализ. А именно, первый уровень – это новые знания по направлениям исследований (см. Приложение). Это объективная информация о протекании процессов тепло- и массообмена в условиях низких температур, на основе которой возможно выделить зависимости, характерные критерии, пороговые значения, корреляции, а также технические решения, концепции. Второй – обобщение, поиск взаимосвязей по рассматриваемой тематике. Это вклад в развитие теории тепло- и массообмена в условиях низких температур, полученный исходя из анализа новых и ранее полученных знаний. Это предпосылки для развития методов, принципов проектирования аппаратов и систем, применяющих многокомпонентные текучие среды.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты исследования имеют два уровня: эмпирический и теоретический. Первый – это массивы экспериментальных данных, на основе которых будет возможно сделать конкретные выводы об особенностях и перспективах применения отдельных рассматриваемых процессов в технике в условиях низких температур (в технологических процессах очистки газов, в контурах хладагентов и хладоносителей, воздействии на объекты охлаждения и др.), выводы о необходимости и форме дальнейших исследований процессов тепло- и массообмена в данных направлениях. Особенно важно получить достоверные данные о тепло- и массообмене с учетом актуальности решения задач управления данными процессами в их динамике (для тех направлений, где будет выявлена необходимость такого управления). Второй – сравнение и обобщение результатов направлений исследований (совершенствование идей идет от практических результатов). Будет обработан весь объем имеющихся экспериментальных данных, адаптированы критерии анализа результатов конкретных задач, проведен сводный анализ новизны, практической и методологической ценности полученных результатов, перспектив повышения энергетической эффективности низкотемпературного оборудования в целом, проанализированы взаимосвязи, сформированы выводы об основных текущих проблемах по направлению и научно-обоснованные практические рекомендации. Итог проведения исследований – научные основы и научно-обоснованные рекомендации в области компетенций научного коллектива по рассматриваемой тематике. Научная значимость предполагаемых результатов исследования состоит в следующем. Научно-технический прогресс открывает новые перспективы для развития техники и технологий, в том числе функционирующих в условиях низких температур, при этом наблюдаются конкретные неопределенности в отдельных направлениях (например, в части описанной выше проблемы: степень влияния ударно-волновой составляющей на процесс вихревого терморазделения потока, состав и взаимное расположение слоев адсорбентов для осушки сжатого воздуха, возможность и условия эффективного перепуска смесевого хладагента в различных частях цикла, режимы и эффективность генерации потока жидкого льда с использованием электромагнитного поля, состав и концентрации компонентов для получения стабильного состава нанохладоносителя и степень возможного повышения коэффициента теплообмена при его применении, форма, скорость, алгоритм подачи, расход потока газа для обеспечения требуемой динамики захолаживания биологической ткани, соотношения потоков жидкости и газа в переходных условиях работы спирального противоточного смесителя и др.). Объединяет описанные выше конкретные задачи следующее. Имеется поток многокомпонентной текучей среды (движение материи, имеющее входы и выходы из аппарата) с одновременным отводом или подводом теплоты (энергии). Цели различны - разделение, смешение, преобразование без разделения (например, изменение фазового состава), взаимодействие со стенкой и т.п. Для эффективной организации данных процессов используется "информационный поток" (для изменения параметров движения, свойств потока текучей среды при изменяющихся внешних условиях). Именно вклад недостаточной степени качества управления процессами в изменяющихся условиях может вносить наибольшее влияние на уровень их эффективности (для рациональной работы аппарата необходимы алгоритмы регулирования с обратной связью, учитывающие особенности как задачи, так ограничения системы в целом). Общая неопределенность - насколько на данном этапе развития техники и технологий возможно продвинуться в организации процессов в аппаратах во времени (каким будет вклад точного управления процессом в повышение эффективности его организации и какие общие принципы, рекомендации возможно выделить на основе решения различных задач). Чем более процессы удалены от условий окружающей среды, тем часто тепло- и массообмен становится определяющим для работы установок, это наблюдается как в условиях низких, так и высоких температур. Кроме того, основываясь на получении конкретных числовых данных возможно использовать результаты исследований для повышения качества проектирования новых образцов технических средств и технологий. А именно, в краткосрочной перспективе количественный рост знаний, раскрытие