ЭНЕРГЕТИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

 

3.1. Внедрение в энергетику парогазовых установок (ПГУ) нового поколения

(ИВТ РАН)

Проведены работы по научному обеспечению внедрения в энергетику парогазовых установок (ПГУ) нового поколения и комплексному энергохимическому использованию природного газа.

В рамках данного направления были выполнены следующие работы:

а) осуществлялось научное сопровождение монтажа опытно-промышленной установки с впрыском пара МЭС-60: уточнение технологических и схемных решений, анализ и повышение параметров и характеристик отдельных узлов, оптимизация и выбор типа оборудования. Завершены испытания компрессора теплонасосной установки (ТНУ) на водяном паре в условиях вакуума до 2 кПа (совместно с ФГУП ММПП «Салют» и ТЭЦ-28). Проанализированы результаты испытаний и выпущен научный отчет. Выявлено, что для достижения максимальной степени сжатия и должного КПД необходимы специальные исследования и отработка программы управления положением направляющих аппаратов хвостовой части компрессора.

б) выработана оригинальная принципиальная технологическая схема и выполнен оптимизационный термодинамический анализ комплексного энергохимического использования природного газа на базе парогазовых установок с одновременным производством энергии и синтетического жидкого топлива (метанола).

 

3.2. Концепция создания полностью автономных энергоустановок

(ИВТ РАН)

Разработана концепция создания полностью автономных энергоустановок, использующих в качестве первичных источников солнечную и/или ветровую энергию, включающая математическую модель автономных энергоустановок, которая позволяет оптимизировать их состав и конфигурацию в зависимости от климатических условий эксплуатации и особенностей потребителя, а также разработан стенд для отработки и испытаний эффективных систем аккумулирования электроэнергии с помощью современных электрохимических аккумуляторов и суперконденсаторов. Автономные источники энергоснабжения являются остро востребованными для различных потребителей, расположенных как в удаленных районах вне систем централизованного энергоснабжения, так и подключенных к ним. Целью выполненных исследований и разработок являлось изучение возможности создания энергоустановок мощностью от сотен Вт до нескольких десятков кВт для полностью автономного энергоснабжения разных потребителей (станции мониторинга, телекоммуникационные системы, автономные источники питания систем охранной сигнализации, связи, аварийного освещения и т.п. гражданских объектов) с использованием повсеместно доступных солнечной и ветровой энергии. Для этого была разработана оригинальная математическая модель энергоустановок, обеспечивающая адекватное моделирование работы фотоэлектрических преобразователей, ветроустановок и их комбинации в различных климатических условиях. Модель реализована в среде динамического моделирования TRNSYS, используемой ведущими зарубежными научными центрами для моделирования систем энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии.

 

3.3. Биологический утилизатор отходов с использованием солнечной энергии и аккумуляторов тепла

(ОНИПЦ ИВТ РАН, ИВТ РАН, МГУИЭ)

Разработан, создан и исследован модульный экспериментальный макетный образец нового поколения универсального высокоэффективного реактора для биологической утилизации твердых и жидких токсичных промышленных и сельскохозяйственных отходов с использованием солнечной энергии и аккумуляторов тепла на фазопереходных материалах.

Созданы методика организации процесса и технология биологической утилизации применительно к разработанному универсальному реактору. Отработана новая технология и методика уничтожения пестицидов и гербицидов в процессе анаэробного сбраживания.

Разработана технология по фотокаталитической детоксикации органических соединений.

Разработан тепловой аккумулятор тепла на фазопереходных материалах применительно к биогазовым установкам.

