|
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОГО
ТЕПЛООБМЕНА
Цель работы: Теоретическое и экспериментальное исследование физических
процессов в зоне соприкосновения различных деталей нацеленное на
увеличение теплопередающей способности контакта и уменьшение различных
термических деформаций направленное на более длительную и надежную
работу различных конструкций.
Руководители:
Меснянкин Сергей Юрьевич, к.т.н., доцент;
Михайлова Татьяна Васильевна, к.т.н., доцент.
Экспериментальная база:
• • - Установка для исследования контактного теплообмена плоского
неподвижного соединения.
• • - Установка по исследованию тепловых потерь в подвижных элементах.
• • - Установка по исследованию контактного теплообмена в коаксиальных
цилиндрических узлах.
Направления исследования:
1.Проведение экспериментальных исследований в области контактирования
твердых тел в различных газовых средах и в вакууме в диапазоне
температур от 250 К до 1150 К.
2.Выполнение конкретных расчетов по контактному термическому
сопротивлению для любых соединений, в том числе болтовых, сварочных,
клеевых, паяных, заклепочных.
3.Проведение анализа теплопроводящих путей в создаваемых
и существующих конструкциях и выработка рекомендаций по снижению
непроизводительных потерь температурного напора.
ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Организована в 1961 г. совместным приказом "Министерства общего
машиностроения СССР" и "Министерства высшего и среднего образования
СССР" в качестве "Отраслевой научно-исследовательской лаборатории"
(ОНИЛ-204) "Тепловая защита ЛА" на базе кафедры 204 (кафедра "Авиационно
- космической теплотехники") факультета "Двигателей летательных аппаратов" Московского
авиационного института (государственного технического университета).
На
первом этапе работы научным руководителем ОНИЛ-204 был назначен д.т.н.,
профессор, Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, дважды лауреат
Государственных премий СССР, Кошкин Валентин Константинович.
Заместителем научного руководителя был утвержден д.т.н., профессор,
лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный мастер спорта СССР,
Шведов Александр Михайлович.
Непосредственное участие в организации ОНИЛ-204 и разработке ее научной
концепции принимал академик АН СССР, лауреат Ленинской и Государственных
премий СССР,
Авдуевский
Всеволод Сергеевич.
В
ОНИЛ-204 структурно входили: сектор экспериментальных исследований,
сектор высокотемпературной диагностики и автоматизации стендов, сектор
расчетно-теоретических исследований. В
таком качестве ОНИЛ-204 успешно функционировала до 1991
г. В настоящее время имеет статус научного сектора: "Тепловая защита ЛА".
К
началу 70-х годов лаборатория была оснащена мощной
материально-технической базой, включающей десять высокотемпературных,
плазмотронных газодинамических стендов, оснащенных новейшими
диагностическими средствами на базе
компьютерной
и лазерной техники. Все научные исследования, выполненные в лаборатории,
проводились по Постановлениям директивных органов. На научной
лабораторной базе ОНИЛ-204 проведено исследование теплозащитных
материалов практически для всех изделий ракетно-космической техники,
созданных ведущими ОКБ СССР: НПО "Энергия", НПО им. Лавочкина, НПО
"Машиностроение", "Завод им. Хруничева", КБ "Южное", КБ "Молния" и др.
Специалисты лаборатории непосредственно участвовали в отработке тепловой
защиты многих отечественных ракетно-космических систем, в том числе:
"Зонд", "Союз", "Луна", "Венера", "Марс", "Энергия - Буран", а также
многих изделий ракетно-космической техники для оборонной промышленности.
За
успешное выполнение цикла важнейших Государственных программ в 1976 году
пяти сотрудникам лаборатории присвоено звание "Лауреат Государственной премии СССР".
Почетного звания лауреатов Государственной премии СССР были удостоены:
профессор
Кошкин
В.К.,
профессор
Шведов
А.М.,
доцент
Никитин
П.В.,
доцент
Холодков
Н.В.,
с.н.с.
Давыдов
Н.Н.
В 1989 году за успешное выполнение исследований по проблеме
"Высокотемпературной теплотехники" трем сотрудникам ОНИЛ-204 присвоено
звание лауреатов "Премии Совета Министров СССР". Почетного звания
лауреатов Премии Совета Министров СССР были удостоены: к.т.н., с.н.с.
Лебедев П.Д., с.н.с. Смолин А.Г., с.н.с. Федяев М.Ю.
По
результатам решения важнейших научно - технических задач по проблеме
тепловой защиты космических летательных аппаратов было защищено
семь
докторских
диссертаций: Шведов А.М. (1973),Глебов Г.А. (1982),
Холодков Н.В. (1986), Никитин П.В. (1987), Лебедев П.Д. (2000),
Афанасьев
В.А. (2003), Михатулин Д.С. (2004) и
более двадцати
кандидатских диссертаций: Шведов А.М. (1952), Журавлев А.А. (1966),
Глебов Г.А. (1967), Добровольский В.А. (1968), Давыдов Н.Н. (1968),
Сафонов Л.М. (1970), Лещенко Е.П. (1971), Холодков Н.В. (1971), Киммель
А.П. (1972), Никитин П.В. (1973), Лапушкин В.Н. (1975), Бубнова И.П.
