Борьба за повышение КПД, как мы знаем, процесс непрерывный. Вопрос этот актуален не только для современного двигателестроения, но и для энергетических систем, даже тех, где используется такое «прозаическое» топливо, как уголь.
Раньше, особенно в советские годы, у нас в стране по этому поводу особо не переживали. Страна у нас ресурсами богатая, угля полным-полно. Поэтому дополнительной экономией или экологией сильно себя не озадачивали. Однако с определенных пор мы стали равняться на европейцев, которые привыкли считать каждую копейку, да к тому же уделять повышенное внимание экологии. Потому и нам теперь приходится серьезно озадачиваться тем, чтобы уголек сжигать более эффективно, более полно, экономя ресурсы и щадя окружающую среду. Ведь чем лучше, чем полнее сгорает топливо, тем меньше выбросов в атмосферу, меньше сажи и копоти. Для этого, естественно, необходимо усовершенствовать конструкцию топок, отработать режимы работы. Короче говоря, необходимо выводить отечественные энергетические системы на мировой уровень. В наши дни делать это с помощью рацпредложений башковитых эксплуатационщиков уже никак не получится. Масштаб задач более серьезный. К усовершенствованию топочных устройств необходимо подключать фундаментальную науку, оснащенную, что называется, по последнему слову техники.
Проблема в том, что процессы, происходящие в самой топке, еще мало изучены. Исследователям, грубо говоря, не удавалось туда «залезть» и сделать какие-то нужные измерения.
Шутка ли: в вихревой топке современной теплоэлектростанции температура держится на уровне 1600 градусов С. Попробуй чего-нибудь там измерить! Можно, конечно, сделать уменьшенную модель. Но опять же – как посмотреть, что происходит там внутри? Например, посмотреть, как движется поток газов, с какой скоростью, как он распределяется, где образуются завихрения, возвратные течения, застойные области.
Причем, нужно не только посмотреть, но все измерить и посчитать, составить точную математическую модель, и уже опираясь на нее, сделать необходимые вычисления для новой, улучшенной конструкции топки. Короче говоря, сделать все четко «по-научному».
Такой работой, как нами уже сообщалось ранее, занимаются в Институте теплофизики СО РАН. В свое время процессы, происходящие в топочных котлах, ученые научились моделировать в жидкой среде, для чего была сконструирована специальная установка – уменьшенная копия реального котла действующей ТЭЦ (о чем мы в одной из статей рассказывали подробно). Надо сказать, что это была достаточно оригинальная находка. По крайней мере, с помощью такой установки можно было своими глазами увидеть (благодаря прозрачным стенкам) «физику» данного процесса. В воде образовывался вихревой «жгутик», который как раз моделировал вихревое ядро потока раскаленных газов. Потом это можно было спроецировать на реальную топку. Почему ученые прибегли к такой модели? Потому что, как мы уже отметили, работать с раскаленными газами не очень-то удобно. Вода оказалась предпочтительнее, главным образом – с точки зрения визуализации процесса.
Однако прогресс происходит и в области самих методик исследования. Два года назад в Институте появился новейший экспериментальный стенд для исследования аэродинамики и процесса смешения в моделях вихревых топочных устройств. Этот стенд представляет собой полностью автоматизированную систему, оснащенную всеми необходимыми для исследований измерительными приборами. Собственно, именно благодаря новейшим измерительным приборам, куда входят лазерная доплеровская измерительная система ЛАД-056 и PIV-система «Полис», оснащенные специализированным программным обеспечением, разработанные в самом Институте), ученые получили возможность не прибегать здесь к таким «хитростям», как использование воды для моделирования процесса. Здесь они имеют дело с газом. Не с раскаленным, конечно же. Процесс исследуют, используя сжатый воздух и дым на основе глицерина (это так называемый «засеянный трассерами поток»).
Ключевое слово здесь – аэродинамика. Как пояснил старший научный сотрудник лаборатории радиационного теплообмена Игорь Ануфриев, «аэродинамика определяет весь процесс сжигания в любых топочных устройствах». Как раз с помощью такой установки, опираясь на точные измерения, можно делать выводы о качестве организации аэродинамики. Параллельно создается математическая модель для численных расчетов, которые сопоставляются с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований. Опираясь на эту проверенную модель, можно рассчитывать конкретный топочный процесс и применять подобные расчеты в целях усовершенствования конструкций существующих топок.
В данном случае речь идет о вихревой топке Николая Голованова, конструкцию которой специалисты лаборатории радиационного теплообмена Института Теплофизики пытаются усовершенствовать, используя указанный стенд с моделью данной топки. Сама топка, по словам Игоря Ануфриева, имеет целый ряд преимуществ. Например, малые габариты, сжигание топлива в вихревом потоке с горизонтальной осью, что повышает полноту сгорания. Однако есть много важных нюансов в организации самой аэродинамики, которую необходимо тщательно исследовать, чтобы довести конструкцию до совершенства. В частности, имеет место «прилипание» струи к одной из стенок, имеются застойные области, возвратные течения. Исследование этих процессов с помощью новейшего оборудования призвано устранить все эти недостатки.
Отметим, что таких возможностей еще не было в те годы, когда вихревая топка Голованова разрабатывалась. И только теперь, с появлением новейших методик исследования, наши специалисты могут вывести данную разработку на новый уровень. А откровенно говоря – на мировой уровень. Ведь технологии исследования адекватны технологиям самих разработок. Тем-то, собственно, ученые и отличаются от кустарей и простых рационализаторов.
Причем немаловажно то, что эти исследования на стенде проводятся в рамках научно-образовательной деятельности НОЦ "Энергетика", созданного ИТ СО РАН и НГУ. И самое интересное, что здесь много молодых людей. Так, на стенде работают магистранты физфака, один из которых – Евгений Шадрин – является в 2013-14 учебном году лауреатом стипендии им. академика С.С. Кутателадзе, учрежденной ученым советом Института для студентов за успехи в учебе и достижения в научно-исследовательской работе. Так собственно, в работе с новейшим оборудованием, формируется молодая смена наших ученых.
Олег Носков
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии