Получение редких газов
В конце 1980-х начале 1990-х проводились работы по созданию новых эффективных технологий производства редких газов: Kr, Xe, Ne высокой чистоты, которые получают все большую востребованность на рынке криопродуктов. Первым заведующим отделом 3.1 д.т.н. В. Л. Бондаренко (ныне заведующий кафедры Э4) были разработаны принципиально новые методы получения холода и оригинальные коммерческие установки для получения чистого Ne. Эти работы велись совместно с Одесской Государственной академией холода. Другим выпускником кафедры д.т.н. М. Ю. Савиновым была развита технология получения чистых Kr и Xe, которая коммерчески реализована в компании ООО"АКЕЛА-Н". Впервые в мировой практике удалось осуществить одностадийный процесс полного разделения криптоноксеноновой смеси.
д.т.н. И.А. Архаров, д.т.н. А.М. Архаров и д.т.н. В.Л. Бондаренко на конференции в г. Сидней, Австралия
В 2013 г. коллективу под руководством д.т.н., проф. Архарова А. М. за разработку и внедрение высокоэффективного технологического оборудования для производства сверхчистых газов была присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники.
Разработка волновых криогенераторов
С середины 1980-х годов под руководством д.т.н. проф. А. М. Архарова проводились НИОКР по совершенствованию способов безмашинной генерации холода. Например, коллективом, включающим в качестве ответственного исполнителя, тогда работающего в качестве с.н.с. В. Л. Бондаренко, а также м.н.с.: А. А. Голубева, П. В. Городнова, В. В. Плужника, М. Ю. Савинова, Н. П. Лосякова, В. И. Липы проводилась НИР «Исследование волновых криогенераторов». Научно-исследовательская работа была посвящена изучению процесса волнового расширения газа. Цель работы — создание безмашинных газодинамических аппаратов для получения холода — генераторов с резонансной трубкой и параболоидного типов. Были проведены исследования акустических и тепловых характеристик процесса волнового расширения воздуха и гелия в криогенераторе в области комнатных и гелиевых температур. Создан стенд для исследования криогенераторов с резонансной трубкой — при гелиевых температурах. Была приведена методика расчета параболоидных криогенераторов. Были проведены исследования волнового криогенератора с резонансной трубкой на гелии в диапазоне температуры входа газа 300.10 К и получен КПД 10%, а также результаты теоретического и экспериментального исследования волнового криогенератора параболлоидного типа на воздухе в диапазоне температуры входа газа 283.273К и получен адиабатный КПД 15%. Использование волновых криогенераторов возможно в системах криостатирования и охлаждения воздуха и гелия.
В дальнейшем в рамках НИР «Создание и исследование роторных волновых генераторов и разработка на их основе эффективных криогенных циклов для ожижения природного газа» была реализована конструкция и выполнено полное исследование волнового криогенератора, анализ эффективности которого также проведён с использованием метода энтропийно-статистического анализа. Анализировались применение и рабочие режимы волновых криогенераторов в процессах и схемах, связанных с обработкой и ожижением природного газа с учётом изменения его состава. Также с точки зрения возможностей совершенствования технологий получения жидкого природного газа рассматриваются новые типы эффективной и технологичной теплообменной аппаратуры, которая может быть предложена для включения в состав установок ожижения природного газа для повышения эффективности теплообменных процессов.
В 2014—2015 гг. под руководством д.т.н., проф. Архарова А. М. в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности проводилась НИР «Оптимизация затрат электроэнергии при генерации холода в низкотемпературных системах и установках за счёт использования волновых процессов расширения газа». Было проведено выполнение поисковых исследований в направлении использования волновых процессов для осуществления холодопроизводящего процесса расширения газа. Подана заявка на полезную модель «Роторный волновой криогенератор».
Также была проведена НИР «Термодинамические исследования перспективных технологий генерации холода с использованием экологически безопасных рабочих веществ» в рамках грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации. В работе рассмотрены принципы формирования и оптимизации состава смесевого хладагента, осуществлено моделирование проведён анализ результатов моделирования основных рабочих процессов ожижительных циклов на смесях хладагентов, приведен пример расчета и оптимизации цикла ожижения природного газа на смесевом хладагенте. Были обобщены существующие рекомендации по разработке сложных смесевых хладагентов и предложена обобщенная методика подбора состава рабочей смеси. В рамках предложенной методики можно выделить два основных этапа: первый — качественный подбор компонентов, второй — теоретическая оптимизация качественного состава и определение количественного состава смесевого хладагента. Предложен метод и проведены с его применением расчеты термодинамических свойств смесевого многокомпонентного хладагента.
Исследования магнитного охлаждения
В отделе проводились исследования, связанные с изучением применения магнитокалорического эффекта. Например, под руководством д.т.н., проф. А. М. Архарова была проведена НИР «Исследование теплофизических свойств рабочих тел магнитокалорических рефрижераторов».
Ответственным исполнителем был А. М. Троицкий. Объектом данной научно-исследовательской работы являлись перспективные твердые рабочие тела магнитокалорических криогенераторов — редкоземельные соединения со структурой граната. Цель — анализ методов построения диаграммы состояния, на основании которого предлагается и реализуется наименее трудоемкий и достаточно точный метод, использующий экспериментальные данные по магнитокалорическому эффекту и намагниченности. Описан экспериментальный стенд исследования магнитокалорического эффекта в магнитном моле 0.7 Тл при температурах 2…300 К. областью применения полученных результатов является проектирование и создание систем криостатирования объектов при температурах жидкого гелия и ниже.
Разработка снегогенераторов
В конце 80-хх — начале 90-хх годов коллективом сотрудников отдела ЭМ 3.1 и научно-технического кооператива «Мысль», среди которых А. В. Мурашкин, Н. В. Поликарпов, И. В. Семенов, А. В. Толмачев, Н. А. Чернобровкина, В. В. Лубенец, В. В. Шишов был проведен ряд работ по разработке снегогенераторов (снежных пушек и ружей) различных конструкций. Способ генерирования снега в данных аппаратах состоял в разделении воздуха в вихревой трубе на поток охлажденного воздуха и поток нагретого воздуха с последующим распылением воды в потоке охлаждающего воздуха при помощи пневматической форсунки.
Испытания снегогенератора
Вариант конструкции снегогенератора
Пример характеристик рабочего режима снегогенератора:
- производительность по снегу 2.0 м3/час
- плотность снег 320 кг/м3
- расход сжатого воздуха 3,5 нм3/мин
- расход воды 640 л/час
- давление сжатого воздуха 6 ати
- давление воды 0,5 ати
- температура подаваемой воды 3°С
- температура окружающей среды минус 5°С
- граничная температура окружающей среды для начала снегообразования минус 2°С
Искусственная керамическая лыжня для трамплинов
В первой половине 1990-х годов вышеописанным коллективом были проведены работы по созданию искусственной керамической лыжни для трамплинов. Данная лыжня предлагалась для использования в летнее время для тренировок спортсменов. Сепаратор выполнялся из пластмассы, что позволило существенно снизить хрупкость и повысить прочность лыжни. Скольская поверхность была образована вкладышами, изготовленными из керамики, что дает возможность получить низких коэффициент трения о лыжню и требуемую скорость разгона. Кроме того, вкладыши были выполнены съемными, что существенно упростило эксплуатацию люжни, поскольку при необходимости позволяло производить замену не целой секции, а вышедших из строя отдельных элементов. Искусственная лыжня была установлена на 75-метровом трамплине в Вускатти, Финляндия, в июне 1991 года, а три дня спустя на ней прошли международные соревнования.
Элемент лыжни (1 – фарфоровые вкладыши, 2 – сепаратор, 3 – алюминиевый профиль, 4 – демпфирующий элемент, 5 – виброизоляционная прокладка)
Разработка автономного малотоннажного автомобильного рефрижератора с пропановой холодильной установкой
Компоновочная схема первого варианта авторефрижератора
В 1996 г. при участии В. В. Лубенца был разработан автономный малотоннажный автомобильный рефрижератор с пропановой холодильной установкой, принцип действия которой заключается в использовании дроссель-эффекта газа в разомкнутом цикле с целью получения полезного холода в термокузове рефрижератора. По сравнению с обычными рефрижераторами он имеет ряд преимуществ: полное отсутствие внешнего энергопотребления, полная утилизация сжиженного газа (и моторное топливо, и источник хладоснабжения); экологическая чистота (не используются хлорфторуглеводороды, снижается содержание вредных и токсичных веществ в выхлопных газах автомашины), простота конструкции, небольшая масса и габаритные размеры, низкая стоимость комплектующих, простота и дешевизна эксплуатации (не требуется высококвалифицированного обслуживающего персонала), высокая надежность в эксплуатации в сложных дорожных условиях: вибрации, повышенной запыленности воздуха; отсутствие источников шума и электромагнитных полей, что необходимо в технике военного вооружения. В отличие от парокомпрессионных транспортных установок в ПХУ нет необходимости в постоянной дозаправке хладагентом, компенсируя утечки в процессе эксплуатации. Созданные опытные образцы, прошедшие испытания, были предназначены для перевозки малых партий скоропортящихся продуктов, лекарственных средств, медико-биологических объектов и других грузов, требующих охлаждения при транспортных перевозках.