(1978), Семенов И.Ф. (1978), Пирогов А.Е. (1979), Лебедев П.Д. (1980),
Афанасьев В.А. (1980), Макарова А.В. (1987), Кузнецов А.В. (1988), Пайко
В.В. (1997),
Степаненко
С.А.(2008), Купрюхин А.А. (2010). Опубликовано более 400 научных статей и докладов,
получено около 200 Авторских свидетельств и Патентов, утвердивших
приоритетность проведенных научных и технических разработок. В настоящее
время, несмотря на известные трудности, научно-технический потенциал
лаборатории полностью сохранен. Функционирует и развивается хорошо
оснащенная научно-лабораторная база,
на которой продолжают
проводятся
научные исследования и учебный процесс.
Научным руководителем сектора "Тепловая защита ЛА" утвержден д.т.н.,
профессор, Заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственных премий
СССР и Российской Федерации, Никитин Петр Васильевич.
Кроме
НИР в области "Тепловой защиты КЛА" в последние
15 лет в
секторе
проводился широкий круг исследований по разработке
научных основ технологии
формирования разнофункциональных покрытий
высокоскоростными гетерогенными
потоками. Разработан способ нанесения покрытий низкотемпературным
газодинамическим методом (НТГДМ),
создано
лабораторное оборудование на базе этого метода. Получено десять
российских патентов на способ и оборудование.
В
1999г.
профессор
П.В.
Никитин
за
цикл фундаментальных исследований процессов газодинамики и
тепло-массообмена в гетерогенных неизотермических потоках и их
внедрение в высоких промышленных технологиях»
был удостоен
Государственной премии РФ.
В
секторе
успешно
учатся
и защищают диссертации аспиранты, ежегодно выпускаются
4…5 дипломников
по специальности 160700.
Научный коллектив сектора
проводил и проводит исследования по четырём федеральным
научно-техническим программам, выигранным по конкурсу:
1.
"Фундаментальные
исследования в технических университетах" научно-технической программы
"Университеты России", подраздела 2.6. "Фундаментальные проблемы
создания спецтехники", научного направления 2.6.2. "Специальное
машиностроение, механика и аэрогидродинамика" по теме "Синтез новых
интерметаллических и металлокерамических композиционных материалов и
многофункциональных покрытий с планируемыми свойствами холодным
газодинамическим методом" (1993-1997 гг.);
2.
Внебюджетного
фонда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ
Министерства общего и профессионального образования РФ по теме "Холодный
газодинамический метод получения новых конструкционных материалов и
многофункциональных покрытий" (1996-1997 гг.);
3.
Второй
Межвузовской
программы "Фундаментальные исследования в области прикладной физики и
математики в технических вузах России" (программа "ФИЗМАТ") по теме
"Исследование термостойких материалов и покрытий КЛА и ЭУ в
высокотемпературных химически активных газовых потоках" (1993-1997 гг.).
4.
Министерство образования и науки РФ. Аналитическая
ведомственная целевая
программа "Развитие научного потенциала высшей школы"
(2007-2011).
Важнейшие публикации:
1.
Никитин П.В. "Тепловая защита": Учебник высшей
школы .- М.: Изд. МАИ 2006.-512с.: ил.
2.
Никитин П.В.
«Гетерогенные потоки в инновационных технологиях». Моногафия. – М.: Изд.
«Янус-К», 2010. – 245с.
3.
П.В. Никитин, С.А. Степаненко. «Газодинамика и межфазный
теплообмен при натекании сверхзвукового гетерогенного потока на
преграду».
Жур. «Вестник МАИ», 2008, Т.15, № 5, с. 34…39.
4.
П.В. Никитин, С.А. Степаненко.
«Метод определения степени черноты термостойких покрытий» Жур.
«Вестник МАИ», 2008, Т.15, № 5, с. 58…61.
5. Т.В.
Ершова, П.В. Никитин. «Термоэрозионное разрушение теплозащитных
материалов в сверхзвуковых гетерогенных потоках
«Вестник МАИ», декабрь, 2009, том № 16, с. 135…143.
6. А.А.
Купрюхин, П.В. Никитин, Е.В. Сотник. «Экспериментальное
определение каталитических и излучательных свойств
материалов тепловой защиты КЛА». «Вестник
МАИ», 2009, том № 16, с. 98…107.
7.
Никитин П.В. «Процессы катализа и излучения в системах тепловой защиты
планирующих космических летательных аппаратов». Жур. «Современные
проблемы науки и образования» №1, 2010г., с.77-93.
8. Никитин П.В. Наноструктурированные материалы в элементах
тепловой защиты космической техники».
Жур. «Тепловые процессы в технике», т.2, № 3,
с.133-144.
9.
Никитин П.В. «Некоторые аспекты теплофизической модели формирования
защитных покрытий сверхзвуковым гетерогенным потоком». Жур. «Тепловые
процессы в технике», т. 2 №7, с.308-319.
10. С.А.
Башилов, П.В. Никитин. «Метод формирования термостойких защитных
покрытий на поверхности углерод – углеродных теплозащитных материалов».
Электронный журнал «Труды МАИ». 2010, №37, с. 1-16.
11. Купрюхин
А.А., Никитин П.В., Сотник Е.В. «Экспериментальное определение
каталитических и излучательных свойств материалов тепловой защиты». Жур.
«Вестник МАИ» 2010, т.16, №6, с. 98-107.
12.Никитин
П.В. «Анализ эффективности формирования защитных покрытий
низкотемпературным газодинамическим методом» Жур. «Тепловые процессы в
технике»,2011, т.3, №2, 79-88.
13.
П.В. Никитин, А.А. Низовитин, С.А. Степаненко. «Термооптический зонд для
измерения температуры гомогенных и гетерогенных потоков». Жур.
«Современные проблемы науки и образования». № 6, часть 1, 2007 с.
127…130.
НТЦ “ИНФОРМРЕГИСТР”- № 0420700037/0144
14. Никитин П.В., Степаненко С.А., Пророков С.М.,
Смолин А.Г. « Газодинамика и тепло-массообмен при формировании
разнофункциональных покрытий низкотемпературным гетерогенным
сверхзвуковым потоком». Жур. «Современные проблемы науки и
образования». № 6, часть 2, 2007, с. 95…102.
НТЦ “ИНФОРМРЕГИСТР”- № 0420700037/0169.
15. Никитин
П.В., Пророков С.М., Степаненко С.А. «Формирование сверхзвуковых
гетерогенных потоков в микросоплах с большим удлинением». Жур.
«Современные проблемы науки и образования». № 6, часть 2, 2007 с.
89…94. “ИНФОРМРЕГИСТР”- № 0420700037/0168.
16.
Никитин П.В.
"Разрушение теплозащитных покрытий в высокотемпературных потоках".
Учебное пособие, Моск. авиац. ин-т. -М., 1993, объем 4,2 п.л.
17. Nikitin P.V. Problem issues of development Thermal Protection
Systems for Spacecraft. The
paper
of
the
First
International
Conference on Aerospace Heat Exchanger Technology, Palo Alto,
California, USA. February,1993.
18. P. Nikitin. The Thermal Protection Systems for Spacecraft. The
paper of The 6- th International Symposium on Transport Phenomena in
Thermal Engineering. Seoul, Korea, May 1993.
19.
P. Nikitin. Cold Gas Dynamic Method for Synthesis of the Composite
Materials and Multi-functional Coating with the Predicted Thermo
physical Characteristics. The Paper of the International Conference on
Fluid and Thermal Energy Conversion `94. Deposer, Bali, Indonesia,
December 1994.
20. Nikitin P.V., Andreev N.A., Paiko V.V. "Cold Gas Dynamic Method for
Synthesis of The New Composite Materials and Multi-Functional coatings
with the Predicted Thermo physical Characteristics". Report of
"Thirteenth National Heat and Mass Transfer Conference". India,
December, 1995.
21. Пайко В.В. Расчет течения сверхзвуковых двухфазных гетерогенных
потоков // Деп. в ВИНИТИ ©2259-В96, 1996.
11 с
22. Андреев Н.А., Никитин П.В., Пайко В.В., Смолин А.Г. Холодный
газодинамический метод синтеза новых многофункциональных покрытий с
предсказуемыми теплофизическими свойствами. Доклад. Международный
Аэрозольный симпозиум IAS-3. - Москва, 2-5 декабря, 1996.
23. Никитин П.В., Давыдов Н.Н., Сотник Е.В. Экспериментальное
исследование характеристик систем тепловой защиты ЛА. Учебное пособие,
Моск. авиац. ин-т. -М., 1996. 3,5 п.л
24. Nikitin P.V., Andreev N.A., Prorokov S.M., Smolin A.G. The
Properties of Myltifunction Coatings Syntheses by Cold Gas Dynamics
Method. Report of "Proceedings of The Third ISHMT/ASME Heat and Mass
Transfer Conference" and "Fourteenth National Heat and Mass Transfer
Conference". Indian Institute of Technology, Kanpur, India, December,
1997.
25.
Полежаев
Ю.В.,
Михатулин
Д.С.,
Никитин
П.В.
Моделирование
межфазного
обмена
в
гетерогенных
средах
с
целью
разработки
высокоэффективных
технологий.
Инженерно-физический журнал (ИФЖ) АН Беларуси, том 71, ©1
(январь-февраль) -Минск, 1998. с.19-29
Реквизиты для контактной связи:
E-mail:
petrunecha@mtu-net.ru,
тел/факс (495)945 72 47, (499) 158 49 30.
Проф. Никитин Петр Васильевич.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРОВАННЫХ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЯМИ
Руководитель направления академик
Рыжов Ю.А.
Руководитель группы профессор Шкарбан И.И.
Работы по взаимодействию ускоренных потоками ионов с поверхностью
проводятся с 1970 г. по настоящее время. В качестве источников ионов
используются, как газоразрядные источники, так и плазменные ускорители
Холовского типа. Энергии ионов варьируются в интервале Е=0:10 КЭВ. При
работе с Холовскими источниками энергия ионов потока плазмы - Е=80:400
ЭВ. Как правило работы проводятся с ионами Не+; Ar+; Kr+; Xe+, однако,
возможно и использование иных ионов.
Определяются следующие
характеристики взаимодействия:
1. Коэффициенты распыления материалов:
- количество атомов материала, распыленных одним ионом. (атомный
коэффициент распыления)
- количество материала, распыленное единичным зарядом принесенным ионом
(массовый коэффициент распыления)
Коэффициенты распыления, как для проводников, так и для диэлектриков
(керамик).
