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 FWNS-2021-0001 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. Проведены экспериментальные исследования факельного горения каменного угля при различных стехиометрических соотношениях топливо/воздух (коэффициент избытка воздуха), получены режимные характеристики устойчивого факельного горения с плазменным инициированием процесса воспламенения в вихревом горелочном устройстве. При увеличении коэффициента избытка воздуха наблюдается уменьшение скорости прогрева камеры сгорания и унос факела. Проведено экспериментальное исследование влияния добавления наночастиц металлов на процесс горения жидких углеводородов в прямоточном горелочном устройстве с регулируемой подачей первичного воздуха. А именно, на примере сжигания дизельного топлива с добавлением наночастиц алюминия и оксида алюминия (Al + Al2O3), проведено измерение температуры пламени, газовый анализ промежуточных и конечных продуктов сгорания. Получены данные о влиянии наночастиц алюминия на экологические показатели горения жидких углеводородов в распылительном горелочном устройстве. Показано, что добавление частиц в исследованном диапазоне режимов не приводит к значительным изменениям характеристик сжигания. Была разработана модель и решена численно задача СВЧ-обогрева обледеневшего дорожного покрытия, с учетом образования слоя воды. Была дана оценка следующих параметров: минимальная мощность СВЧ-излучения, необходимая для эффективного таяния льда при заданной толщине слоя; время, требуемое для полного таяния льда, в зависимости от его начальной температуры, толщины и свойств материалов. На основе разработанной модели и полученной с ее помощью результаты позволят в дальнейшем проанализировать влияние изменений температуры и материала (лед, вода) на поглощение СВЧ-излучения, а также дать оценку эффективности различных материалов для асфальтовых покрытий в зимний период и их поведение при воздействии СВЧ-излучения. С целью снижения экологически вредных выбросов NOx при энергетическом использовании угля разработана математическая модель физико-химических процессов при высокотемпературной термоподготовке пылеугольного топлива и в процессе его дожигания в камерах сгорания. Модель термоподготовки основана на моделировании процесса газификации угольного топлива в процессе бескислородного нагрева с образованием газа содержащего Н2, СН4, СО, СО2, Н2О и полукокса. Модель дожигания описывает процесс горения получившегося газа и полукокса в камере сгорания. Проведено тестирование и выполнена адаптация математических моделей термоподготовки и дожигания получившихся после термоподготовки горючих газов и угольного полукокса на базе данных экспериментальных работ, выполненных в ВТИ. Результаты моделирования хорошо соответствуют данным эксперимента, как по тепловым параметрам, так и по газовому составу. Разработанная модель может использоваться для расчетной оптимизации горелочных устройств и топочных камер для сжигания пылеугольного топлива прошедшего термоподготовку. Разработана расчетная модель десорбера на сбросных дымовых газах после ГТУ и ГПУ. Модель будет использована для составления расчётных зависимостей и математической модели при разработке опытно-промышленного десорбера на дымовых газах для отечественных АБТТ. Произведён расчёт цикла АБТТ повышающего типа при утилизации тепла низкотемпературных сбросных источников, в качестве которых могут быть использованы дымовые газы с температурой от 80 °С до 100 °С. Расчёты произведены для двух абсорбентов – LiBr и LiCl. Результаты расчётов показали сопоставимые энергетические эффективности при работе на двух абсорбентах. В процессе работы проводились 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. 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. Исследована возможность активного управления нестационарным вихревым явлением с помощью аксиальных и радиальных струй. 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. Изучена структура модифицированного управлением течения за рабочим колесом модели гидротурбины Френсиса.