Гидродинамика, тепло- и массообмен в вихревых камерах сгорания водородных мини-парогенераторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат наук Ильичев, Виталий Александрович

• Ильичев, Виталий Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ильичев, Виталий Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Перспективные схемы высокотемпературных водородно-кислородных энергоустановок и конструкции парогенерирующих агрегатов

1.2 Гидрогазодинамика и тепломассообмен в камерах сгорания энергоустановок

1.3 Выводы и задачи исследования

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВОДОРОДНЫХ МИНИПАРОГЕНЕРАТОРОВ

2.1. Теоретические предпосылки

2.2. Постановка задачи. Математическая модель

2.3. Методика расчета гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных минипарогенераторов

2.4. Анализ полученных результатов

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВОДОРОДНЫХ МИНИПАРОГЕНЕРАТОРОВ

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2. Экспериментальные модели

3.3. Методика проведения эксперимента и обработка опытных

данных

3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований

4. РАЗРАБОТКА ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ВИХРЕВОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ. РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

4.1. Создание водородного минипароперегревателя с вихревой камерой сгорания

4.2. Инженерная методика расчета параметров вихревой камеры сгорания с учетом сложного движения жидкой пленки завесы

4.3. Огневое испытание водородного минипароперегревателя с вихревой камерой сгорания

4.4. Рекомендации по практическому использованию результатов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидродинамика, тепло- и массообмен в вихревых камерах сгорания водородных мини-парогенераторов»

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение в промышленность водородных энергоустановок является одним из перспективных направлений использования природных возобновляемых энергоресурсов в системах энергообеспечения, в т.ч. устройств малой мощности. Для этого необходимо решить задачи создания надежных и эффективных высокотемпературных водородосжигающих устройств - минипарогенераторов тепловой мощностью до 150 кВт, в которых продукты сгорания смешиваются с водой.

В существующих минипарогенераторах процесс горения происходит в камере с конвективным охлаждением огневой стенки при температуре порядка 3500 К, давлении около 2,5 МПа и стехиометрическом соотношении компонентов а~1, а процесс парообразования охладителя (воды) - в камере испарения. При работе минипарогенераторов на стенки камеры сгорания воздействуют высокие тепловые потоки, и вскипание воды в каналах системы охлаждения может привести к прогару жаровой трубы. Необходимость исключения кипения в каналах оказывает влияние на минимальные расходы охлаждающей воды и длину камеры сгорания, что ограничивает доступные степени перегрева пара.

Решение задачи повышения эффективности работы минипарогенераторов возможно с применением вихревых камер сгорания, в которых подача воды на охлаждение и парообразование осуществляется тангенциально для создания вихревой жидкой пленки завесы. При этом процессы горения и парообразования происходят в одной камере, что позволяет снизить массу и габариты устройств и регулировать в доступных пределах температуру пара на выходе.

В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов гидродинамики тепломассообмена с фазовым переходом при тангенциальном движении жидкой пленки завесы с учетом воздействия высокоскоростного потока

парогаза в едином объеме камеры сгорания минипарогенератора.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Энергетические комплексы и системы».

Цель работы - повышение эффективности работы водородных минипарогенераторов посредством применения вихревых камер сгорания.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка ЗО сопряженной математической модели процессов гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода.

2. Проведение численных и экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в водородном минипарогенераторе, определение полей температуры, давления, скорости и объемной концентрации фаз в вихревой камере сгорания.

3. Разработка инженерной методики расчета параметров минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Разработана ЗБ сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода на основе многофазной модели Эйлера с неявной схемой расчета объемной концентрации фаз, уравнения энергии и квадратичной модели напряжений Рейнольдса, позволяющая рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации фаз.

2. В результате расчетов и обработки экспериментальных данных

коэффициента длины вихревой завесы ц < 1, который учитывает сложное

получена новая зависимость

определения безразмерного

движение жидкой пленки завесы в вихревой камере сгорания и ее взаимодействие с высокоскоростным потоком парогаза.

3. Разработана инженерная методика расчета параметров минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания, учитывающая сложное движение жидкой пленки завесы.

4. Разработаны принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, новизна которых подтверждена патентами на изобретения и полезные модели.

Практическая значимость и реализация:

1. Разработанная ЗЭ сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов позволяет рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации с учетом взаимного влияния фаз друг на друга и служит основой для проектирования новых и повышения эффективности существующих энергетических установок.

2. Разработанная инженерная методика расчета параметров минипарогенераторов, учитывающая безразмерный коэффициент длины вихревой завесы ц°, позволяет при проектировании вихревых камер сгорания уменьшить их длину на 56^-64%.

3. Запатентованы новые принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, внедрение которых в промышленность позволит существенно снизить массу и габариты устройств и повысить эффективность и надежность работы энергетического оборудования.

4. Исходя из полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, даны практические рекомендации для создания новых водородных парогенераторов и энергоустановок. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ОАО КБХА (г. Воронеж), ООО ПТК «Новые энергетические системы» (г. Воронеж) и в учебный процесс на кафедре «Теоретическая и промышленная

теплоэнергетика» ВГТУ при выполнении государственных контрактов № 02.516.11.6121, № 02.516.11.6173, № 14.740.11.0152, № 16.526.12.6004 и соглашения № 14.В37.21.0306 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, использованием современных надежных и эффективных методов исследования и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Научные положения и практические результаты подтверждены результатами испытаний, двумя патентами РФ на изобретения и тремя патентами РФ на полезные модели.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах и конференциях:

- Международной XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях», (Москва, 2009);

- Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж, 2009);

- III Российской научной конференции «Управление интеллектуальной собственностью» (Воронеж, 2009);

- Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития» (Москва, 2012);

- научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ВГТУ.

По результатам конференций получены дипломы.

Инновационная разработка «Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления» в 2010 г. награждена золотой медалью «Innovations for investments to the future» Американо-Российского Делового Союза (ARBU).

Выполненная работа отмечена Дипломом «X Московского международного салона инноваций и инвестиций» (Москва, 2010).

Проект, в котором использованы результаты работы, стал лауреатом областного межвузовского конкурса инновационных проектов «Кубок инноваций» (Воронеж, 2012).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения и 3 патента на полезные модели.

Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, списка использованной литературы из 103 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 139 страницах, содержит 54 рисунка, 12 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

\Л Перспективные схемы высокотемпературных водородно-кислородных энергоустановок и конструкции парогенерирующих агрегатов

Тема водородно-кислородной генерации пара начала встречаться в научных публикациях с начала 1980-х годов. Анализ научно-технической литературы показал, что работы в данном направлении проводились очень ограниченным количеством развитых стран [1-9]. Это обусловлено в первую очередь тем, что разработки подобных водородосжигающих установок требуют большого опыта во многих областях науки и техники.

Теоретические исследования различных перспективных схем энергоустановок с использованием водорода и кислорода в качестве компонентов топлива для водородно-кислородных парогенераторов, их технико-экономический и термодинамический анализ проводились в рамках государственных научных программ и международных грантов, выполнялись исследования и разработки новых ключевых элементов таких энергоустановок [10-13].