2. Распределение распыленной компоненты по направлениям выхода
(пространственные распределения).
3. Потери энергии ионов при прохождении через тонкие слои твердого тела.
4. Массовый состав распыленной компоненты.
5. Исследуется осаждение распыленной компоненты на подложки при
получение тонкопленочных покрытий, в том числе при одновременном ионном
облучении для повышения адгезии.
Для проведения экспериментов имеются 3 вакуумные установки объемом 2.5
м3; 0.8м3; 0.5м3, предельный вакуум 2*10-5 Па. Все установки оснащены
азотными ловушками.
Имеется собственная станция получения жидкого азота.
За последние 5 лет проведены работы по контрактам с зарубежными фирмами
и хоздоговора с Российскими организациями на общую сумму 4.5 млн. руб.
(150000$).
Общее количество трудов, опубликованных за последние десять лет ~ 40 в
Российских и зарубежных научных изданиях.
По научной проблематике защищено 7 кандидатских диссертаций и 1
докторская.
С 1975 г. 1 раз в 2 года научный коллектив, как головная организация
проводит Международные конференции <Взаимодействию ионов с
поверхностью>, а также участвует в проведении Всесоюзной конференции по
программе Минвуза - <Транспорт>.
С нами можно связаться по почте и телефону:
Тел. 158-41-03, 158-42-77
E-mail: heat204@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ
КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПОТОКОВ С ПОВЕРХНОСТЯМИ, АЭРОДИНАМИКИ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ВРД
Научной группой:
- Проведено фундаментальное исследование влияния на теплообмен
шероховатости поверхности. Выявлена физическая модель явления,
установлены области существования различных режимов и схем течения,
объяснено нарушение связи теплообмена и трения, разработана методика
расчета теплообмена.
- Проведено исследование течения и теплообмена в отрывных зонах,
образующихся перед и за уступами. Получены данные, позволившие выяснить
характер течения, различные ре-жимы течения, области существования
режимов, и предложена методика расчета теплообмена в отрывных течениях.
- Выполнено многопараметрическое исследование возвратных течений,
возникающих в донной области ЛА (ракет-носителей «Союз», «Н-1»,
«Протон») при истечении из ДУ систем струй. Установлено влияние
плотности компоновки, величины выступания сопл, числа М струй, степени
нерасчетности на характеристики возвратного течения. Определены
параметры и характер возвратного течения, тепловое и силовое воздействие
его на поверхность. Получены данные по влиянию спутного потока на
характеристики возвратного течения, установлено наличие режимов «вялого»
вытекания. Определены области существования выявленных режимов в
зависимости от степени нерасчетности струй и числа М спутного потока.
- Исследован теплообмен и разработана методика расчета теплообмена в
кольцевых щелях люков спускаемых ЛА («Союз»), расположенных в области
градиентных течений.
- Получены данные о тепловом состоянии внутренней поверхности сопла при
аварийном отключении одного из двигателей.
- Исследованы тепловые и силовые нагрузки, возникающие при управлении
вектором тяги на внешней поверхности сопла ДУ, при натекании на нее
струи соседнего двигателя для КЛА (космического летательного аппарата)
«Буран».
- Исследовано течение, возникающее у поверхности ЛА при взаимодействии
сверхзвуковой струи с дозвуковым сносящим потоком. Получено соотношение
параметров струи и потока, при котором перед струёй возникает возвратное
течение.
- Проведено исследование взаимодействия сверхзвуковых струй САС (системы
аварийного спасения), распространяющихся в сверхзвуковом сносящем
потоке, с поверхностью КЛА («Союз»). Установлено влияние на
рассматриваемое взаимодействие, количества струй, различных углов
истечения струй, углов атаки всей системы. Выявлены закономерности
распространения отдельной сверхзвуковой струи в сверхзвуковом сносящем
потоке.
- Проведено исследование газодинамических и тепловых характеристик,
возникающих на поверхности сверхзвукового парашюта, расположенного в
сверхзвуковом турбулентном следе, образующемся за спускаемым блоком
ракеты-носителя "Энергия". Получены данные по влиянию различных факторов
на критическое расстояние между телами. Выявлено влияние формы
спускаемого тела на исследуемые характеристики.
- Исследовано силовое и тепловое воздействие возвратного течения на
конструкцию СМП (системы мягкой посадки) КЛА «Союз» и др., возникающего
при взаимодействии систем сверхзвуковых струй с посадочной поверхностью;
установлены параметры течения, реализующегося на всей поверхности СМП
КЛА «Союз», в условиях распространения сверхзвуковых струй в дозвуковом
встречном потоке.
- Получены принципиально новые данные по влиянию турбулентности внешнего
потока на характеристики ламинарного пограничного слоя в условиях
градиентного течения. Разработана физическая модель воздействия
турбулентности потока на переносные свойства ламинарного пограничного
слоя. Установлено и объяснено наличие максимума влияния на теплообмен
турбулентности потока при определенном соотношении параметров
турбулентности и толщины пограничного слоя, образующегося на
поверхности. Показано возможное трехкратное и более увеличение
теплообмена по сравнению с теоретическими данными для ламинарного
пограничного слоя. Объяснено существенное расхождение результатов
исследования, полученных различными авторами по влиянию на тепло-обмен
интенсивности и масштаба турбулентности.
- Впервые проведены фундаментальные исследования газодинамики течения и
локального тепломассопереноса в струйных системах охлаждения, вскрыты
закономерности влияния тепловых, гидродинамических и геометрических
факторов на перенос тепла в таких системах, предложены способы
управления и форсирования теплообмена в струйных системах при малых
энергетических затратах. Результаты выполненных исследований
использовались при разработке эффективных систем охлаждения и тепловой
защиты авиационных двигательных установок (МНПО «Союз», ТМКБ «Союз»), а
также используются в учебном процессе.
Исследования выполнены по заданию
ведущих предприятий авиационного и ракетно-космического комплекса и по
координационным планам Академии наук Российской Федерации.
В научной группе существовало еще одно направление: -
«Радиационно-конвективный тепло-обмен при наличии химических реакций в
высокотемпературных потоках», работы по которому начинал с.н.с. к.т.н.
В.А. Рускол вместе с с.н.с. А.А. Сапрыкиным. Позже оно выделилось в
самостоятельное руководимое проф. Г.А. Глебовым и доц. А.М. Молчановым.
Контакты и связь:
E-mail: 34285@starnet.ru
Тел: 158 43 14; 779 23 16; 123 56 07
доц. к.т.н. Солнцев Михаил Вячеславович
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОДНОФАЗНЫХ И ДВУХФАЗНЫХ
ТЕЧЕНИЯХ В КАНАЛАХ И ИХ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ
Основные научные результаты, полученные в течение последних лет, их
официальное признание как приоритетных.
1. Разработан и исследован высокоэффективный метод интенсификации
теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах и проведены работы по
внедрению этого метода в народное хозяйство. Впервые обнаруженная
закономерность опережающего роста теплоотдачи в каналах с дискретными
турбулизаторами, по сравнению с аналогичным гладким каналом относительно
роста гидравлического сопротивления была в 1981 гг. зарегистрирована
Госкомизобретений СССР в качестве научного открытия (диплом N242). Были
предложены защищенные 30 авторскими свидетельствами и 6 патентами новые
конструкции теплообменных труб и теплообменных аппаратов, отработана
технология их производства и изготовления, подготовлены нормативные
материалы.
Применение разработанного метода позволило в 1.5 ... 2 раза уменьшить
поверхность теплообмена для аппаратов с однофазными теплоносителями, а
также при кипении и конденсации теплоносителей, в 3... 5 раз уменьшить
солеотложение в аппаратах. Высокая эффективность метода, технологичность
и улучшенные эксплуатационные характеристики позволили успешно внедрить
и апробировать его в различных областях техники.
В течение последних лет были продолжены исследования высокоэффективного
метода интенсификации теплообмена, предложенного научной школой.
Сущность метода сводится к следующему. На наружной поверхности труб
накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки. При
этом на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с
плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток
в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и
внутри труб. Проведенные экспериментальные исследования и теоретический
анализ структуры турбулентных течений в каналах и отрывной зоне как
источнике увеличения турбулентности в потоке позволили обнаружить
признанную в качестве научного открытия неизвестную ранее закономерность
изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией
потока при вынужденной конвекции, заключающуюся в том, что в
определенном диапазоне размеров и расположении турбулизаторов рост
теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления по сравнению с
аналогичным гладким каналом. Использование данного метода интенсификации
теплообмена позволяет в 1.5-2 раза уменьшить объем теплообменного
аппарата при неизменных значениях тепловой мощности и мощности на
прокачку теплоносителей.
Продолжались исследования новых, более плавно очерченных форм
турбулизаторов. Было выявлено существование зависимости гидравлического
сопротивления от форм турбулизаторов.
Завершены испытания промышленных теплообменных аппаратов с
разработанными конструкциями теплообменных труб. Были испытаны три
модели теплообменников. Первый теплообменник состоял из 129 труб с
кольцевыми турбулизаторами, обтекание трубного пучка -
продольно-поперечное. Второй и третий теплообменники имели одинаковую
конструкцию - кожухотрубчатые аппараты с продольным смыванием
межтрубного пространства и состояли из 91 витой трубы или витой трубы с
поперечными турбулизаторами.
Применение труб с кольцевыми турбулизаторами позволило увеличить
коэффициент теплоотдачи до 1.62 раза, причем чем больше, тем больше
отношения коэффициентов теплоотдачи снаружи и внутри труб.
Применение витых труб позволило увеличить коэффициент теплоотдачи по
сравнению с аппаратом, состоящим из круглых труб, в 1.5 - 1.85 раза,
причем тем больше, чем меньше отношение коэффициентов теплоотдачи в
межтрубном пространстве и внутри труб. Применение витых труб с
поперечными турбулизаторами позволило увеличить коэффициент теплоотдачи
до 2.5 - 2.6 раза независимо от отношения коэффициентов теплоотдачи в
межтрубном пространстве и внутри труб. Разработана методика определения
коэффициентов теплоотдачи в межтрубном пространстве и внутри труб на
основе экспериментального определения коэффициентов теплопередачи в ходе
испытаний теплообменных аппаратов. По разработанной методике определены
коэффициенты теплоотдачи для вышеупомянутых теплообменников, причем
впервые для межтрубного пространства продольно-поперечно омываемых
пучков труб с кольцевыми турбулизаторами, для течения жидкости внутри
витых труб с поперечными турбулизаторами и для продольно омываемых
пучков из этих труб.