 

3.4. Экспериментальные исследования процессов импульсно-частотного стримерного разряда

(ИТЭС ОИВТ РАН)

Проведены экспериментальные исследования процессов развития импульсно-частотного катодо-направленного стримерного разряда в воздушном потоке, создаваемом в реакторной камере коаксиальной конструкции

Исследования проводились при расходах воздуха в диапазоне 0,5–3 м³/час и соответствующих скоростях потока 0,15–1 м/с. Разряд генерировался в коаксиальной электродной системе с локальным усилением электрического поля в 1600 точках

Внешний источник высоковольтных импульсов позволял генерировать импульсы высокого напряжения длительностью 40 нс с амплитудой напряжения до 20 кВ и передним фронтом 15–20 нс. В высоковольтном источнике в качестве коммутатора использовался тиратрон с холодным катодом, обеспечивающий устойчивую работу источника в диапазоне частот от единиц герц до килогерц.

Эффективность процесса развития разряда оценивалась по величине энергозатрат на выход озона.

Достигнутые параметры вполне пригодны для реализации ряда озонных технологий, причем энергетическая цена меньше, чем в традиционных процессах генерирования озона в барьерном разряде.

 

3.5. Схема высоковольтного источника мощных сильноточных наносекундных электрических импульсов для запитки емкостных и диодных нагрузок

(ИТЭС ОИВТ РАН)

Проведено численное и физическое моделирование, показавшие целый ряд преимуществ ПРЕДЛАГАЕМОЙ схемы в сравнении с традиционной. В основе предложенной схемы лежит использование двух двухкаскадных взрывных магнитокумулятивных генераторов

Высоковольтный источник, разработанный на основе такой схемы, опробован как для зарядки емкостной, так и питания диодной нагрузки. В экспериментах по запитке высоковольтного диода релятивистского СВЧ-генератора типа ЛОВ (лампа обратной волны) при напряжении более 800 кВ получена генерация на частоте 3,6 ГГц с пиковой мощностью излучения превышающей 1 ГВт.

 

3.6. Экспериментальные исследования эффективности биологического действия импульсов высокого напряжения

(ИТЭС ОИВТ РАН)

Существующие в настоящее время нормы безопасности импульсов высокого напряжения регламентируют лишь предельно допустимые уровни ряда параметров, которые, согласно имеющимся представлениям, определяют действия этих импульсов на человека. К этим параметрам относятся амплитудное значение напряжения холостого хода, средняя мощность, выделяемая в резистивной нагрузке 1 кОм, и продолжительность воздействия. При этом никак не регламентируются другие характеристики генерируемых импульсов, например, длительность, форма и частота их повторения, хотя имеются основания полагать, что данные характеристики также влияют на эффективность воздействия импульсов высокого напряжения на биообъекты.

Выполнены экспериментальные исследования эффективности биологического действия импульсов высокого напряжения в зависимости от упомянутых выше характеристик. В частности, исследовано действие коротких (порядка 50 нс) периодически повторяющихся импульсов. С этой целью создан генератор, который позволяет варьировать амплитудные и временные параметры формируемых импульсов в следующих диапазонах: амплитуда – от 30 до 80 кВ; длительность пачки импульсов – от 0.5 до 3 с; частота повторения импульсов в пачке – от 10 до 1000 Гц; энергия в импульсе – до 0.2 Дж. Эксперименты показали, что электрические импульсы длительностью несколько десятков наносекунд обладают не меньшей эффективностью биологического действия, чем импульсы длительностью единицы – десятки микросекунд.

 

3.7. Макетный образец мобильного испытательного комплекса (МИК)

(ИТЭС ОИВТ РАН)

На основе взрывомагнитного генератора (ВМГ) создан макетный образец мобильного испытательного комплекса (МИК) для исследования устойчивости объектов электроэнергетики к воздействию ударов молнии. Лабораторные испытания показали, что МИК генерирует токи до 35 кА в индуктивно-омической нагрузке с параметрами, близкими к параметрам реального заземлителя: индуктивность 20–200 мкГн, сопротивление 1–10 Ом. Фронт импульса тока в нагрузке составляет несколько микросекунд

Проведены испытаний работы МИК при нагрузке на контур заземления действующей подстанции 110 кВ. Ток вводился в удалённые точки контура. Предварительно с помощью измерительного комплекса ИК-1 малыми токами были проведены исследования электромагнитной обстановки. При выбранной программе испытаний определен безопасный для подстанции уровень токов МИК. Регистрирующая аппаратура настраивалась с помощью ГИН при напряжении 60 кВ. В экспериментах фиксировались ток МИК и потенциалы в «земле» на различном удалении от точки подключения и потенциалы на отдельных элементах подстанции. По результатам эксперимента построена диаграмма распределения потенциала на рабочей площадке. Проведено сравнение экспериментальных результатов с расчётами, учитывающими влияния обратного токо-
провода.