Центральной проблемой создания эффективных водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок является разработка их главных ключевых элементов, обеспечивающих эффективность и устойчивость рабочих процессов получения пара при переменных режимах работы с высокой надежностью и с величиной термического КПД порядка 60 % от высшей теплоты сгорания и более. Процессы высокотемпературного парообразования, системы топливообеспечения, управления процессами генерации пара, проектирование высокотемпературных элементов турбин должны обеспечивать длительный ресурс работы конструкции энергоустановки, технологичность изготовления, безопасность эксплуатации энергоустановок и должны

соответствовать требованием, принятым в энергетике.

Наиболее ранние теоретические и экономические оценки перспективных схем, с использованием водородно-кислородных парогенераторов и высокотемпературных водородных турбин были проведены в Европе [14], США [15], Германии [16, 17] и России [18], чтобы определить возможную область применения водородного топлива в энергетике. Исследования показали, что в таких схемах коэффициент использования водорода может достигать 65-70%. С развитием водородных технологий к этим исследования подключился ещё ряд развитых стран, среди которых можно отметить Италию [19] и Японию [20].

Зависимость КПД различных энергоустановок от температуры рабочего тела представлена на рис. 1.1 [21]. Представленные зависимости построены с учетом затрат на производство водорода при использовании его в циклах перспективных устройств преобразования энергии.

Видно, что оптимальное значение температуры перегретого пара для установок различного цикла находится в диапазоне 1200-1700К. Их реализация требует включения в схемы водородно-кислородных парогенераторов и пароперегревателей [22].

Рис. 1.1. Зависимость КПД установки от температуры рабочего тела: 1 -область работы современных ПТУ; 2 - область работы ПТУ с использованием водородных технологий; 3 - область работы ГТУ с использованием водородных

технологий.

Недостатком известных энергетических устройств традиционного типа является низкий КПД и недостаточная экологичность установок, что не позволяет использовать их в ограниченных и/или замкнутых пространствах [23-26]. Так же работа подобных энергоустановок на переменных режимах сильно снижает эффективность работы электростанции. По оценкам учёных многих стран [7-9, 11-21], для покрытия неравномерности графика нагрузки может быть создана система водородного аккумулирования энергии, которая окажется более эффективной и экономически выгодной. Известно, что при увеличении пикового потребления энергии выходной мощности энергоустановки до 10 % за счёт увеличения подачи высокотемпературного пара в качестве рабочего тела в установленной на электростанции турбину можно избежать строительства дополнительных электростанций и увеличить общую эффективность использования потребляемого топлива.

К настоящему времени требования к экологическим показателям и резкий рост стоимости топлива создали условия, вынуждающие использовать в энергетике высокоэффективные технологии производства электроэнергии с электрическим коэффициентом полезного действия (/7Э) 50 % и более.

Дальнейшего увеличения (т]э) электростанций до 70 % планируется

достичь за счет использования предвключенных высокотемпературных топливных элементов. Однако их ресурс в настоящее время не превышает нескольких тысяч часов, а единичная мощность - 300 кВт [27].

При создании высокоэффективных энергетических установок необходимо решить ряд новых технических задач, а именно:

- обеспечить сжигание водорода в среде кислорода с температурой до 1200 К и давлением 7 МПа;

- использовать регенерацию перегретого водяного пара на выходе из турбины;

- включить в схему дополнительные элементы непрерывного производства водорода и кислорода методом электролиза воды, которые позволят получить КПД водородной турбоустановки 70 % и обеспечат

полную экологическую безопасность.

Использование водородной турбоустановки, концептуальная схема которой предложена ВГТУ и ОАО КБХА, в пиковом режиме ТЭС, обеспечивающих энергией объекты и работающих на органическом топливе, обусловлено высокой энергетической маневренностью. Пуск (остановка) водородной турбоустановки происходит не более чем за 10 минут, в отличие от турбоустановки ТЭС, которые вынуждены вырабатывать неиспользуемую «провальную электроэнергию», например, в ночное время из-за невозможности оперативно резко увеличивать или снижать электрическую мощность [28-32].

В схему действующей ТЭС монтируется водородная турбоустановка для покрытия пиковых нагрузок электрической энергии (рис. 1.2) [33, 34]. В часы пиковых нагрузок по электрической энергии водородный парогенератор (ВПГ) вырабатывает водяной пар высоких параметров (Р = 7 МПа, I ~ 800 -1200 К), который поступает в водородную турбину (ВТ), соединенную с валом электрогенератора (ЭГ). Вырабатываемая электроэнергия поступает внешнему потребителю для покрытия пиковой нагрузки. Пар, отработавший в водородной турбине, направляется в регенеративные подогреватели ТЭС (РП), где конденсируется, подогревая основной конденсат ТЭС. После регенеративных подогревателей конденсат подается в водяной бак-аккумулятор, откуда осуществляется питание подготовленной водой водородного парогенератора и электролизёра (Э).

Энергетическая эффективность данной схемы заключается в следующем:

- достаточно высокий КПД водородной турбоустановки (?] = 0,7 );

- утилизация теплоты конденсации пара после водородной турбины для подогрева питательной воды парогенератора, что приведет к уменьшению расхода органического топлива и, соответственно, вредных выбросов в окружающую среду;

- полезное использование «провальной электроэнергии» для получения

топлива (водород и кислород) для водородного парогенератора.

Рис. 1.2. Схема водородной турбоустановки, работающей в пиковом режиме

ТЭС:

ПГ - парогенератор; ГШ - пароперегреватель ТЭС; ПТ - паровая турбина; ЭГ -электрогенератор; К - конденсатор ТЭС; РП - регенеративные подогреватели ТЭС; ВПГ - водородный парогенератор; ВТ - водородная турбина; ВБА -водяной бак-аккумулятор; Э - электролизёр; БА Н2 - бак-аккумулятор водорода;

БА СЬ - бак-аккумулятор кислорода

Так же предложена схема, где пар, отработавший в водородной турбине, конденсируется и нагревает сетевую воду для теплофикации и горячего водоснабжения внешнего потребителя. Для исключения перебоев с горячей водой устанавливается бак-аккумулятор.

Дополнительно разработана схема автономной работы, в которой предполагается в качестве основного или резервного источника для энергообеспечения объектов различного назначения не допускающих перебоев в энергоснабжении.

Топливо для водородного парогенератора вырабатывается во «внепиковое» время, используя электроэнергию из электросети (если имеется возможность) или доставляется в баки-аккумуляторы из сторонних источников (автомобильным или железнодорожным транспортом).

ОАО КБХА предложена схема энергоустановки, в которой паровая машина выполнена в виде высокотемпературного парогазогенератора,

например, кислородно-водородного, на выходе которого установлен турбонасосный агрегат, выходной вал которого кинематически связан с водяным и масляным насосами, причем вход водяного насоса соединен с выходом теплообменника, установленного на выходе турбины турбонасосного агрегата, а выход водяного насоса подстыкован к тракту охлаждения парогазогенератора, при этом масляный насос включен в систему смазки энергоустановки [35].

Компоненты топлива (газообразные водород и кислород) сгорают в парогазогенераторе с образованием высокотемпературного (~ 900°С) водяного пара. Обладая высокой энергетикой, высокотемпературный пар приводит в действие турбину турбонасосного агрегата и кинематически связанные с ней водяной насос и электрогенератор. Отработанный пар поступает в теплообменник и далее (после конденсации в жидкую фазу) на вход водяного насоса, а с его выхода - на тракт охлаждения парогазогенератора. Цикл, таким образом, повторяется. Масляный насос, кинематически связанный с валом турбины, создает необходимую циркуляцию масла в системе смазки энергоустановки, а вращающийся электрогенератор вырабатывает электроэнергию.