Разработан достаточно простой метод сравнения эффективности
теплообменников с применением интенсификации теплообмена. Сравниваемые
аппараты должны иметь одинаковый принцип конструкции аппаратов,
геометрические формы и определяющие размеры поверхностей теплообмена.
При этом сравниваются поверхности теплообмена или объемы аппаратов при
одинаковых тепловых мощностях и мощностях на прокачку теплоносителей. С
помощью разработанного метода была проанализирована эффективность
различных методов интенсификации теплообмена в каналах (турбулизаторы,
закрутка потока, лунки и т.д.). Полученные зависимости для кольцевых
турбулизаторов, ленточных вставок, шнековых вставок и других методов
позволяют сравнительно легко определить увеличение коэффициентов
теплоотдачи и гидравлического сопротивления по сравнению с каналами без турбулизаторов при постоянном расходе теплоносителя, и,
следовательно, определить эффективность интенсификации теплообмена. Были
проанализированы и обобщены опытные данные МАИ и других авторов по
влиянию солеотложении на эффективность интенсификации теплообмена в
каналах с турбулизаторами. Полученные зависимости позволяют проводить
практические расчеты термического сопротивления слоя солеотложении в
широком диапазоне изменения параметров в трубчатых теплообменных
аппаратах.
Впервые проведено экспериментальное исследование интенсификации
теплообмена при конденсации пара из паровоздушных смесей на вертикальных
трубах с кольцевыми канавками. Исследовалась конденсация паров бензина.
Получено увеличение теплоотдачи до 1.9 раза при конденсации водяного
пара и до 1.7 раза при конденсации паров бензина при содержании воздуха
6%. Полученная интенсификация теплообмена за счет турбулизаторов может
превысить падание теплоотдачи за счет присутствия воздуха при
вышеупомянутом его содержании.
2. Исследования нестационарного теплообмена и турбулентной структуры
потока при течении газов и жидкостей в каналах (трубы, плоские каналы,
плотно упакованные пучки витых труб). В результате этих исследований
нестационарного теплообмена удалось выявить и объяснить ранее
неизвестный механизм воздействия тепловых нестационарных граничных
условий на стенке канала и гидродинамической нестационарности на
структуру турбулентного потока и теплообмен жидкостей и газов. Это
позволило разработать новые инженерные методы расчета нестационарных и
аварийных режимов двигателей и энергетических установок, теплообменных
аппаратов, трубопроводов.
В течение последних лет исследовалась нестационарная турбулентная
структура потока при течении газов в каналах. Выполнены эксперименты,
анализ и обобщения опытных данных по структуре турбулентного потока в
трубе в условиях гидродинамической нестационарности в изотермических и
неизотермических условиях. Получены профили осредненных осевой скорости,
пульсаций осевой и радиальной скоростей, и их корреляций в
неизотермических условиях при ускорении и замедлении потока.
Экспериментально установлено влияние гидродинамической нестационарности
на структуру турбулентного потока. Обнаружено, что при ускорении потока
осевая скорость, осевые и радиальные пульсации, их корреляция радиальных
пульсаций и пульсаций температуры в пристенной зоне больше, чем в
квазистационарных условиях, а при замедлении меньше. Установлено, что
зона максимальных изменений турбулентных параметров сосредоточена на
расстояниях 0.02 - 0.3 радиусов от стенки. Получены обобщающие
зависимости для полей скоростей, осевых и радиальных пульсаций, их
корреляции, турбулентной вязкости в нестационарных процессах.
На основе проведенных экспериментов проведены расчеты нестационарного
коэффициента теплоотдачи при ускорении и замедлении потока. Показано,
что отличие нестационарного коэффициента теплоотдачи от
квазистационарного значения определяется параметром гидродинамической
нестационарности, зависящей от скорости изменения расхода газа. Получен
новый параметр гидродинамической нестационарности, позволяющий обобщить
опытные и расчетные данные для различных каналов. Введение этого
безразмерного параметра гидродинамической нестационарности позволило
предложить расчетную зависимость для нестационарного коэффициента
теплоотдачи, справедливую в широком диапазоне изменения режимных
параметров.
3. Исследования процессов гидродинамики и тепломассопереноса в
двухфазных потоках. В результате этих исследований разработаны
теоретические и экспериментальные методы исследования структуры
двухфазных потоков и их взаимодействия с поверхностями, физических
процессов при взаимодействии фаз, процессов гидродинамики и
тепломассопереноса в двухфазных потоках. Создан комплекс
экспериментальных стендов, позволяющий воспроизводить и исследовать
разнообразные двухфазные процессы в широких диапазонах изменения
режимных параметров. Разработаны и внедрены новые методы диагностики
двухфазных потоков, изменения температур, давлений, концентраций,
размеров и скоростей жидких частиц, тепловых потоков. Выполнены
фундаментальные исследования структуры потока и теплообмена при
свободном и вынужденном течении в условиях пленочного, переходного и
пузырькового кипения криогенных жидкостей, предложены эффективные методы
интенсификации теплообмена, выполнены исследования теплообмена в баках
при их заправке и сливе топлива, а также в условиях их длительного
хранения. В результате созданы экспериментально и теоретически
обоснованные инженерные методы расчета турбулентных двухфазных потоков и
их взаимодействия с различными поверхностями, процессов взаимодействия
фаз, процессов захолаживания криогенных систем, методы расчета
нестационарных процессов в системах, использующих двухфазные потоки.