Разработка пульсационного кондиционера
В 1997 г. под руководством с.н.с., к.т.н. Полторауса В. Б. была разработана пульсационная холодильная установка, предназначенная для поддержания нормальных температурных условий в замкнутых помещениях в качестве системы кондиционирования, а также охлаждения и термостатирования отдельных объектов. Области применения: в целях объемного кондиционирования в условиях, когда эксплуатация традиционных парокомпрессионных систем затруднена по причинам высокой температуры окружающей среды. Эксплуатационные преимущества пульсационной холодильной установки: предельная простота конструкции; отсутствие подвижных элементов в холодной зоне; малая потребляемая мощность; большой ресурс работы (не менее 20000 часов); простота в эксплуатации и обслуживании; экологическая чистота.
Технические характеристики:
- Холодопроизводительность, максимальная, кВт 10
- Потребляемая электрическая мощность, не более, кВт 0.5
- Давление сжатого воздуха на входе, не менее, МПа 0,3
- Расход воздуха, максимальный, кг/сек 0,2
- Температурный эффект охлаждения (адиабатный КПД) 0,5…0,6
В рамках работ для АО «Северсталь» была разработана система охлаждения прокатного двигателя, выполненная по разомкнутой схеме, с использованием в качестве генератора холодного воздуха — пульсационной трубки. Принцип действия пульсационной трубки заключается в периодическом наполнении ее объема газом высокого давления и мгновенном опорожнении трубки до низкого давления. В результате выхлопа из постоянного объема происходит понижение температуры выходящего воздуха. При этом работа расширения газа отводится в окружающую среду непосредственно в виде теплоты, без преобразований одного вида энергии в другой. При степени расширения 2−4 адиабатный КПД пульсационной трубки составляет 0,6…0,72 в зависимости от режима работы.
Разработка высокочастотных СВЧ-систем для диагностики двухфазных криогенных потоков.
В 90-е годы ХХ века проводились разработки высокочастотных СВЧ-систем для диагностики двухфазных криогенных потоков в авиакосмической технике (А.А. Жердев, И. А. Архаров, А. Г. Гречко, В. В, Шишов, О. А. Алентьева, В. Ю. Шадрина, В. А. Матвеев и др.). Были построены экспериментальные стенды и получена новая, весьма ценная и практическом смысле информация.
Криовзрывная технология переработки старых автомобильных покрышек
По инициативе к.т.н. А. А. Набока, продвигавшего идею о применении энергии взрыва для измельчения автомобильных покрышек, обратившегося к В. Ю. Шадриной, была отработана криовзрывная технология переработки старых автомобильных покрышек.
Первоначально автомобильные покрышки без предварительной подготовки взрывали на полигоне в п. Орево, но получаемые фрагменты имели большие размеры и не могли использоваться в дальнейшем. Далее было предложено предварительно замораживать их в жидком азоте. В МКБ Факел была построена уменьшенная модель взрывоциркулятора и отработана технология измельчения покрышек. Была достигнута достаточная фракционность, однако процесс был экономически неэффективен.
Для совершенствования технологии А. А. Набок обратился на кафедру Э-4 и отдел ЭМ 3.1. В. Ю. Шадрина предложила для охлаждения использовать холод воздушных турбохолодильных машин. В лаборатории кафедры был построен стенд, на котором в результате испытаний была установлена оптимальная температура заморозки, время выдержки и другие параметры теплообмена.
В 2006 г. для дальнейшей отработки технологии взрывоциркуляционного измельчения покрышек был построен экспериментальный завод в г. Радужный Владимирской области. В настоящий момент идет поиск инвесторов для строительства последующих заводов, с новой конструкцией взрывоциркулятора, специально спроектированными под эту задачу холодильными машинами. Скорее всего, завод будет строиться в Европе.
Изготовление и испытания опытного образца авторефрижератора, использующего диметиловый эфир (ДМЭ) в качестве моторного топлива и хладагента
В 2002—2005 гг. коллективом сотрудников отделов 3.1 и ЭМ 2.1 — д.т.н. Жердевым А. А., к.т.н Глуховым С. Д., д.т.н. Греховым Л. В., д.т.н. Иващенко Н. А. была проведена НИОКР «Изготовление и испытания опытного образца авторефрижератора на базе автомобиля „Бычок“, использующего диметиловый эфир (ДМЭ) в качестве моторного топлива и хладагента».
В рамках работ создана и испытана система питания для дизельных авторефрижераторов, в которых ДМЭ используется и как экологически чистое топливо, и как хладагент.
Предлагаемая концепция переоборудования топливоподающей аппаратуры автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» под использование диметилового эфира, базировалась на использовании смесевого топлива ДМЭ + дизельное топливо. Доля ДМЭ с данной смеси составляет от 10 до 50%, в зависимости от режима работы двигателя. Для получения смесевого топлива была разработана система с применением клапанов регулирования начального давления, которые установлены на выходном штуцере штатного топливного насоса высокого давления.
Применение концепции улучшения экологических показателей эксплуатируемых в настоящее время дизелей, работающих на смесевом топливе позволяет: снизить шумность работы, улучшить процесс пуска, уменьшить выбросы NOx за счёт более высокого цетанового числа; снизить дымность отработавших газов за счёт высокого содержания кислорода в ДМЭ и улучшения процесса распыливания смесевого топлива, содержащего легкокипящий компонент; сохранить высокое давление и малую продолжительность впрыскивания, малый расход ДМЭ, а также сохранить базовую топливную аппаратуру и простоту перехода на чистое ДТ за счёт использования ДТ как традиционного компонента смесевого топлива; сохранить низкую стоимость автомобиля и возможность быстрого обновления находящихся в эксплуатации автомобилей за счёт недорогой модернизации топливной аппаратуры.
Достоинства системы питания смесевым топливом: снижение дымности отработавших газов в 3 и более раз; снижение расходов на переоборудование топливной системы в сравнении с другими способами подачи ДМЭ; возможность обслуживания и ремонта автомобиля в обычных помещениях; увеличенный запас хода; живучесть автотранспортного средства; стабильность в условиях эксплуатации; возможность переоборудования находящихся в эксплуатации автомобилей; наибольшая относительная эффективность использования ДМЭ при его малом содержании в смеси, оптимум комплекса экономических и экологических показателей двигателя автомобиля; сохранение ресурса топливной аппаратуры; нет проблемы остановки и запуска двигателя; ненужность вентиляции картера ТНВД; ненужность дорогих импортных присадок.
Особенности системы МГТУ: насос высокого давления работает в чистом дизельном топливе; ДМЭ поступает в линию высокого давления через узел импульсной подачи; изменяемый состав смесевого топлива (содержание ДМЭ от 0% до 100%); комбинация узлов двигательной и холодильной установок.
ДМЭ как хладагент: экологичен: потенциал озоноразрушения ODP=0, потенциал глобального потепления GWP=0; увеличение холодопроизводительности в существующих установках на 15−20% по сравнению с гидрофторуглеродами (R134a и др.); образуя с аммиаком азеотропную смесь, позволяет снизить на 50% количество аммиака, применяемого на хладокомбинатах. Испытания показали стабильный выход установки на штатный режим, что свидетельствует о возможности замены R134а диметиловым эфиром без существенной доработки холодильной установки. Успешно проведённые стендовые испытания компрессора холодильной машины авторефрижератора показали: совместимость ДМЭ с минеральными маслами, что ведёт к снижению эксплуатационных расходов по сравнению с широко применяемыми сегодня гидрофторуглеродами (R134a и др.); увеличение холодопроизводительности компрессора, что ведёт к снижению мощности, необходимой на привод компрессора, а следовательно снижению расхода топлива авторефрижератором.
В ходе работ был создан и испытан авторефрижератор на базе автомобиля ЗИЛ «Бычок» с использованием топлива-смеси «соляр — диметиловый эфир» с холодильной машиной на хладагенте диметиловом эфире (ДМЭ). Была экспериментально исследована работа ДМЭ как хладагента холодильной машины при температурах охлаждения: -25 ⁰С…+25⁰С. Эффективность работы выше, чем на хладагентах R12 и R134a. Во время испытаний в городских условиях расход смесевого топлива составил 13 л на 100 км пути, что ниже базового расхода (14,78 л). Проведены испытания авторефрижератора на полигоне ФГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров), которые показали соответствие работы двигателя и холодильной машины авторефрижератора ЗИЛ «Бычок» требованиям ГОСТ.
В 2004 году под руководством д.т.н., проф. А. А. Жердева для ГУП ВНИИХТ была проведена НИР «Оценка эффективности использования в холодильном оборудовании в качестве хладагента озонобезопасной азеотропной смеси диметилового эфира с аммиаком». Азеотропная смесь «аммиак-диметиловый эфир» получила неофициальный номер R723. В работе рассмотрены фазовое равновесие данной смеси, термодинамические свойства, параметры и эффективность холодильных циклов на новом агенте, а также результаты первых испытаний установок на хладоне — смеси «NH3-ДМЭ». Рассмотрены вопросы растворимости масла и хладагента, а также совместимости агента с конструкционными материалами. Из проделанной работы видно, что R723 может быть использован в качестве хладагента как во вновь создаваемых системах, так и в существующих системах аммиачного хладоснабжения.