В [36] ОАО КБХА предложена схема (см. рис. 1.3), отличающаяся тем, что между парогазогенератором 1 и турбонасосным агрегатом 2 установлен пароперегреватель 4, вход которого связан паропроводом 5 с выходом турбины турбонасосного агрегата или с внешним источником пара 6, причем пароперегреватель выполнен в виде эжектора.

Работы по созданию водородно-кислородных высокоэффективных пароперегревателей и парогенераторов проводятся в Германии, США и России [37]. Разработка подобных устройств идёт на основе опыта по созданию ракетных двигателей (Россия [10, 11, 38], США [15], Германия [16, 17]) и по созданию газотурбинных двигателей (Япония [39,40]).

Параметры созданных парогенераторов приведены в табл. 1.1.

Рис. 1.3. Энергоустановка: 1 - парогазогенератор; 2 - турбонасосный агрегат; 3 - электрогенератор; 4 - пароперегреватель; 5 - паропровод; 6 - паропровод внешнего источника пара; 7, 11, 13, 15 - дросселирующие устройства; 8, 12, 14, 16- пневмоклапаны; 9- компрессор; 10-редуктор;

17 - конденсатор

Табл. 1.1. Параметры созданных парогенераторов

Страна Россия Германия Япония

Используемая технология Ракетостроение Ракетостроение Газотурбостроение

Единичная тепловая мощность разработанных устройств 100 кВт-25 МВт 40 - 80 МВт 120 кВт

Температура пара на выходе из устройства До 1200 К. До 800 К До 1500 К

Давление пара на выходе из устройства До 7 МПа До 4 МПа До 2 МПа

Время выхода на рабочий режим 5-7 сек. 5-7 сек. Более 200 сек.

Агрегатное состояние подаваемых компонентов топлива. Газ-газ Жидкость (окислитель) - газ Жидкость (окислитель) - газ Газ - газ

Компонент охлаждения камеры сгорания вода вода Пар или инертный газ

К настоящему времени в мире создано два типа экспериментальных водородосжигающих установок основанных на ракетных и газотурбинных технологиях. Наиболее перспективными и близкими к завершению являются установки на основе ракетных технологий, экспериментальные образцы которых прошли множество испытаний и подверглись существенной модернизации и доработке [38,41].

На рис. 1.4 и 1.5 приведены схемы, показывающие основные принципиальные решения работы водородно-кислородных парогенераторов, созданных и прошедших испытания в России (ОИВТ РАН совместно с ОАО КБХА) [42] и Германии.

Рис. 1.4. Водородно-кислородные парогенераторы (ОИВТ РАН совместно с ОАО КБХА): а) тепловой мощностью до 25 МВт; б) тепловой мощностью до

150 кВт

Рис. 1.5. Водородно-кислородный парогенератор (Германия)

При создании водородно-кислородных парогенераторов перед учёными всегда возникали характерные проблемы. Одной из главных проблем является качество генерируемого пара. Поскольку этот пар может быть использован в паровой турбине, то его состав может существенно влиять как на конструкцию самой турбины, так и на эффективность её работы в целом. Более того, в конденсационных паровых турбинах на выходе всегда устанавливается конденсатор и недогоревшие примеси водорода и кислорода присутствующие в паре могут в нём накапливаться, образуя гремучую смесь.

Для устранения этой причины сгорание водорода в кислороде должно происходить при стехиометрическом соотношении компонентов и быть как можно более полным. Наиболее высокая полнота сгорания достигнута в Германии - 99,7 % и России - 99,8 %, в Японской установке этот показатель составляет около 99,2 %. Кроме того, к уменьшению полноты сгорания приводят так называемые эффекты закалки, возникающие при резком охлаждении высокотемпературных продуктов сгорания, содержащих при высокой температуре ионы водорода, кислорода и воды (рис. 1.6) [43].

При соотношении компонентов топлива и охлаждающей воды более 3,5 (расход охлаждающей воды в 3,5 раза больше суммарного расхода водорода и кислорода) эффекты закалки имеют наиболее сильное влияние, поэтому понижение температуры осуществляется либо в несколько этапов, либо за счёт

подачи предварительно нагретого пара более низкой температуры.

100.00

10.00

? о4

о 1-00 13 £

§ 0.10 га

г

одм

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Temperature (К)

Рис. 1.6. Содержание ионов в продуктах сгорания при различной температуре

Поддержание требуемого соотношения компонентов при изменении параметров на выходе из парогенератора и его мощности требует создания чувствительной системы управления, незамедлительно реагирующей на все отклонения и позволяющей производить безопасное отключение установки в случае возникновения аварийной ситуации.

Важной проблемой является обеспечение охлаждения камеры сгорания, поскольку температура компонентов в ней может достигать более 3500 К. При такой температуре тепловые потоки на стенке камеры сгорания довольно высоки. В установках, созданных в Германии и России используется водяное охлаждение стенок камеры сгорания, в Японской установке - охлаждение паром или инертным газом.

Вместе с тем для парогенераторов такой конструкции требования к содержанию примесей в охлаждающей воде достаточно жесткие (должна использоваться химобессоленная деаэрированная вода), ибо тепловые потоки на стенки камеры сгорания весьма высоки (более 1 МВт/м~) и вскипание воды в каналах может привести к прогару жаровой трубы. Наличие мелких твердых частиц в охлаждающей воде также недопустимо. Необходимость исключения кипения в каналах системы охлаждения камеры сгорания

оказывает ограничение на минимальные расходы охлаждающей воды. Поскольку вода из системы охлаждения камеры сгорания поступает в камеру испарения, это означает и ограничение на доступные степени перегрева пара. В ходе экспериментальной отработки парогенераторов, проводившейся в ОАО КБХА совместно с ОИВТ РАН, эпизодически проявлялись локальные дефекты камеры сгорания, выраженные в «пролизе» и уносе материала огневой стенки в районе минимального сечения сопла, вызванные возникновением кипения в каналах рубашки охлаждения камеры сгорания в окрестности сопла [44, 45].

Необходимо также учесть, что изготовление экспериментальных образцов камер сгорания с конвективным охлаждением огневой стенки является достаточно сложным технологическим процессом, связанным с необходимостью применения значительного количества производственной оснастки. При этом жаровая труба камеры сгорания выполняется из дорогостоящего бронзового сплава БрХ-0,8 в достаточно сложном конструктивном исполнении.

1.2 Гидрогазодинамика и тепломассообмен в камерах сгорания энергоустановок

В ходе разработки водородосжигающих энергетических установок возникает задача уменьшения массы и габаритов при заданных гидравлических потерях, суммарном тепловом потоке, температурах и расходах компонентов топлива и рабочей среды (воды). Если способ теплообмена и конструкция такой энергоустановки выбрана, то заданные условия определяют ее габариты и массу, а также и температуру огневой стенки [46]. Следствием этого является стремление выбрать такой метод охлаждения огневой стенки камеры сгорания энергоустановки, чтобы в единице объема поверхность теплообмена была максимальной.