В течение последних лет выполнено исследование процессов теплообмена при
натекании струи жидкого азота на плоскую поверхность. Рассматривалась
задача взаимодействия струи жидкого азота, истекающей из струйной
форсунки диаметром 4 мм с плоской поверхностью образца, изготовленного
из нержавеющей стали. Перед экспериментом образец разогревался до
температуры 4000 С. Разработана методика экспериментального
исследования, которая позволяла производить: визуальные исследования
процессов взаимодействия струи азота с поверхностью образца; определение
температуры теплоотдающей поверхности образца и плотности теплового
потока в процессе нестационарного охлаждения. Программа опытов
предполагает определить влияние диаметра струи, скорость натекания струи
и угла натекания струи на коэффициенты теплоотдачи. Выполнены
предварительные эксперименты для стального образца и струи диаметром 4
мм. Полученные результаты показывают существенную интенсификацию
теплообмена (до 7 раз) по сравнению с кипением в большом объеме.
Выполнены исследования различных режимов пленочного кипения в
вертикальных трубах. Впервые обнаружено существование автомодельного
относительно теплового потока стержневого режима.
Проведенные исследования позволили предложить новый метод
криоконсервирования. крови. Внедрение этого метода в здравоохранение и
изготовление соответствующего оборудования позволит обеспечить
консервацию крови без дополнительных присадок (криофилактиков) и создать
банки крови (в том числе и крови редких групп, а также индивидуальных
банков крови), обеспечивающие ее сохранность в течение многих лет, и
коренным образом решить эту острую для медицины проблему. Имеются
положительные заключения ведущих медицинских центров на это предложение.
Однако для проведения необходимых клинических испытаний необходимы
средства, значительно превышающие финансирование исследовательской
группы.
4. Приоритетность выполненных в последние годы исследований. Выявленные
в результате последних исследований более эффективные формы
турбулизаторов позволили существенно повысить эффективность трубчатых
теплообменников. Новые турбулизаторы плавной конфигурации расширили
область опережающего роста теплоотдачи по сравнению с ростом
гидравлического сопротивления.
Проведенные испытания промышленных образцов теплообменных аппаратов с
применением разработанного в МАИ метода интенсификации теплообмена
подтвердили высокую эффективность метода. Полученные в ходе испытаний
новые данные по коэффициентам теплоотдачи в пучках труб с кольцевыми
турбулизаторами, внутри витых труб с поперечными турбулизаторами и для
продольно омываемых пучках витых труб с поперечными турбулизаторами
позволили проводить надежные расчеты высокоэффективных трубчатых
теплообменных аппаратах. Особо высокоэффективной является предложенная в
МАИ новая конструкция теплообменного аппарата, состоящего из
плотноупакованного пучка витых труб с турбулизаторами. Этот аппарат
обеспечивает увеличение теплопередачи до 2.5 - 2.6 раза при произвольных
соотношениях между коэффициентами теплоотдачи снаружи и внутри труб.
Разработанная методика оценки эффективности интенсификации теплообмена и
проведенные расчеты позволили ответить на интересующий специалистов
вопрос: как при одинаковом расходе и прочих равных условиях размещение
тех или иных турбулизаторов увеличит гидравлическое сопротивление и
тепловой поток? Показано, что при развитом турбулентном течении закрутка
потока и использование лунок на поверхности ("смерчевой" эффект) менее
эффективны, чем кольцевые турбулизаторы, причем разница между, закруткой
и турбулизаторами возрастает с ростом числа Рейнольдса. Полученные
впервые на основе собственных экспериментов обобщающие зависимости для
расчетов термического сопротивления слоя солеотложении позволяют
определить изменение во времени эффективности реально работающих
теплообменных аппаратов. Поскольку солеотложения снаружи и внутри труб с
турбулизаторами значительно меньше, чем в гладких трубах, то это
позволяет при использовании таких труб обеспечить устойчивую работу
теплообменных аппаратов без специальных мероприятий по очистке
поверхностей.
Впервые получены экспериментальные данные и обобщающие зависимости для
интенсификации теплообмена при конденсации паров из паровоздушных
смесей. Даже при содержании воздуха в паровоздушной смеси до 6%
интенсификация теплообмена превышает снижение теплоотдачи при
конденсации за счет наличия воздуха.
Исследование турбулентной структуры потока газа в трубе в нестационарных
и неизотермических условиях выполнены впервые. Было показано, что в
нестационарных условиях структура турбулентного потока существенно
отличается от квазистационарной и зависит от степени гидродинамической
нестационарности, числа Рейнольдса и расстояния от стенки канала.
Проведенные исследования нестационарных турбулентных течений в
определенной степени расширяют имеющиеся представления о природе
турбулентности и позволили получить экспериментальные обоснованные
зависимости для нестационарного теплообмена в каналах, необходимые для
проведения практических расчетов нестационарных тепловых процессов.
Впервые проведены исследования по взаимодействию струи жидкого азота с
плоской нагретой поверхностью. Проведенные эксперименты показали
существенное увеличение теплоотдачи (до 7 раз) по сравнению с
традиционными методами охлаждения поверхности. Обнаружено влияние
скорости натекания на температуры кризисов кипения. Обнаруженные
закономерности процессов теплообмена позволяют прогнозировать
использование полученных результатов при разработке эффективных
технологических процессов.