Исследования и разработки в области криомедицины
На кафедре Э4, начиная с 1974 года, вслед за работами академика АН СССР А. И. Шальникова по инициативе академика АН СССР Г. А. Николаева и проф. В. И. Лощилова начали создавать разнообразнейшие криохирургические инструменты, каждый раз совершенствуя их в соответствии с задачами, поставленными медицинскими работниками. Кафедра сотрудничала с известнейшими профессорами и академиками медицины: И. И. Канделем, М. И. Перельманом, Л. М. Гудовским, В. И. Петровым, В. В. Шафрановым, В. Г. Гнилорыбовым и др. Разработки кафедры в этой области были основой для дальнейшего развития криомедицины в СССР и России. Исследования и ОКР в различных областях криомедицины, длившиеся более 30 лет, были отмечены премией города Москвы и государственной премией за 2002 г. Руководитель этой работы д.т.н. проф. А. М. Архаров при участии д.т.н. проф. Д. И. Цыганова, д.т.н. проф. В. А. Матвеева, В. Н. Митрохина, В. И. Соленова, В. Н. Рождествина, д.м.н. проф. А. Н. Буториной и проф. А. Н. Никитина. Коллектив реализовал уникальные возможности крио-СВЧ-техники, информатики и технологии приборостроения, широко использовали созданную ими новую аппаратуру в детской хирургии при лечении гемангиом. Всего за годы использования крио-СВЧ-техники было выполнено более полумиллиона такого рода оперативных вмешательств. Применение данной технологии позволило разработать альтернативные методы лечения тяжелых и сложных заболеваний у новорожденных, и детей раннего возраста, которые позволяют с успехом лечить детей, ранее подвергавшихся тяжелым и многоэтапным операциям.
В 2005—2006 гг. для ЗАО «СКБ ЭО при ГНЦ РФ ИМБП РАН» под руководством д.т.н., проф. А. А. Жердева была проведена НИОКР «Разработка конструкторской документации, изготовление и испытания макетных образцов систем рекуперации энергии химических реакций регенерации кислорода и поглощения углекислого газа». В рамках работы была разработана конструкторская документация и изготовлены макетные образцы систем охлаждения термоэлектрических модулей аппаратов рекуперации энергии химических реакций регенерации кислорода и поглощения углекислого газа. Опытный образец предназначен для проведения исследований по поддержанию состава газовой среды гермообъекта в соответствии с ГОСТ Р-50804−95 в условиях дефицита электроэнергии или отказа бортовой системы электропитания гермообъекта. Экспериментальным путем были получены оптимальные соотношения производимой электрической мощности в зависимости от входной нагрузки и перепада температур на горячем и холодном спаях термоэлектрических модулей. По результатам испытаний были даны рекомендации по усовершенствованию макетного образца и режимам работы генератора.
В 2007 г. под руководством к.т.н. С. А. Дашкова была проведена НИР «Совершенствование оборудования для криотерапии», посвященная вопросам развития технологии общего аэрокриотерапевтического воздействия.
В 2008—2009 гг. под руководством д.т.н., проф. Архарова А. М. была проведена НИР «Исследование новых методов консервации генетических биоресурсов с использованием комбинированного криорадиационного воздействия». Объектом исследований являлись споровые формы бактерий Bacillus cereus, штамм IP 5832. Эффективность воздействия криогенных температур — 196⁰С вызывает гибель только 15 — 20% от их начальной концентрации, которая составляла 103 — 104 КОЕ/см2. В рамках работы показано, что указанный уровень выживаемости споровых форм исследуемой культуры не зависит от степени ее охлаждения в диапазоне от 0 до -196⁰С. Определены режимы комбинированного воздействия высокоинтенсивного ультрафиолетового излучения и холода на зараженные спорами бактерии (вирусы, споры грибов, бактерии при обработке холодом инактивируются с эффективностью 99 — 100%) при обработке живых систем. Обработка импульсным излучением должна проводиться в диапазоне бактерицидных доз 30 — 200 мДж/см2, которые не вызывают деструкцию живых тканей.
В 2013—2015 гг. коллективом молодых специалистов под руководством д.т.н., проф. А. А. Жердева и д.т.н., проф. Д. И. Цыганова проводились работы по гранту РФФИ «Моделирование гипотермического охлаждения тканей внутренних органов при роботических операциях». В рамках работ предложена и рассчитана Малоинвазивная полостная газовая гипотермия — оригинальная схема обеспечения процесса охлаждения при проведении полостных робот-ассистированных операций, осуществляющаяся путем подачи охлажденного газа для создания пневмоперетониума. Разработана методика расчета криовоздействий, включающая компьютерную программу численного моделирования процесса локального криовоздействия на биоткань с учетом групп органов. С ее использованием решена сопряженная задача теплообмена, учитывающая конвективный теплообмен, учет поступления теплоты в локальную область за счет кровотока и метаболизма, анизотропию свойств биотканей. С учетом связи процесса криовоздействия с обеспечивающим его криомедицинским оборудованием разработана и использована методика анализа результатов расчета обеспечения заданного дозирования криовоздействия.
Исследование процессов и разработка систем косвенно-испарительного охлаждения
В 2010—2012 гг. в рамках программы Минобрнауки Р. Ф. «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 — 2013 годы» под научным руководством к.т.н. Гаранова С. А., к.т.н. Жарова А. А. была проведена НИР «Новые энергосберегающие холодильные установки и тепловые насосы систем кондиционирования воздуха, реализующие комбинированные хладоновые, воздушные и водоиспарительные циклы». Целью работы была разработка систем кондиционирования воздуха (СКВ), отвечающих современным и перспективным требованиям энергоэффективности, экологической безопасности и малой стоимости жизненного цикла в области холодильных установок и тепловых насосов, реализующих комбинированные хладоновые, воздушные и водоиспарительные циклы. В ходе работы получены новые решения в области высокоэффективных систем кондиционирования воздуха. На основе патентных источников и научных публикаций — перспективные схемы СКВ, реализующие комбинированные хладоновые, воздушные и водоиспарительные циклы; разработаны методики расчета новых схем СКВ, а также рекомендации по проектированию перспективных СКВ и условиям их применения; созданы экспериментальные образцы комбинированных СКВ с воздушным, водоиспарительным циклами. Разработана и исследована комбинированная испарительная водо-воздушная СКВ для железнодорожного транспорта с открытым воздушным циклом пониженного давления во вспомогательном контуре, использующим испарительное охлаждение. Система обеспечивает комфортные условия в кондиционируемом объеме в широком диапазоне изменений климатических параметров воздуха окружающей среды без верхнего ограничения по температуре и с относительной влажностью до 100%. Комбинированная СКВ с воздушными и водоиспарительным циклом, предназначенная для железнодорожного транспорта, имеет энергетическую эффективность 1,7 … 3,4 при температуре окружающей среды 32⁰С. В сухих коммерческих условиях снижение энергопотребления доходит до 61%.
Исследования процессов теплообмена
В 2006 — 2008 гг. д.т.н. проф. Архаровым А. М., Дилевской Е. В., д.т.н. Шевичем Ю. А. проводилась НИР «Фундаментальное исследование процессов теплообмена и гидродинамики в микротеплообменниках нового поколения для криогенных систем».
В 2010 г. под руководством д.т.н. Ю. А. Шевича была проведена НИР «Исследование теплообмена в трехканальном матричном теплообменнике при сверхкритическом давлении теплоносителя». Объектом исследования являлся испаритель криогенного топлива (КТ) и матричный теплообменник (МТ), анализ расчётно-теоретических исследований в трубчатом испарителе КТ и экспериментальное исследование с докритическим и сверхкритическим давлением теплоносителя при криогенных температурах. Экспериментально исследован теплообмен при докритическом и сверхкритическом давлении воздуха в модели сварного МТ с развитой поверхностью теплообмена при температурах выше и ниже транспонированной (критической). В 2011 г. работы были продолжены в рамках НИР «Исследование особенностей теплообмена в низкотемпературном теплообменнике при состоянии теплоносителя с параметрами вблизи критической точки».
Энтропийно-статистический анализ криогенных систем
В 2010—2011 гг. под руководством д.т.н., проф. Архарова А. М. была проведена НИР «Энтропийно-статистический анализ существующих отечественных систем ожижения природного газа (СПГ)». Объектом исследования являлись установки сжиженного природного газа малой производительности. Проведен термодинамический анализ установок малой производительности, созданных в последнее время, для ожижения природного газа, работающих в Москве, Санкт-Петербурге и Екатеринбурге. Далее работы продолжились в 2012 г. в рамках НИР «Развитие энтропийно статистического анализа низкотемпературных систем с целью определения путей уменьшения энергозатрат при генерации тепла и холода, и создание безмашинных методов генерации холода, и создание безмашинных методов генерации холода, в том числе для сжижения природного газа». В данной работе произведен расчет циклов ожижительных установок природного газа, существующей в г. Екатеринбурге на ГРС — 4 и разрабатываемой, а также энтропийно — статистический анализ обеих установок. Объектом исследования являлась применимость нового метода энтропийно-статистического анализа как к классическим холодильным циклам, так и циклам с одновременной генерацией теплоты и холода, а также к так называемым интегрированным циклам. Цель работы состояла в подтверждении корректности нового метода оценки термодинамической эффективности отдельных агрегатов энергетических систем, вырабатывающих тепло и холод, и целесообразности использования этого метода для оптимизации существующих и проектирования новых экономичных тепловых установок в широком температурном диапазоне как источников используемого природного и отбросного тепла, так и заданной температуры охлаждения и термостатирования объекта. В 2014 году под авторством д.т.н., проф. Архарова А. М. была выпущена монография «Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем».