 

3.8. Технология изготовления и стендовые испытания горелок тепловой мощностью 400 кВт

(ИТЭС ОИВТ РАН)

Отлажена технология изготовления и проведены стендовые испытания трех типов горелок тепловой мощностью 400 кВт каждая.

Два типа горелок являются высоконапорными, имеющими, по оценкам, скорость сверхзвуковой струи свыше 750 м/с. Третий тип представляет собой низконапорную горелку, в которой скорость струи составляет около 60 м/с

Высокая производительность комплекса обеспечивается совместным механическим и тепловым воздействием сверхзвуковых струй на объект обработки. Температура продуктов сгорания – не менее 1500 ^оС. Обеззараживание отходящих газов происходит при их термическом дожигании в камере блока дожигания. Конструкция вихревой противоточной камеры обеспечивает центробежное удержание не сгоревших частиц до полного термического дожигания, в том числе золовых частиц и спор возбудителей инфекционных заболеваний. Для исключения газовых выбросов из камеры сжигания, обработка объектов проводится при разрежении, обеспечиваемом вихревым эжектором блока дожигания.

Проведенные испытания позволили доработать и оптимизировать конструкцию горелок и всего комплекса в целом.

 

3.9. Технология опытного производства термостабилизирующего экрана для ультрафиолетового телескопа космического базирования

(ИТПЭ ОИВТ РАН)

По заказу ОКБ НПО им. Лавочкина разработана технология опытного производства тонкопленочного нагревателя для главного зеркала ультрафиолетового телескопа космического базирования на основе высокопрочных оксидов алюминия полученных методом плазменного электрохимического окисления и вакуумной плазменной полимеризации кремнийорганических соединений.

Полученные многослойные металло-оксидно-полимерные покрытия позволяют сформировать тонкопленочный нагреватель с высокой стойкостью к воздействию вакуума и ионизирующего космического излучения (включая высокие электростатические напряжения).

Изготовлена опытная партия нагревательных элементов, предназначенная для проведения полномасштабных натурных испытаний в составе изделия.

 

3.10. СВЧ свойства проводящих композитов

(ИТПЭ ОИВТ РАН)

Исследованы СВЧ свойства проводящих композитов, представляющих собой матрицу на основе пенополиуретанов различного типа с пропиткой различными электропроводящими полимерами. Определены микроволновые частотные зависимости диэлектрической проницаемости проводящих композитов в зависимости от типа матрицы и концентрации проводящей фазы. На основе проводящих композитов созданы многослойные листовые широкополосные радиопоглощающие материалы, а также геометрически неоднородные высокоэффективные поглощающие материалы пирамидального типа, которые могут быть использованы в безэховых камерах СВЧ. Проведено экспериментальное исследование микроволновой диэлектрической проницаемости композитов на основе пенополиуретанов, пропитанных проводящими полимерными растворами, в которых в качестве диспергированного наполнителя содержится электропроводящая сажа. Исследовано влияние режимов диспергации сажи в полимере на проводящие и высокочастотные свойства вспененных композитов, а также вязкости и проводимости полимерных составов на проводимость и диэлектрическую проницаемость композитов. На основе полученных электропроводящих композитов разработаны многослойные листовые широкополосные радиопоглощающие материалы, обладающие стабильными электрофизическими и физико-механическими свойствами, в том числе пониженной горючестью. Созданы также геометрически неоднородные сверхширокополосные радиопоглощающие материалы пирамидального типа, которые могут быть эффективно использованы при строительстве безэховых камер СВЧ. Все разработанные материалы обладают низким удельным весом, высокой гибкостью, легко кроятся по сложной геометрии, что делает их незаменимыми при экспериментальной отработке задач электродинамического моделирования в области частот СВЧ.

