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

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 22-19-00018

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

Руководитель Жердев 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

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 слова тепло- 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.С. Рябикин, А.В. Шакуров РАЗРАБОТКА СТАБИЛЬНОГО СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ХЛАДОНОСИТЕЛЯ С НАНОЧАСТИЦАМИ Al2O3, ZnO ВОСЬМАЯ Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-8) Москва, 17 - 22 октября 2022 года, ВОСЬМАЯ Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-8) Москва, 17 - 22 октября 2022 года, с.65-66 (год публикации - 2022)

2. Жердев А.А., Шакуров А.В., Кротов А.С., Жидков Д.А, Рябикин С.С. Сравнительный анализ эффективности очистки природного газа при низкой степени расширения c применением дросселя или высокорасходной трехпоточной вихревой трубы ХИМИЧЕСКОЕ И НЕФТЕГАЗОВОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ (Chemical and Petroleum Engineering), 2022. № 8 (год публикации - 2022)

3. Шакуров А.В., Колышкин Л.М. Study of Operating Modes of a Cryogenic Spray Mixing Gasifier with Adjustable Capacity Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 59, Nos. 1-2, May, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s10556-023-01217-1

4. Жердев А.А., Подчуфаров А.А., Шакуров А.В., Устюшкина А.И. Adsorption Study of Composite and Granular Adsorbents Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 59, Nos. 1-2, May, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s10556-023-01219-z

5. Воронов В.А., Колышкин Л.М., Шакуров А.В., Жердев А.А. Experimental evaluation of partial body cryotherapy unit with gas supply regulation International Journal of Refrigeration, Volume 155, November 2023, Pages 105-113 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijrefrig.2023.08.001

6. Жердев А.А., Шакуров А.В., Рябикин С.С. Experimental aggregative stability study of Ag/PVP nanoparticles in colloidal solutions, based on the water, propylene glycol-water, and isopropanol systems Chemical and Petroleum Engineering, Volume 59, pages 648–653, (2023) (год публикации - 2024)
10.1007/s10556-024-01287-9

7. Жердев А.А., Шакуров А.В., Рябикин С.С. Effect of Ag/PVP nanoparticle additives on the specific heat capacity of secondary coolants, based on the water, propylene glycol–water, and isopropanol systems Chemical and Petroleum Engineering, Volume 59, pages 642–647, (2023) (год публикации - 2024)
10.1007/s10556-024-01286-w

8. Рябикин С.С., Кротов А.С., Масликова С.В. Numerical study of multicomponent mixed refrigerant composition regulation during natural gas liquefaction Chemical and Petroleum Engineering, Volume 59, pages 635–641, (2023) (год публикации - 2024)
10.1007/s10556-024-01285-x

9. Жердев А.А., Рябикин С.С., Кротов А.С., Егорова А.И. Operational mode study of an ice slurry generator with induction heating Chemical and Petroleum Engineering, Volume 59, pages 654–660, (2023) (год публикации - 2024)
10.1007/s10556-024-01288-8

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Вопросы тепло- и массообмена многокомпонентных жидкостей, газов в аппаратах низкотемпературных и иных промышленных установок в условиях низких температур во многих аспектах до настоящего времени остаются недостаточно изученными. Это влечет за собой недостаточную степень как энергетической эффективности оборудования, так и ведет к необоснованному повышению издержек на его функционирование, что зачастую значительно снижает полезный эффект от его применения, а, следовательно, и ограничивает эффективность всей технологической цепочки, к которой они принадлежат. Исходя из этого, 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 таких текучих средах, находящихся в рабочем режиме в условиях низких температур. Особо актуальной рассматриваемая проблема становится в связи с произошедшим значительным развитием информационных технологий, которое 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 нового поколения. Планируемая научная новизна результатов исследований имеет два уровня: конкретные результаты и их сводный анализ. Первый – новые знания в определенных направлениях исследований (конкретная объективная информация о протекании процессов тепло- и массообмена в условиях низких температур, на основе которой возможно выделить определенные зависимости, характерные критерии, пороговые значения, корреляции, а также технические решения и концепции). Второй – новые знания, обобщение, вклад в развитие теории тепло- и массообмена в условиях низких температур, исходя из системного анализа данных и ранее полученных знаний, новые знания для методологии, принципов проектирования оборудования. В рамках данного этапа выполнен запланированный комплекс работ и получены следующие основные научные результаты: №3 «регулирование состава смесевых хладагентов для ожижения природного газа»: получены параметры рабочих режимов системы регулирования состава смесевого хладагента для различных условий окружающей среды на основе разработанного ранее экспериментального стенда, сделан вывод о том что, система регулирования способна снизить удельные энергозатраты, адаптируя работу установки под температурный режим окружающей среды, отказавшись от перезаправки контура смесевого хладагента, осуществляемой при смене рабочих режимов. №4 «генерация бинарного льда»: использование нового метода бесконтактного отделения наледи, такие подходы ранее не применялись в текучей среде с целью получения заданной характеристики кристаллов льда. Проведена серия экспериментов, в ходе которой определены возможные режимы работы генератора бинарного льда при воздействии переменного магнитного поля, диапазон производительности по льду, рассчитано энергопотребление экспериментального стенда. №5 «нанохладоноситель»: получены новые данные о вязкости и плотности нанотеплоносителя с Ag/PVP. Впервые полученные данные дают возможность более точно изучить влияние наночастиц на интенсификацию теплообмена в теплообменном оборудовании. №6 «аппарат для охлаждения человека»: получены режимы охлаждения, на основании которых сделан вывод о том, что используемый подход к регулированию температуры кожи улучшает результат воздействия и позволяет использовать индивидуальное дозирование в протоколах криотерапии. №7 «тепло- и массообмен при распылении жидкого азота» получены данные о давлении над зеркалом жидкости, температуре и расходам потоков газа и жидкости в аппарате.

Публикации

Возможность практического использования результатов
По направлению №1 практическая ценность результатов заключается в том, что показано, что применение вихревых труб в установках низкотемпературной сепарации позволяет удовлетворить требованиям СТО Газпром 089-2010 по температуре точки росы в наиболее нагруженном летнем режиме работы установки (в отличие от дросселя). По направлению №2 полученные данные могут быть применены в методиках расчета осушителей воздуха, например, для пневматических систем. В части рекомендаций по характерным значениям данного процесса предлагается на практике использовать полученные изотермы адсорбции. По направлению №3 полученные результаты актуальны для использования в прикладной области исследований (совершенствование и разработка конкретных установок малотоннажного СПГ). По направлению №4 результаты могут применяться при разработке безмашинных генераторов жидкого льда (в кондиционировании зданий и на водном транспорте для хранения рыбы). По направлению №5 полученные результаты актуальны для совершенствования состава теплоносителей (добавление наночастиц) с целью улучшения их теплофизических свойств, например, в случаях необходимости коррекции работы уже созданной системы, которая не выходит на заданные параметры. По направлению №6 практическая ценность результатов заключается в нахождении диапазона режимов охлаждения людей различного телосложения при проведении общего криовоздействия в рамках концепции его регулируемого выполнения. На основе полученных результатов возможно разрабатывать криотерапевтическое оборудование нового поколения. По направлению №7 полученные результаты возможно практически использовать в части применения в криогенных аэродинамических трубах и в криотерапевтическом оборудовании (в качестве источника холода).