Развитие фундаментальных основ перспективных энергоэффективных и экологически чистых технологий для широкого класса приложений, включая энергетику, биоинженерию и химическую промышленность

Настоящий отчет содержит описание основных результатов, полученных в рамках Проекта Ф 1, III.18.2.1 Цель исследования – развитие фундаментальных основ создания перспективных энергоэффективных и экологически чистых технологий, включая: - получение новых фундаментальных знаний о процессе горения и газификации углеродосодержащих топлив в потоке газа различной реакционной способности с добавлением водяного пара и наночастиц активных металлов, с использованием технологий плазменной и механохимической активации; - научное обоснование новых методов диагностики и управления процессами тепломассопереноса переноса в энергетических системах; - совершенствование методов экспериментального и численного моделирования нестационарных процессов в элементах энергетического оборудования, относящихся к задачам тепло-, гидро- и ветроэнергетики. Разработана математическая модель и проведено 3D моделирование процессов аэродинамики, тепломассопереноса и горения пылеугольного топлива в топочной камере котле Е500 при использовании ВУТ вместо рядового топлива в качестве востановителя при трехступенчатой схеме сжигания. Для описания физико-химических процессов в топке использовалась модель движения многокомпонентной газовой среды (несущей фазы) с применением RANS модели турбулентности, модель сложного радиационно-конвективного теплообмена, модель движения частиц (капель ВУТ или частиц угля), процессов с ними, испарение/сушка, пиролиз, горение коксового остатка - на основе подхода Лагранжа, модель горения углеводородов в газовой фазе на основе гибридной модели, сочетающей механизмы химического реагирования и турбулентного обмена, модель образования NOx. Расчетный анализ показал, что при использовании ВУТ вместо рядового угля в восстановительной ступени снижение выбросов NOx достигает 45%. Анализ тепловых характеристик и динамики выгорания топлива показал, что в топке происходит интенсивное перемешивание в восстановительной и окислительной ступенях, быстрое догорание топлива, практически в 4 раза снижается механический недожег угля. Как локальные, так и интегральные тепловые характеристики для реконструируемой топки с трехступенчатой схемой сжигания на основе ВУТ не уступают существующему варианту котла. Проведено экспериментальное исследование влияния добавления наночастиц металлов на процесс горения жидких углеводородов в прямоточном горелочном устройстве с подачей водяного пара в зону горения. А именно, на примере сжигания дизельного топлива с добавлением наночастиц алюминия и оксида алюминия (Al + Al2O3), проведен газовый анализ промежуточных продуктов сгорания. Получены данные о влиянии наночастиц алюминия на экологические показатели горения жидких углеводородов в распылительном горелочном устройстве. Показано, что добавление частиц приводит к более низким показателям по содержанию оксидов азота в продуктах сгорания по сравнению с горением чистого топлива. Разработан алгоритм расчета цикла АБТТ с трехступенчатой десорбцией и двухступенчатой абсорбцией абсорбента. Определены достижимые значения теплового коэффициента АБТТ при охлаждении дутьевого воздуха на входе в компрессор ПГУ-ВЦГ и отводе тепла от АБТТ с помощью АВО. Расчётные значения коэффициента составляют от 0,89 до 0,92, что сопоставимо с показателями энергетической эффективности промышленных АБТТ. Разработан алгоритм расчёта цикла АБТН повышающего типа. Проведены расчёты цикла АБТН при нагреве жидкости и утилизации тепла геотермальной воды с температурой от 40 до 45 °С. Значения показателя энергетической эффективности АБТН – коэффициента трансформации составляют от 0,46 до 0,47, при максимально возможном для этого вида АБТН – 0,5. Расчеты показывают, что данный АБТН способен нагревать жидкость до температуры от 55 до 63 ° и может быть использован в автономных системах отопления и ГВС. Проведено детальное исследование структуры течения в газовихревом биореакторе в конфигурации с плавающей шайбой при различных параметрах закрутки потока. Определены закономерности вихревого движения модельной среды в зависимости от ее объема, вязкости и интенсивности вращения активатора. Показано, что при вращении активатора под шайбой возникает центробежная меридиональная циркуляция аналогично случаю двух вращающихся жидкостей, вблизи оси биореактора формируется восходящая закрученная струя. Показано, что при увеличении частоты вращения активатора возможны рабочие режимы, при которых формируется пузыревидный распада вихря с замкнутой зоной возвратного течения на оси реактора. Установлено, что, несмотря сложную конфигурацию стабилизирующего поток устройства – свободно плавающей шайбы, наблюдаемая вихревая структура и ее динамика при увеличении интенсивности закрутки потока совпадает со структурой ограниченного вихревого потока в цилиндрическом контейнере как одножидкостных, так и двухжидкостных систем, но развитие распада вихря происходит при существенно меньших числах Рейнольдса, по сравнению с использованием вращающегося торца цилиндра в качестве вихрегенератора. Способы активного управления вихревыми структурами, возникающих в гидротурбинах, с целью снижения их негативных воздействий на гидроагрегаты являются наиболее перспективными и отличаются от пассивных тем, что активное управление можно подстраивать под конкретный режим работы гидротурбины и под имеющиеся амплитудно-частотные характеристики вихревых явлений. Набольшее распространение получило активное управление вихревыми структурами с помощью подачи аксиальной струи воды постоянного расхода через центр тела обтекания рабочего колеса. Исследована возможность активного управления нестационарным вихревым явлением с помощью аксиальных и радиальных струй. Изучена структура модифицированного управлением течения за рабочим колесом модели гидротурбины Френсиса. Исследование проведено относительно режима частичной нагрузки гидротурбины Френсиса, в котором формируются крупномасштабные вихревые структуры, вызывая высокий уровень пульсаций давления. Проведены экспериментальные исследования лабораторной плазменной электропечи, экспериментальные исследования газификации органических отходов в плазменной электропечи. Полученные данные могут быть использованы для последующего развития эффективных и экологически чистых технологий газификации органических отходов. На основе полученных ранее асимптотических решений задачи плавления диэлектрика конечной толщины под воздействием СВЧ-излучения проведен параметрический анализ для системы лёд-вода с целью повышения энергоэффективности процесса СВЧ-обработки снежно-ледяной массы. Было определено влияние толщины слоя, падающей мощности и частоты излучения на КПД процесса. Также рассмотрены различные импульсные режимы обработки и их влияние на энергоэффективность процесса.