Сложность решения задачи защиты огневых стенок современных камер

сгорания водородосжигающих энергоустановок связана с тем, что продукты сгорания водорода в кислороде обладают высокой температурой - около 3500 К при давлении 2,5 МПа и выше для тепловых мощностей до 150 кВт. Между парогазом и огневой стенкой возникает интенсивный теплообмен, который при недостаточной защите способен быстро нагреть стенку камеры сгорания до температуры близкой к температуре парогаза. Если учесть, что большинство материалов огневой стенки допускают весьма умеренные температуры (до 1000.. 1200 К), то сложность задачи защиты огневой стенки камеры становится очевидной.

Известно несколько методов тепловой защиты огневых стенок камер сгорания энергоустановок [47-61]:

- емкостное охлаждение;

- радиационное наружное охлаждение;

- аблирующие теплозащитные покрытия;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ильичев, Виталий Александрович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНИОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 http://www.energy-exhibition.com/Technologies/technologies_

catalog3?id=49 .

2 http://www.energo-infb.ru/index.php/2011-11-07-13-05-24/2011-11-07-13-08-22/2011-11-07-13-29-42/14-vi-.

3 http://nurmedia.ru/society/1508-vodorodnoe-avto.html.

4 Шпильрайп Э.Э. Некоторые аспекты развития водородной энергетики и технологии / С.П. Малышенко // Теплоэнергетика. №3. СССР. 1980.

5 Шпильрайп Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику: Монография. - Энергоатомиздат. СССР. 1984.

6 Малышенко С.П. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода в энергетике / О.В. Назарова, Ю.А. Сарумов // Атомно-водородная энергетика и технология. Вып. 8 под ред. В.А. Легасова. Энергоатомиздат. 1988. Москва. Россия. С. 16.

7 С.П. Малышенко. Водород как аккумулятор энергии в электроэнергетике. Российский химический журнал. 1997. Т. XLI. с. 112120.

8 А.Д. Трухний, М.А. Изюмов, О.А. Поваров, С.П. Малышенко. «Основы современной энергетики» т. 1. Теплоэнергетика. Изд. МЭИ. 2008 г.

9 Шивцова А.Б. Проблемы оценки эффективности внедрения паротурбиииой водородной энергоустановки / А.Б. Шивцова, И.Г. Дроздов, И.В. Рощупкипа и др.; по ред. А.Б. Шивцова // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. - № 11. - С. 76-79.

10 А.Н. Грязнов, С.П. Малышенко. Минипарогеиератор. Патент РФ RU 2300049 С1 с приоритетом от 19.12.2005 г.

11 S.P. Malyshenlco, A.N. Gryaznov, N.I. Filatov. High-pressure H2/02-steam generators and their possible applications. Int. Journ. Hydrogen Energy, 2004, V.29. № 6, p.589-596.

12 Wojlcowslcy H., Schnurberger W., Sternfeld I I.J. Evaluation of attainable efficiencies and for generation of electricity from hydrogen. Commision of the European Community. Contract No. 404-78-7 EIID. Report EUR 7529 DE, 1981.

13 Шивцова А.Б. Особенности оценки инноваций в области использования водородных технологий па стадии НИОКР / А.Б. Шивцова, В.А. Ильичев //Управление интеллектуальной собственностью: материалы III Российской научной конференции. Выпуск 3. - Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009.

14 I-I.J. Sternfeld. The DLR Н2/02 Steam generator and its application for the power industry. Perspectives in Energy. 1994-1995. V.3. P. 17.

15 Wright D.E., Lucci A.D., Campell J., Lee J.C. Hydrogen Turbine Power Conversion System Assessment. NASA-CR 135298. USA, 1978.

16 Cicconardi S.P., Janelli A., Perna A., Spazzafumo G. A steam cycle with an isothermal expantion: the effect of flow variation. Int. J. Hydrogen Energy. V. 24. 1999. P. 53-57.

17 Cicconardi S., A. Perna, G. Spazzafumo Theoretical consideration of steam power plants with direct steam generator. HYPOTHESIS IV Proceedings. V. 2. Streisand. Germany. 2001. P. 290.

18 Рачук B.C., Пригожин В.И., Малышепко С.П.. Водородо-кислородные парогенераторы // Современное машиностроение № 2-3 (8-9), 2009 г.

19 Gambini М., Guizzi G.L. Parametric Analysis on a New Hybrid Power Plant Based on Internal Combustion Stem Cycle (GIST Cycle). Proc. Of 9th National Conference Technology. Italy. 1997.

20 Distribu Tech, Asia 99, Singapore. Англ. РЖ. Турбостроение. Котлостроепие. № 1. 2001г. С. 7.

21 Пиралишвили Ш.А., Веретеников С.В., Добродеев В.П., Посыпкипа Е.О., Павлова А.А. Перспективы форсирования паро и газотурбинных энергоустановок // Газотурбинные технологии. 2009. №6. С. 24-29.

22 Цанев C.B., Буров В.Д., Ремизов A.M. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 574 с.

23 Green Sian. Развитие газовых турбин малой мощности. New beginnings. Power Eng. 2001. № 7. Англ. С. 6.

24 АРМС ТАСС. Аэронавтика и космос (еженедельник) № 16. 14-20 апреля 2000. С. 76.

25 Европейская программа исследований ANTLE. «Авиация, космос, вооружение». С. 45.

26 Patent No.: US 6,206,864 Bl, Date of Patent: Mar. 27, 2001.

27 Фаворский O.Ii. Научно-технические основы высокоэффективного производства электроэнергии с комплексным использованием органического и водородного топлива / О.Н. Фаворский, А.И. Леонтьев, В.А. Федоров // Энергетик. - М., 2008. - № 1. - С. 3.

28 Пригожии В.И. Разработка турбоводородпой энергоустановки и эффективных схем ее использования в энергокомплексе / В.И. Пригожии, C.B. Дахип, И.Г. Дроздов, С.Ii. Чембарцев, В.А. Ильичев, А.Р. Савич // Тепловые процессы в технике. Т. 2, № 12, 2010, С. 565-569.

29 Иванов A.B. Опытная универсальная модульная водородная паротурбинная энергоустановка с мощностью на валу до 5 МВт / A.B. Иванов, В.А. Ильичев, B.C. Рачук, A.B. Шостак, В.И. Пригожин, A.A. Цигапов // Вестник ВГТУ, Т. 7, № 10, 2011, С. 117-119.

30 Иванов A.B. Опытная универсальная модульная водородная паротурбинная энергоустановка с мощностью па валу до 5 МВт / A.B. Иванов, В.А. Ильичев // Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития: тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции, г. Москва, 7 декабря 2012 г./ ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».- М.: AHO «ЦЭРТ», 2012, С.13-14.

31 Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной водородной высокотемпературной паротурбинной

энергоустановки / В.А. Ильичев, В.И. Пригожип, А.Р. Савич, И.Г. Дроздов,

A.А. Пригожип // Вестник ВГТУ. Т. 6, № 8, 2010, С. 11-16.

32 Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной водородной паротурбиииой энергоустановки / В.А. Ильичев, В.И. Пригожип, А.Р. Савич, И.Г. Дроздов, А.А. Пригожип // Ракетно-космическая техника и технология 2009: Российская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора, профессора

B.П. Козелкова (1929-2009). - Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009. С. 21-26.

33 Патент 92473 Российская Федерация, M ПК F 01 К 13/00 Турбоводородиая энергоустановка / И.Г. Дроздов, C.B. Дахии, B.C. Рачук,

C.П. Малышепко, А.В. Москвичев, В.И. Пригожии, А.Б. Шивцова, Д.П. Шматов -№ 2009138575/22; Бюл. № 8. -2 е.: ил.