 

3.11. Термокамера циркуляционного типа – аппарат экологически чистой энергосберегающей технологии

(НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН)

Процесс сушки сельскохозяйственных продуктов является сложным тепло-массообменным процессом, для которого необходимо определить оптимальные параметры, позволяющие максимально использовать тепловую энергию и учитывающие качество получаемых продуктов. применение кипящего слоя для сушки является перспективной технологией.

В результате проведенных математического моделирования и экспериментальных исследований была создана термокамера циркуляционного типа и установка на ее основе, превосходящая установки для сушки зерна, поставляемые на российский рынок из ФРГ, Финляндии, Италии и других стран.

 

3.12. Узел фильтрации оборотной воды промышленных предприятий

(ИММ КазНЦ РАН)

Разработанный узел очистки оборотной воды промышленных предприятий от механических примесей, состоит из фильтров грубой и тонкой очистки оригинальной конструкции и специальных устройств, обеспечивающих необходимый перепад давления на фильтровальных перегородках.

Узел позволяет комплексно решать проблемы защиты теплообменного и другого технологического оборудования, повышения эффективности его работы. Он характеризуется надежностью, удобствами в обслуживании, высокой производительностью, низкими потерями напора, что обеспечивает экономию топлива, энергоресурсов при эксплуатации систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Узел фильтрации установлен на заводе «ПНД» ОАО «Казаньоргсинтез» и заводе «Этилен» ОАО «Нижнекамскнефтехим».

 

3.13. Метод статического моделирования усталостных трещин

(ИВМ СО РАН)

Разработан и программно реализован алгоритм статического моделирования роста усталостных трещин, использующий обоснованные законы вероятностных распределений. Исследовано влияние статистического рассеяния начальных размеров трещин, предела текучести, критического коэффициента интенсивности напряжений, амплитуд основной и высокочастотной составляющей нагружения на скорость роста усталостных трещин при двухчастотном нагружении. Выполнено статистическое моделирование роста усталостных трещин и построены функции надежности и распределения ресурса типовых сварных соединений и элементов крановых металлоконструкций.

Полученные результаты использованы при анализе причин разрушения крановой конструкции устройства обслуживания купола здания атомной электростанции, стрелы шагающего экскаватора ЭШ-10/70 и двуногой стойки экскаватора ЭКГ-12.5.

 

3.14. Формирование заготовок с наноструктурой поверхностного слоя

(ИПСМ РАН)

Разработан способ формирования прокаткой заготовок с наноструктурой (размер зерна 2–5 мкм) поверхностного слоя. Наноструктура достигается воздействием электроимпульсной обработки предварительно деформированных образцов из алюминиевого сплава АМг6.

Способ использован для изготовления деталей трибосопряжений многоцелевого назначения.

 

3.15. Технология получения эмульгированных жидких топлив

(ИПРИМ РАН)

Разработана установка для получения эмульгированных жидких топлив, представляющая собой замкнутую систему для обработки рабочей среды с помощью кавитационно-вихревого эжектора-смесителя и предназначенная для: получения устойчивых мелкодисперсных жидкостных и газожидкостных систем с новыми физико-химическими свойствами в нефтяной, нефтехимической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности; приготовления водосодержащих композитных топлив с улучшенными характеристиками на основе мазута, дизельного топлива, угольной пыли, торфяной крошки; ускорения реакций и интенсификация массообменных процессов в химической промышленности.

Отличительной особенностью установки является высокая эффективность воздействия на физико-химическую структуру обрабатываемых сред за счет комплексного применения нескольких технологических режимов: индуцирования вихрей, кавитация, воздействия низкочастотных пульсаций, формирования скачка давления на выходе путем насыщения потока жидкости газом.