Исследования сверхпроводников
Под руководством к.т.н., доцента Колосова М. А. в 2011—2012 были проведены НИР «Разработка принципов работы и экспериментально-теоретическое исследование измерительных элементов высокотемпературных сверхпроводников для криогенных жидкостей», «Экспериментально — теоретическое исследование криожидкостных измерительных элементов на ВТСП». В рамках работ проведено экспериментально-теоретическое исследование линейного композитного проводника (серебряной матрицы-провода с нано-проводниками из высокотемпературного сверхпроводника внутри), в качестве измерительного элемента линейного датчика уровня криогенной жидкости (жидкого азота) в сосуде Дьюара. Методом численного моделирования в работе исследовались физико-математические модели терморезистивного датчика уровня криогенных жидкостей, выполненного с использованием композитного материала ВТСП-серебро. Полученные данные свидетельствуют о сложности и противоречивости процессов в этих элементах. Были разработаны физически обоснованные специальные конструкции этих измерительных элементов с повышенной чувствительностью к измеряемому параметру.
Под руководством д. ф-м.н., профессора Романовского В. Р. в 2012—2014 проводились работы по гранту РФФИ «Физические особенности тепловой стабилизации высокотемпературных сверхпроводников». В рамках проекта были сформулированы предельные условия стабильности токов, вводимых в сверхпроводящую ленту на основе иттрия (Y123) с серебряным и медным покрытиями, в зависимости от их толщины, индукции внешнего магнитного поля и условий охлаждения. Были исследованы закономерности процессов, происходящих при необратимом распространении нормальной зоны, и детально изучено явление пережога сверхпроводящей ленты на основе Y123. В целом, результаты данного этапа проекта расширили рамки существующей теории тепловой стабилизации, так как позволили доказать стабильность таких токовых режимов, которые принципиально не могут быть исследованы с помощью методов, используемых в существующей теории. Полученные результаты опубликованы в изданиях, которые являются ведущими в освещении проблем прикладной сверхпроводимости и получили признание зарубежных коллег.
Сотрудничество с ЦИАМ им. П.И. Баранова
В 2012—2014 году под руководством д.т.н., проф. Жердева А. А. для нужд Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ им. П.И. Баранова) проводились НИР «Расчетные исследования и обоснование выбора оборудования с целью оптимизации технологического процесса охлаждения и осушки воздуха», «Проектно-конструкторская проработка контура охлаждения и осушки воздуха в обеспечение создания новой холодильной установки на экологически безопасных хладагентах и хладоносителях». Объектом исследования являлось расчетное обоснование схемы установки холодильно-осушительной станции для обеспечения охлаждения воздуха с расходом 90 кг/с, осушенного до температуры точки росы минус 60 ˚С и расчетное обоснование схемы малой холодильной установки для обеспечения охлаждения воздуха с расходом 10 кг/с, осушенного также до температуры точки росы минус 60 ˚С. Холодильно-осушительная станция предназначена для подготовки холодного осушенного воздуха, используемого при проведении испытаний на стендах высотной установки. Существующая станция состояла из нескольких холодильных установок, каждая из которых обеспечивает охлаждение воздуха до -35°С при расходе 45 кг/с. В качестве хладагентов каскадной парокомпрессионной холодильной установки холодильно-осушительной станции предлагается использовать R23 на нижнем каскаде и R125 на верхнем. Для малой холодильной установки предлагалось использовать воздушный холодильный цикл на охлаждаемом воздухе с использованием двух турбодетандеров. В итоге был выполнен эскизный проект перспективной холодильной установки.
Разработка оборудования для АПГ и СПГ
Работы по хранению природного газа в сжиженном, газообразном и адсорбированном состоянии в МГТУ проводятся с 80-гг XX века. В 1998—1999 гг. была успешно проведена НИР «Разработка взрывобезопасной адсорбционной газотопливной системы для автотранспорта (АГТС)».
За последние 5 лет под руководством д.т.н., проф. Жердева А. А. проходило выполнения ряда работ по данной тематике. В рамках Федеральной целевой программы Минобрнауки Р. Ф. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007−2013 годы» в 2011—2012 гг. была проведена НИР «Разработка технических основ и создание энергосберегающей адсорбционной системы питания автомобилей природным газом (метаном) для эксплуатации в условиях города». Целью работы являлась разработка научно-технических решений для создания адсорбционной системы питания автомобилей природным газом, обеспечивающей улучшение экологических показателей за счет снижения вредных выбросов при работе двигателей.
Конструктивно адсорбционная система представляет собой ряд цилиндрических адсорберов, объединенных в единую рампу, и элементы арматуры, которые позволяют изменять и регулировать давления и потоки в различных частях системы. Адсорбционная система питания автомобилей природным газом (метаном) состоит из элементов, производство которых не требует введения новых технологий за исключением разработанной в рамках данной НИР технологии изготовления адсорбента, что существенно упрощает потенциальное производство данных систем. В большинстве своем технологические характеристики близки к характеристикам существующих систем сжатого газа. Основное отличие заключается в разработанном адсорбенте, которым заполняются данные системы. Технология изготовления данного адсорбента отличается как исходным сырьем адсорбента, так и методикой упрочнения данного адсорбента, которая обеспечивает повышение механической прочности активного угля на 11% без снижения адсорбционных и кинетических показателей и получение активного угля в различных состояниях (исполнениях): спеченный моноблок, поверхностно-упрочненный гранулят, самоформирующаяся композиция «адсорбент-полимер».