34 Патент 92474 Российская Федерация, МПК F 01 К 13/00 Автономная турбоводородиая энергоустановка / И.Г. Дроздов, C.B. Дахии, Н.Н. Кожухов, Рачук, С.П. Малышепко, А.В. Москвичев, В.И. Пригожип, А.Б. Шивцова, Д.П. Шматов - № 2009138576/22; Бюл. № 8. - 2 е.: ил.

35 Патент 2393358 Российская Федерация, МПК F 01 К 17/02 Энергоустановка (варианты) / Ю.В. Демьяненко, В.А. Ильичев, С.П. Малышепко, В.И. Пригожип, Ю.В. Пичугип, А.Р. Савич - 2009102132/06; Бюл. № 18. -6 е.: 2 ил.

36 Патент 113537 Российская Федерация, МПК F 01 К 17/02 Энергоустановка / А.Р. Савич, В.А. Ильичев, С.П. Малышепко, О.П. Свиридов, А.А. Пригожип-№ 2010124469/06; Бюл. № 5. -2 е.: ил.

37 Гурьянов А.И. Теплофизика водород-кислородных пароперегревателей высокотемпературных турбин комбинированных ПГУ / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин // Пятая Российская национальная конференция по теплообмену. В 8 томах (25-29 октября 2010г., Москва). Т.З.Свободная конвекция. Теплообмен при химических превращениях. -М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 180-183.

38 Малышенко С.П. Разработка и исследование экспериментального водородо-кислородного парогенератора мощностью 10 МВт(т) / И.Н. Бебелин, А.Г. Волков, А.Н. Грязнов // Теплоэнергетика. - 1997. - № 8. - С. 48 -52.

39 Iki N., J. Mama, S. Takahashi, A. Miller, S. Kiryk. Future Hydrogen Technologies in Power Engineering and Semi-Closed Gas Turbine System. Prace Naulcowe, Mechanika z. 181, Warsaw University of Technology, 1999.

40 Funatsu Т., M. Fukuda, Y. Dohzono. Start up analysis of a H2-02 fired gas turbine cycle. ASME, International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition, 97-GT-491. Orlando. Floride - 2-5 June 1997.

41 Патент 105947 Российская Федерация, МПК F 02 К 9/52 Смесительная головка с запальным устройством / А.Р. Савич, В.А. Ильичев, А.С. Игнатов, Р.С. Ильин, А.А. Пригожип - № 2010154694/06; Бюл. № 18.-2 е.: ил.

42 Малышенко С.П. Эффективность генерации пара в водородокислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности / С.П. Малышенко, В.И. Пригожип, А.Р. Савич, А.И. Счастливцев, В.А. Ильичев, О.В. Назарова // Теплофизика высоких температур. Т. 50, № 6, 2012, С. 820-829.

43 Iians J Sternfeld. The DLR H2/02 steam generator and its application for the power industry / Hans J Sternfeld // Perspectives in Energy. V. 3. 1994-1995. P. 17-25.

44 Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов водородных высокотемпературных минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания / В.А. Ильичев, В.И. Пригожип, А.Р. Савич, А.Н. Лешов, С.П. Малышенко // Альтернативная энергетика и экология. № 8. 2009. С. 72-77.

45 Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов / В.А. Ильичев, И.Г. Дроздов // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную

работу студентов и аспирантов ВГТУ. - Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009. С 111-112.

46 Васильев А.П. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / А.П. Васильев В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов. Учеби. для авиац. спец. ВУЗов и др. М.: Высш. шк., 1993. Кн. 2. 368 с.

47 Сахаров Г.И. Нагрев тел при движении с большими сверхзвуковыми скоростями / Г.И. Сахаров, В.В. Андреевский, В.В. Букреев. М.: Оборопгиз, 1961. 98 с.

48 Авдуевский B.C. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. М.: Оборопгиз, 1960. 115 с.

49 Shalliol W.L. "Mikrotranspiration", self-contained protectionfrom transient environments above 6000 F / W.L. Shalliol, N.A. I-Iooton // Symposium on Ballist Missile and aerospace Technology, 1961. V. 4. Pp. 189-204.

50 Yiding C. Thermal protection from intense locailized moving heat fluxes using phase-change materials / C. Yiding, A. Faghri // Int. Heat and Mass Transfer, 1990. V. 33. №1. Pp. 127-138.

51 Поляев В.М. Физические особенности теплообмена при течении жидкости с фазовыми переходами через пористую стенку / В.М. Поляев, А.В. Сухов // Теплофизика высоких температур, 1969. Т. 7. № 5. С. 1037-1039.

52 Поляев В.М. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов / В.М. Поляев, В.А. Майоров, JLJI. Васильев. М.: Машиностроение, 1988. 168 с.

53 Технические проблемы, связанные со сверхзвуковым полетом, и пути их разрешения // Вопросы ракетной техники. Сб. переводов и обзоров иностр. период, литерат., 1957. Вып. 4 (40). 41с.

54 Зарубин B.C. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1966. 150 с.

55 Калинин Э.К. Интенсификация теплоотдачи в каналах / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, C.JI. Ярхо. М.: Машиностроение, 1990. 200 с.

56 Дзюбенко Б.В. Моделирование стационарных и переходных теплогидравлических процессов в каналах сложной формы: монография / Б.В. Дзюбенко, JI.B. Ашмантас, М.Д. Сегаль. Вильпус: Pradai, 1994. 240 с.

57 Дрейцер Г.А. Современные проблемы анализа эффективности проектирования, производства и эксплуатации компактных трубчатых теплообменных аппаратов // Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: XIII Школа-семинар мол. уч. и спец. под рук. академика РАН А.И. Леонтьева. М.: МЭИ, 2001. Т. 2. С. 299-306.

58 Быстров Ю.А. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А. Быстров, С.А. Исаев, H.A. Кудрявцев, А.И. Леонтьев. СПб: Судостроение, 2005. 400 с.

59 Colladay R.S. Importance of combaining convection with film cooling // AIAA Paper, 1972. №8. Pp. 10-18.

60 Репухов B.M. Теория защиты тепловой стенки вдувом газа // Киев: Наукова думка, 1980. 296 с.

61 Зайцев Д.В. Экспериментальное исследование течения локально нагреваемой пленки жидкости, движущейся под действием потока газа в мипикапале / Д.В. Зайцев, Ю.В. Люлип, В.В. Чеверда, И.В. Марчук, O.A. Кабов // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: XV Школа-семинар мол. уч. и спец. под рук. академика РАН А.И. Леонтьева. М.: МЭИ, 2005. Т. 1. С. 336-339.

62 Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов в вихревых камерах сгорания водородных микропарогеператоров / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, А.Н. Лешов, И.Г. Дроздов // Проблемы газодииамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях: XVII Школа-семинар мол. уч. и спец. под рук. академика РАН А.И. Леонтьева. М.: МЭИ, 2009. Т. 1.С. 346-348.

63 Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Под ред. А.И. Леонтьева. M.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. 412 с.

64 Пиралишвили Ш.А. Численное исследование характеристик противоточного горелочного модуля / Ш.А. Пиралишвили, А.И. Гурьянов,

A.B. Бадерпиков // Пятая Российская национальная конференция по теплообмену. В 8 томах (25-29 октября 2010г., Москва). Т. 3. Свободная конвекция. Теплообмен при химических превращениях. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 292-295.