конкретных неопределенностей и противоречий будет формировать научный задел для проведения дальнейших фундаментальных и прикладных исследований в области инженерных и физико-математических наук, проведения разработок по фокусным и смежным тематикам. Низкие температуры имеют применение в первую очередь в приложении к чему-то, а не сами по себе. Этим и вызвана широта задач и применения результатов данного исследования. В среднесрочной перспективе результаты разработок позволят совершенствовать методы в части смежных наук. Пример этому рассматриваемое приложение использования низких температур в медицинских целях. Одним из основных междисциплинарных трендов науки будущего, по нашему мнению, является всестороннее исследование человека и его взаимодействия с техникой для повышения качества его жизни. Результаты исследований по тепло- и массообмену при охлаждении человека, дальнейшая разработка оборудования для решения данной задачи способны дать импульс для широкомасштабных медицинских исследований по данному вопросу, проведение которых без появления новых высокоэффективных технических средств не представляется рациональным. В долгосрочной перспективе достигаемый качественный рост, направленный на новый уровень понимания физических процессов в текучих средах аппаратов в условиях низких температур обеспечит развитие методологии разработки оборудования для развития в будущем нового междисциплинарного направления оптимизации работы систем в части нового уровня их информатизации с этапа проработки отдельных элементов до системного планирования и мониторинга работы больших распределенных систем, в том числе по принципу «цифрового двойника», что в будущем может обеспечить качественный рост энергетической эффективности теплотехнического и низкотемпературного оборудования. Скачок развития информационных технологий открывает новые возможности и новые задачи по управлению процессами тепло- и массообмена в их динамике для повышения их точности (где это необходимо) и снижения энергопотребления, что является основой для разработки высокоэффективных тепло- и массообменных систем. Современное общество в течение 30-40 лет изменило «направление прогресса» с космического («энергетического») на информационный. Однако, эта идея находится на стыке этих ключевых направлений, следовательно, в будущем по этой тематике возможно получить значимые научные результаты (например, управление многофакторными нелинейными процессами в режиме реального времени, основываясь на детальном сопряжении анализа информационных, энергетических и материальных потоков). Результаты выполнения проекта в целом способны открыть новые перспективы для следующего импульса развития применения низких температур за счет более глубокого понимания процессов в аппаратах, а также в перспективе могут быть использованы в нескольких направлениях науки (как в технических науках, теплофизике, Data Science, так и в медицине). Подобные подходы применяются и другими ведущими научными коллективами. Однако, наше мнение состоит в том, что видение проблематики, постановка и анализ результатов исследований не должны быть простым копированием «лучших практик». Достойные широкого внимания результаты часто появляются на стыке не только разных наук, но и разных методов, подходов, мнений, целей. Новизна применяемых методов и подходов к исследованию заключается в использовании синергетического эффекта от сравнения хода, результатов, постановки исследований в линейно независимых направлениях с целью повышения количества и качества получаемых объективных результатов и результатов субъективной их оценки. Согласно результатам анализа современного состояния исследований, основных направлений исследований и научных конкурентов была выявлена актуальность как предлагаемых тематик, так и оригинальность планируемых методов и подхода в целом. Что касается практического использования ожидаемых результатов проекта, польза для российской экономики от результатов данного проекта в перспективе может быть значительной. Первое – потенциально патентоспособные инновационные разработки мирового уровня – новые технические средства, технологии (в области техники и технологий природного газа, осушки газов, в низкотемпературной технике, в медицинской технике). Второе – совершенствование энергетической эффективности оборудования, что является одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ. Третье – сохранение и развитие научных школ, которое особенно важно в части активно развивающихся (например, развитие сырьевого сектора экономики РФ) и стратегически важных для безопасности общества направлений (например, пищевая промышленность, одной из основ которой является низкотемпературная техника). Результаты исследований по направлениям исследований независимо от теоретической обобщающей части работы могут быть использованы на следующем этапе проведения исследований – прикладных исследованиях и разработках.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---