Система имеет следующие технико-эксплуатационные показатели:
- объем баллона-адсорбера — 65 литров;
- масса баллона (без адсорбента) — 28 кг;
- масса баллона с адсорбентом АУК — 93 кг;
- интервал рабочих давлений 0,11 до 7 МПа;
- интервал рабочих температур: от минус 30 до плюс 35оС;
- максимальное удельное количество запасаемого метана: 200 м3(н.т.д.)/м3;
- интервал рабочих температур арматуры подачи метана к потребителю: от минус 30 до 35оС;
- рабочее давление арматуры подачи метана к потребителю — до 0,1 МПа.
Результаты НИР применимы как для создания транспортных топливных систем (причем не только для грузового транспорта и автобусов, но и для легкового транспорта), так и для обеспечения населения газом в районах, в которых отсутствует газопроводная сеть. Также возможно аккумулирование природного газа (метана) в качестве стационарных хранилищ для покрытия пиковых нагрузок. Был получен патент на полезную модель «Газобаллонная система для двигателей внутреннего сгорания». Авторы: Жердев А. А., Смирнов И. А., Стриженов Е. М., Фомкин А. А..
В рамках Федеральной целевой программы Минобрнауки Р. Ф. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы» в 2014—2016 гг. было проведено ПНИ «Разработка и исследование адсорбционной системы аккумулирования природного газа с повышенной пожаровзрывобезопасностью и энергоэффективностью». Целью работы являлась разработка и изготовление экспериментального образца адсорбционной системы аккумулирования природного газа (метана), питающего двигатель внутреннего сгорания и обеспечивающего энергосбережение за счет использования многоступенчатой заправки и повышенную пожаровзрывобезопасность за счет наполнения пористым материалом и использования низкотемпературной заправки пониженного давления. В ходе проведения работ были разработаны необходимые для проведения исследований экспериментальные стенды: для исследования адсорбционных и кинетических характеристик адсорбентов; для осуществления заправки и выдачи газа на потребитель (двигатель); для исследования циклических процессов заправки/выдачи газа из адсорбционной системы аккумулирования. Изготовлен экспериментальный образец адсорбционной системы аккумулирования природного газа (метана). Конструкция разработанного экспериментального образца универсальна для исследования различных адсорбентов, а также обладает всей необходимой запорной и регулирующей арматурой и содержит ряд датчиков температуры для сбора полной «тепловой картины» внутри адсорбера.
Были проведены исследования по уплотнению адсорбента в рассыпном и формованном состоянии. Удалось поднять плотность упаковки исследованного адсорбента с 0,45 до 0,71 г/см3. Проведены исследования по пылению адсорбента, и установлены необходимые закономерности в приготовлении сорбента для уменьшения и практически исключения пыления (для защиты двигателя). Были проведены исследовательские испытания экспериментального образца адсорбционной системы аккумулирования природного газа (метана) на газозаправочном стенде с применением охлаждения, а также циклические испытания адсорбционной системы аккумулирования природного газа (метана). Полученные результаты по уплотнению сорбента соответствуют мировому уровню. Разработанные технические решения, воплощенные в разработанных стендах и экспериментальном образце, опережают мировой уровень в области адсорбционного аккумулирования природного газа.
В итоге проведенных работ был получен патент на полезную модель «Адсорбционный аккумулятор природного газа». Разрабатываемые адсорбционные системы аккумулирования могут применяться в качестве топливных систем хранения автомобилей, работающих на природном газе. Разработанный экспериментальный образец и соответствующие ему стенды позволяют перейти к созданию пожаровзрывобезопасных газотопливных систем на транспорте, а также к созданию энергосберегающих (до 70−90% экономии энергии по сравнению с АГНКС) заправочных станций, соответственно более дешевых и экономичных, а также более пожаровзрывобезопасных вследствие пониженного давления. Могут быть созданы заправочные станции, не использующие компрессор природного газа и работающие при давлении в городской сети.
В рамках Федеральной целевой программы Минобрнауки Р. Ф. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы» в 2015—2017 гг. в сотрудничестве с РХТУ им. Д. И. Менделева, МИФИ было проведено ПНИЭР «Разработка отечественной технологии сжижения природного газа, основанной на применении смесевого холодильного цикла». В ходе работ были проведены разработка методик расчёта и оптимизации характеристик СПГ-установок с холодильной машиной, работающей по смесевому циклу; модернизация смесевого холодильного цикла с целью повышения его эффективности и возможности применения отечественного оборудования; разработка системы автоматизации и программного обеспечения для СПГ-установки; разработка и изготовление экспериментальной СПГ-установки (производительностью не менее 100 кг/час) и стенда для проведения исследовательских испытаний экспериментальной СПГ-установки.