65 Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / М.: Машиностроение, 1969. 183 с.

66 Меркулов А.П., Колышев Н.Д., Груббер Н.С., Гусев И.И. Вихревой гигрометр и вихревая труба для кондиционирования воздуха. Усовершенствование вентиляции и кондиционирования воздуха на промышленных предприятиях, ГОСИНТИ, 1964, № 10-64-1451/29.

67 Бродяпский В.М., Мартынов A.B. Вихревая труба с внешним охлаждением / Холодильная техника, 1964. № 5. С. 37-43.

68 Иванов Р.И. Исследование процесса смесеобразования в прямоточном вихревом эжекторе / Р.И. Иванов, Г.Ш. Пиралишвили // Пятая Российская национальная конференция по теплообмену. В 8 томах (25-29 октября 2010г., Москва). Т. 3. Свободная конвекция. Теплообмен при химических превращениях. -М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 214-217.

69 Патент 2371594 Российская Федерация, МПК F 02 С 6/00 Способ образования пара в парогазогеператоре и устройство для его осуществления /

B.И. Пригожип, Э.В. Завьялов, С.П. Малышепко, В.А. Ильичев, А.Р. Савич -2008105213/06; Бгал. № 30. - 5 е.: ил.

70 Navier C.L., М.Н. Memoire sur les lois du movement des fluids // Mem. Acad. Roy. Sei. 1983. V. 6. Pp. 389-440.

71 Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. 840 с.

72 Белов И.А. Моделирование турбулентных течений / И.А. Белов, С.А. Исаев. М.: Наука, 1998. 106 с.

73 Boussinesq J. Theorie de l'ecoulement tourbillant // Mem. Presentes par Divers Savants Acad. Sci. Inst. Fr. 1877. V. 23. Pp. 46-50.

74 Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD // DWS Industries Inc. 1998.

540 p.

75 M. M. Gibson and В. E. Launder. "Ground Effects on Pressure Fluctuations in the Atmospheric Boundary Layer". J. Fluid Mech.. 86. 491-511. 1978.

76 В. E. Launder. "Second-Moment Closure: Present... and Future?". Inter. J. Heat Fluid Flow. 10(4). 282-300. 1989.

77 В. E. Launder, G. J. Reece, and W. Rodi. "Progress in the Development of a Reynolds-Stress Turbulence Closure". J. Fluid Mech.. 68(3). 537-566. April 1975.

78 B. J. Daly and F. I-I. Harlow. "Transport Equations in Turbulence". Phys. Fluids. 13. 2634-2649. 1970.

79 F. S. Lien and M. A. Leschziner."Assessment of Turbulent Transport Models Including Non-Linear RNG Eddy-Viscosity Formulation and Second-Moment Closure". Computers and Fluids. 23(8). 983-1004. 1994.

80 C. G. Speziale, S. Sarkar and T. B.Gatski. "Modelling the Pressure-Strain Correlation of Turbulence: An Invariant Dynamical Systems Approach". J. Fluid Mech.. 227. 245-272. 1991.

81 S. Sarlcar and L. Balakrishnan."Application of a Reynolds-Stress Turbulence Model to the Compressible Shear Layer". ICASE Report 90-18NASA CR 182002. 1990.

82 Пригожип A.A. Моделирование высокотемпературного потока в парогенераторе для интенсификации добычи нефти / А.А. Пригожип, В.А. Ильичев, И.Г. Дроздов // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ. - Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2010. С. 41-42.

83 Пригожип A.A. Моделирование работы системы охлаждения соплового устройства парогенератора / A.A. Пригожип, И.Ii. Лазарепко, Д.П. Шматов, В.А. Ильичев, И.Г. Дроздов // Ракетно-космическая техника и технология 2011: труды Российской научно-технической конференции, посвященной 70-летию со дня основания КБХА. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «ВГТУ», 2011, С. 26-29.

84 Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Д. Андерсон, Д. Танпехилл, Р. Плетчер. М.: Мир, 1990. 384 с.

85 Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 612 с.

86 Флетчер К. Вычислительные методы в механике жидкости. М.: Мир, 1991. Т. 1.415 с.

87 Патапкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Эпергоатомиздат, 1984. 152 с.

88 Зарпицып В.В. Некоторые методы утилизации криогенных компонентов топлива при испытаниях жидкостных ракетных двигателей в ОАО КБХА / В.В. Зарпицып, Е.И. Зюбип, В.А. Ильичев, А.Н. Колнышепко, В.И. Пригожип, А.Р. Савич // Международный научный журнал «Космонавтика», №1-2, 2012, С. 116-120.

89 Игнатов A.C. Разработка и моделирование испытательного стенда для экспериментальной отработки водородной паротурбинной энергоустановки / A.C. Игнатов, Т.С. Тимошинова, С.А. Курьяпов, В.А. Ильичев, С.А. Лебединский// Вестник ВГТУ. Т. 9, № 4, 2013, С. 46-53.

90 Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. -М.: Машиностроение, 1970. 504 с.

91 Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

92 Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов различной мощности / В.А. Ильичев, В.И. Пригожип, A.A. Пригожип, А.Р. Савич // Научно-технический юбилейный сборник 1941-2011 г, посвященный 70-

лстию образования КБхимавтоматики - Воронеж: ИПФ «Воронеж», Т.З, 2011, С. 225-233.

93 Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. М.: Химия, 1971. 448 с.

94 Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в 5 т. Под науч. рук. академика В.П. Глушко. - М.: Академия наук СССР ВИНИТИ, 1973. 490 с. Т. 2: Топливо па основе кислорода.

95 Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

96 Разработка научно-технических основ технологии водородных мипипароперегревателей и создание модельного образца тепловой мощностью до 150 кВт, итоговый отчёт по Государственному контракту № 02.516.11.6173. -Воронеж.: ООО ПТК «Новые энергетические системы», 2009. 81 с.

97 Ильичев В.А. Разработка высокотемпературного водородного мипипароперегревателя / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, О.П. Свиридов, С.П. Малышепко, О.В. Назарова, А.И. Счастливцев // Тепловые процессы в технике. Т. 3, № 11, 2011. С. 517-522.

98 Исследование процессов, разработка ключевых новых элементов водородных турбоустаповок, разработка модельной водородной паротурбинной энергоустановки мощностью 5,0 МВт и технического задания на проектирование водородной высокотемпературной энергоустановки мощностью до 20,0 МВт, итоговый отчёт по Государственному контракту № 02.516.11.6121. -Воронеж.: ОАО КБХА, 2008. 239 с.

99 Разработка технологий создания высокотемпературных водородных парогеперирующих агрегатов многоцелевого назначения тепловой мощностью от 100 кВт до 20 МВт, итоговый отчёт по Государственному контракту № 02.516.11.6122. -М.: ОИВТАН, 2008. 251 с.

100 Патент 119812 Российская Федерация, МПК Р 02 С 6/18 Парогазогенератор / В.И. Пригожип, С.П. Малышенко, В.А. Ильичев, О.П. Свиридов, А.Р. Савич, Лешов А.Н., Э.В. Завьялов - 2009134305/06; Бюл. № 24. - 2 е.: ил.

101 Вукалович М.П. Техническая термодинамика. - М.: Наука, 1968. -

495 с.