Полученные результаты неоднократно докладывались на российских и
международных конференциях и признаны широким кругом отечественных и
зарубежных специалистов.
Большинство проведенных научно-педагогической группой исследований,
выполнявшихся применительно к проблемам авиационной и
ракетно-космической техники, носят фундаментальный характер и
использовались или могут использоваться для других областей народного
хозяйства.
Разработанный метод интенсификации теплообмена и конструкции
высокоэффективных теплообменных аппаратов внедрены в различных областях
народного хозяйства (химическая промышленность, пищевая промышленность,
системы теплоснабжения и т.д.) и могут с успехом использоваться и в
других областях техники.
Разработан метод криоконсервации крови, который может коренным образом
решить эту актуальную для здравоохранения проблему. Разработан метод
криогенного измельчения твердых частиц и соответствующая конструкция
криогенного измельчителя который может использоваться в химической
промышленности.
Важнейшие публикации (монографии, учебники, статьи и т. п. )
За время существований коллектива опубликовано свыше 300 статей в
отечественных и международных журналах, в сборниках научных статей,
опубликовано 22 монографии (8 из которых были переведены в США),
получено 40 авторских свидетельств и 6 патентов. Результаты деятельности
коллектива докладывались на многих международных и отечественных научных
конференциях (число этих конференций более 100). Членами коллектива
написан 1 учебник, более 10 учебных пособий.
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ)
ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В настоящее
время механическая (или электрическая) энергия в тепловых машинах (или
энергетических установках) получается за счет преобразования теплоты
сгорания различных углеводородных топлив. В конце процесса
преобразования энергий продукты сгорания выбрасываются в атмосферу,
загрязняя окружающую среду. Для того, чтобы исключить загрязнение среды
и сделать энергетические установке экологически чистыми необходимо
применять низко-потенциальное тепло окружающей среды (или солнечный
нагрев). Это можно сделать, используя в установках многоконтурные
термодинамические циклы с разнородными чистыми газами (см. приложение
/1,2,3,4). Газы раздельно в контурах адиабатически сжимаются, к ним
подводится теплота окружающей среды, а затем смешиваются в газовом
эжекторе с образованием газовых смесей с необходимыми теплофизическими
свойствами и термодинамическими параметрами. После эжектора смеси
расширяются с получением положительной работы, и потом разделяются не
первоначальные компоненты. Таким образом, газы в предлагаемой установке
попеременно то смешиваются после сжатия и подвода тепла, то разделяются,
и процесс повторяется снова. То есть, в предлагаемой энергетической
установке нет продуктов сгорания, загрязняющих атмосферу, а нагрев газов
производится за счет низкопотенциального тепла окружающей атмосферы (или
солнечного нагрева).
Проведенные исследования и предварительные расчеты показали, что в
качестве рабочих тел в данной установке могут быть использованы
следующие газы: водород + аргон, водород + азот, гелий + СО2, азот +
аргон и др. Необходимо, чтобы газы отличались по своим теплофизическим
свойствам и, в то же время, имели достаточно высокие значения
теплоемкостей для получения нужного количества тепла из окружающей среды
и, соответственно, положительной работы.
Для осуществления данной установки необходимо иметь два компрессора,
приводимых во вращение турбинами для сжатия газов, газовый эжектор для
их смешения, турбину для расширения газов и получения работы и
устройство для разделения газов.
Начальные условия работы установки требуют низких температур, порядка
Т=100К, что может быть обеспечено предварительным охлаждением рабочих
газов с последующим поддержанием этой низкой температуры.
На кафедрах факультета двигателей ЛА Московского авиационного института
данная установка может быть осуществлена в короткие сроки при наличии
достаточного финансирования для закупки некоторого недостающего
оборудования и оплаты некоторых работ. На первом этапе финансирование
будет распространяться только на закупку оборудования приборов и отладку
опытного образца установки.
Внедрение данного метода преобразования теплоты в механическую (или
электрическую) энергию позволит перейти от сжигания углеводородных
топлив, запасы которых, как известно, на Земле заканчиваются, к
использованию неисчерпаемых запасов тепла окружающей атмосферы и
гидросферы за счет нагрева её Солнцем.
Данный способ может быть использован не только в энергетике, но и на
транспорте, а также в космической технике для получения энергии на борту
ЛА.
Публикации по теме:
1. Н.Н. Иноземцев Способ преобразования тепловой энергии в механическую
(электрическую). Патент РФ © 2164607 от 19.06.2000.
2. Н.Н. Иноземцев А.А. Сергиенко В.В. Семенов Газовый эжектор со
сверхзвуковым диффузором. Патент РФ © 2162167 от 24.05.2000.
3. Иноземцев Н.Н. "Многоконтурный термодинамический цикл со смешением
разнородных рабочих тел в эжекторе и последующим их разделением. Журнал
"Тяжелое машиностроение" М, © 10, 2001.
4. Иноземцев Н.Н. Замкнутый многоконтурный термодинамический цикл для
получения энергии на борту космического ЛА. Журнал "Фундаментальные и
прикладные проблемы космонавтики", М, © 4, 2001. |