102 Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е - М.: Энергия, 1977. 344 с.

103 Соколов Е.Я., Н.М.Зингер. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970. 288 с.

ПРОТОКОЛ

испытания модельного образца водородного минипароперегревателя

согласно заданию

№04/09 16 октября 2009 г.

1. Объект испытания: модельный образец водородного минипароперегревателя тепловой мощностью до 150 кВт в количестве 1 шт.

2. Цель испытания: определение эмпирическим путем температуры перегретого пара на выходе из модельного образца минипароперегревателя при заданном расходе подачи воды в вихревую камеру сгорания, неизменном расходе и стехиометрическом соотношении компонентов топлива.

3. Дата начала испытания: шестнадцатое октября 2009 г.

4. Дата окончания испытания: шестнадцатое октября 2009 г.

5. Место проведения испытания: Испытательный комплекс ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики».

6. Результаты испытания

Наименование параметра Ед. изм. Обозначение параметра Требования к параметру Измеренное осредненное значение (на режиме)

Номинальное значение Предельное отклонение А

Температура пара в вихревой камере сгорания (пристеночная область) К ТПКС-1 - - 1100 .

Температура пара в вихревой камере сгорания (центральная область) К ТПКС-2 ■ - Превышение измеряемого параметра

Температура пара в магистрали подачи к эжектору К •тпм - - 380

Температура пара в эжекторе (выход напорной магистрали) к тпэ - - 1060

Давление пара в магистрали подачи к эжектору кгс/см2 дпм - - 2,9

Давления в вихревой камере сгорания . кгс/см2 ДКС1, ДКС2 - - 27,3

Давление в камере смешения эжектора кгс/см2 ДКЭ - ✓ > 2,9

Давление в напорной магистрали эжектора кгс/см2 ДПЭ - - 7,0

Давление окислителя до дросселирующего устройства л кгс/см ДОДШ 97 ±0,5 96,8

Давление горючего до дросселирующего устройства кгс/см2 ДГДШ 66 ±0,5 65,5

Расход газообразного водорода (горючее) г/с Ыû 1 ±0,1 1,02

Расход газообразного кислорода (окислитель) г/с Р«0» 8 ±0,6 8,52

Расход воды г/с РВ • 18 ±1 17,5 ■

Длительность испытания с т 60 - -

7. Замечания и рекомендации:

Полученные результаты удовлетворяют требованиям задания на испытание.. Замечаний и рекомендаций по проведенному испытанию не имеется.

8. Выводы

Объект испытания - модельный образец водородного минипароперегревателя тепловой мощностью до 150 кВт выдержал испытание в соответствии с заданием.

Испытание проводили

Ведущий конструктор Начальник отдела 129 Начальник стенда -1 Инженер-конструктор

А.Р. Савич О.П. Свиридов ctv £ Э.В. Завьялов ¡••^ A.C. Игнатов

УТВЕРЖДАЮ ГенорсЩный дирержбр^ генхюауьный ¡у^/структор

^Л^^^ЛСРанун

АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОИС

(изобретении, «ноу- хау»)

Мы, нижеподписавшиеся Коваль А.И., Александров Ю.А., Свиридов О.П.,__

Поваллев В.Л.____________ _________ _____ _________

составили настоящий акт в том, Что ОИС автора (ов) Пригожина В.И., Завьялова Э^В.,

Ильичева В.А., Малышенко С.П., СавичаА.Р. __ ............... .... .........

под названием «Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство дт его___

осуществления»________________________________

со следующей формулой изобретения: («ноу- хау») ___________________________________

1. Способ образования пара в.парогазогеператоре,основанпшпш слсигсшин компонентов топлива, испарения воды и разогреве пара за счет п олу че! п I о йэн ер г ни, опушчатщ и й ся

тем, что сначала образуют в камере сгорания водяную ви^обраэпую обточку^_______

разрежением внутри ее центральной области, и этой области сжигают компоненты _

топлива, а интенсивное испарение воды и разогрев пари осуществляют после__________

свертывания внхреобразной водяной оболочки. _ _______________________

2. Парогазогенератор, содержащий камеру сгорания, прдиод вод^^ан

камеру испарения отличающийся тем, что подвод йоды^аспшюркен в верхней час/ни

камеры сгорания и выполнен в виде втулки с птнгеициалышР^._______

закручивания водяного потока и образования вихредбразпой оболочки, а в номера ........

испарения установлена диафрагма._________________________________________________

3. Парогазогенератор по п.2 отличающийся тем, что диафрагма выполнена в виде сопла и расположена в месте свертывания внхреобразной водяной оболочки.____________________

4. Парогазогенератор по п.З опитчающийся тем, что дипфрамш ра^^___

сопла внутрь камеры испарения............... ................ .................

заявка № 2008105213/06 от 11.02.2008 г.

«ноу- хау №»__

с приоритетом 11. 02.2008 г. ___ ___

использовано а КБ химавтоматики отд. 121, отд. 129, стенд 1, стенд 5__

(отдел, чех)

CnS.00.0Q «Микропарогенератор», ЭБПГ1.010,000 «Экспериментальный блок_

парогенератора» _ _ _____

' (изделие, оборудование, техпроцесс)

с « 01» января 2008 г.____________

по технической документации КД: 9.29.4006.000.00 «Камера сгорания»; 9.29.4023.000.00

(обозначение чертежей, номеров заданий и прочих видов документации)

«Камера сгорания вихревая». Задания на изготовление: 9.29.4006.000.00 - №¡129-00-1766; 9.29.4023.000.00 -№129-00-1829, №129-00-3180, №.129-00-393. Задания на испытания:

9.29.4006.000.00- №3129.4-766-2009, №Д3129.4-769-2009, №ДЗ129.4-776-2009;____

9.29.4023.000.00-М3129.4-717-2008, №3129.4-748-2008, №3129.4-751-2008,__

№3129.4-761-2008_____________________

№ патента введен 6 техническую документацию ИИ256.29.7851______

(обозначение чертежей, номераа Н.И., и прочих ачдос документации)

разработанной отделом (ами) 129 ___________

' по договору (контракту), лицензионному соглашению работы по Госконтраюпу с___

Роснаукой № 02.516.11.6121/5601 от 17.08.2007г.__

с использованием изобретения («ноу-хау»)_Изготовлено: 1 экспериментальный образец

(изготовлено изделий, проведено испытаний, измерений и т.д.)

9.29.4006.000.00; 2 экспериментальных образца 9.29.4023.000.00. Проведено 3 огневых

испытания 9.29.4006.000.00 па стенде 5 в составе изделия ЭБПГ1.010.000 общей__

длительностью ~ 75 сек. Проведено 20 огневых испытаний 9.29.4023,000.00 на стенде 1 в

составе изделия CII5.00.00 общей длительностью ~ 556 сек.__

использование изобретения позволили: уменьшить металлоемкость конструкции

(положительный эффект)

камеры сгорания; применить дешевые конструкционные материалы; снизить_

трудоемкость изготовления; осуществить возможность регулирования температуры парогаза втулками с тангенциальными каналами подачи воды различной номенклатуры, обеспечивающими требуемый расход на охлаждение и парообразование.__

УТВЕРЖДАЮ

ГенерМыЪьш директрр*' генеральный кпмСтруктор

. * я \0 < ,В.С. Рачук

АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОИС

(изобретения, «ноу- хау»)

Мы, нижеподписавшиеся Коваль А.И., Александров Ю.А., Свиридов О,П.,_

Поваляев В. П._

составили настоящий акт в том, что ОИС автора (ов) Демьяненко Ю.В., Ильичева В.А.,

Малышенко С.П., Пригожина В.И., Пичугина Ю.В., Савина А,Р._._

под названием «Энергоустановка (варианты)»_

со следующей формулой изобретения: («ноу- хау»)__

1. Энергетическая установка, содержащая паровую машину, кинематически связанную с электрогенератором, опишчающаяся тем, что паровая машина выполнена в виде высокотемпературного нарогазогенератдра, например, кислородо-водородпого, на выходе которого установлен турбонасосиый агрегат, выходной вал которого кинематически связан электрогенератором, водяным и масляным насосами, причем вход водяного насоса соединен с выходом теплообменника, установленного на выходе турбины турбонасосно-го агрегата, а выход водяного насоса подстыкован к тракту охлаждения парогазогенера-тора, при этом масляный насос включен в систему смазки энергоустановки._

2. Энергетическая установка, содержащая паровую машину, отличающаяся тем, что ^ паровая машина выполнена в виде высокотемпературного парогазогеператора, например,

кислородо-водородпого, на выходе которого установлен турбонасосиый агрегат, вы-_

ходной в(Ш которого кинематически связан с водяным насосом, причем вход водяного насоса соединен с выходом теплообменника, установленного па выходе турбины турбо-иасосиого агрегата, а выход водяного насоса подстыкован к тракту охлаждения энергоустановки.__

л.

заявка N°

№ 2009102132 от 22.01.2009 г.

«ноу- хау N2»_

с приоритетом 22.01.2009 г._'_._

использовано в КБ химавтоматики отд. 121, отд. 129, стенд 5_._

(отдел, цех)

Модельная водородная паротурбинная энергоустановка мощностью до 5,0 МВт с_

регулируемой нагрузкой_____________

(изделие, оборудование, техпроцесс)

с « 21» июля 2008 г._^_'

по технической документации КД: 9.29.4027.000.00 «Модельная водородная наротурбиишш

(обозначение чертежей, номеров заданий и прочих видов документации)

энергоустановка мощностью до 5,0 МВт», 9.29.2133.000.00 «Рама раскрепления модельной

паротурбинной энергоустановки па ст. 5», 29.21.005.238C3 «Система подключения_

энергоустановки па газообразном кислороде и газообразном водороде», 9.29.7270.000.00

«Подключение стендовых систем к модельной водородной паротурбинной энергоустановке_

мощностью 5 МВт». Задания на изготовление: Ж29-00-121а, №304-00-6889, №129-00-3008, №129-00-3017, №129-00-3020, №129-00-3125, №304-00-6939. Задания на испытания: №3129.4-735-2008, №Д3129.4-736-2008, №ДЗ129.4-738-2008; №Д3129.4-740-2008._

N2 патента введен в техническую документацию ИИ256.29.8065 _

(обозначение чертежей, номеров И.И., и прочих видов документации)

разработанной отделом (ами) 129_

по договору (контракту), лицензионному соглашению работы по Госкоптракту с Роснаукой № 02.516.11.6121/5601 от 17.08.2007г. (за счет внебюджетных средств) с использованием изобретения («ноу-хау») Изготовлен 1 экспериментальный образец.

(изготовлено изделий, проведено испытаний, измерений и т.д.)

Проведено 2 огневых испытания на стенде 5 с общей длительностью ~ 111 сек._

использование изобретения позволило:_создашь модельную энергоустановку,

(положительный эффект)

полученные результаты исследований которой лягут в основу производства опытно-промышленных образцов. Применение энергоустановок в промышленности возможно для выработки электроэнергии (а при необходимости и горячей воды) практически без выброса экологически вредных веществ, при повышенном коэффициенте полезного

действия.

УТВЕРЖДАЮ ГеиераЩшй дирекр-Щ-геперашный кргСструктор

_В:С. Ра ну к

АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОИС

(изобретения, «ноу- хау»)

Мы, нижеподписавшиеся Гурии В.В., Шмойлов А.Н., Свиридов О.П.,_

Пооаляев В.П.__

составили настоящий акт в том, что ОИС автора (ов) Пригожшш В.И., Завьялова Э.В.,

Ильичева В.А., Малышенко С.П., Савина А.Р.__

под названием_«Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его

осуществления»__

со следующей формулой изобретения: («ноу-хау»)_

1, Способ образования пара в парогазогенераторе, основанный на сжигании компонентов топлива, испарения воды и разогреве пара за счет полученной энергии, отличающийся

тем, что сначала образуют в камере сгорания водяную вихреобразную оболочку с_

разрежением внутри ее центральной области, в этой области сжигают компоненты

топлива, а интенсивное испарение воды и разогрев пара осуществляют после_

свертывания вихреобразной водяной оболочки,__

2. Парогазогенератор, содержащий камеру сгорания, подвод воды, запальное устройство,

■камеру испарения опушчающийся тем, что подвод воды расположен в верхней части_

камеры сгорания и выполнен в виде втулки с тангенциальными каналами для_

закручивания водяного потока и образования вихреобразной оболочки, а в камере_

испарения установлена диафрагма._ ._

3. Парогазогенератор по п.2 отличающийся тем, что диафрагма вынолпена в^виде сопла

и расположена в месте свертывания вихреобразной водяной оболочки._

4, Парогазогенератор по п.З опушчающийся тем, что диафрагма расположена срезом сопла внутрь камеры испарения. _____________

заявка Мд, патент N° № 2008105213, № 23 71594

«ноу- хау Ns»_;__

с приоритетом_11,02.2008 г._

использовано в КБ химавтоматики_отд-. 121, отд. 129, стенд 5

Модельная водородная паротурбинная энергоустановка_

(изделие, оборудование, техпроцесс)

с « 01» октября 2010 г._^__

по технической документации_КД: 9.29.4074.000.00 «Модельная водородная_

(обозначение чертежей, номеров заданий и прочих видов документации)

паротурбинная энергоустановка»._

Задания на изготовление: № 129-00-1302, № 129-00-1302а-1, № 129-00-1331._

Задание на испытания: Ns 3129.4-843-2012.

М> патента введен в техническую документацию_ИИ256.29.9028__

(обозначение чертежей, номеров КН., и прочих видов документации)

разработанной отделом (ами) 129_

по договору (контракту), лицензионному соглашению_по договору №106/6146 от_

13.09.2010 г. с ФГБОУВПО «ВГТУ», г. Воронеж_

с использованием изобретения («ноу-хау»)_Изготовлен 1 экспериментальный образец.

(изготовлено изделий, проведено испытаний, измерений и т.д.)

Проведено 3 огневых испытания на стенде 5 с общей длительностью ~ 72 сек,._

использование изобретения позволили:_создать модельную водородную паротурбинную

(положительный эффект)

энергоустановку с вихревой камерой сгорания парогенератора и выполнить экспериментальные исследования, результаты которых лягут в основу создания опытно- промышленных образцов.

Гл. инокенер ИК

В.ВХурин-пъ***

(должность) Начальник отд. 121 (инициалы, фамилия) А.Н. Шмойлов

Начальник.отд. 129 О.П. Свиридов

Начальник отд. 140 В.П. Поваляев