energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2022-15-1-38-44energsecurity-796Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТЫDESIGN, RESEARCH, CALCULATIONSИсследование наноразмерных и микромасштабных структурированных поверхностей охлаждения теплоэнергоустановокInvestigation of nanoscale and microscale structured cooling surfaces of thermal power plantsГенбачА. А.GenbachA. A.

050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126

050013, Almaty, Baitursynov str., 126

БондарцевД. Ю.BondartsevD. Yu.

050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126,

d.bondartsev@inbox.ru

050013, Almaty, Baitursynov str., 126

d.bondartsev@aues.kzБондарцевА. Я.ShelginskyA. Y.

11250, Москва, ул. Красноказарменная, 14

Krasnokazarmennaya str. 14, 111250, Moscow

Алматинский Университет Энергетики и Связи им. Г. ДаукееваКазахстанAlmaty University of Power Engineering and TelecommunicationsKazakhstanФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»РоссияNational Research University «Moscow Power Engineering Institute»Russian Federation2022060520221513844Copyright © Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Бондарцев А.Я., 20222022Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Бондарцев А.Я.Genbach A.A., Bondartsev D.Y., Shelginsky A.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/796

Проведены исследования кризиса теплообмена в зависимости от избытка охладителя, который определил недогрев и скорость потока, теплофизических свойств поверхности нагрева и выброса капель жидкости из пористой структуры. Разработана модель динамики паровых пузырей, рождающихся на твердой поверхности в пористых структурах и парогенерирующей стенке (подложке). Модель основана на кинофотосьемке скоростной камерой СКС-1М. Отвод высоких тепловых потоков (до 2·106 Вт/м2), обеспечивается совместными действиями капиллярных и массовых сил с применением интенсификаторов. Получены уравнения критических тепловых потоков через термогидравлические характеристики процесса кипения в плетеных пористых структурах. Исследования имеют практическое значение в области предельного состояния парогенерирующей поверхности, защищаемой охлаждением от пережога. Рассмотрены три минеральные среды (туф, гранит, мрамор) гор Заилийского и Джунгарского Алатау вблизи города Алматы (Казахстан). Для исследования пористых термодинамических экранов использовался метод голографической интерферометрии. Изучалось напряженное и деформированное состояние образцов. Моделирование акустического поля взрывной волны с помощью термодинамического поля, созданного тремя тепловыми источниками, показало его высокую эффективность. Созданный мощный тепловой экран за счет генерации полей деформаций и термических напряжений является препятствием для распространения отраженной взрывной волны, вызывающей возникновение и развитие разрушительных трещин. Разработаны наноразмерные и микромасштабные структурированные поверхности в виде покрытий и сетчатых структур, которые дают интегрированный эффект промышленных сеток с покрытиями из природных (естественных) минеральных сред и имеют синергетические преимущества объединения этих двух разработок в интегрированную технологию их изготовления, расширением критических тепловых нагрузок и управлением предельным состоянием пористых покрытий. 

Studies were conducted of the heat exchange crisis depending on the coolant excess (which determined the underheating and flow rate), the thermal-physical properties of the heating surface, and the ejection of liquid droplets from the porous structure. A model of dynamics of vapor bubbles born on the solid surface in porous structures and the vapor-generating wall (substrate) has been developed. The model is based on cinematography with an SKS-1M speed camera. The removal of high heat flows (up to 2·106 W/m2) is provided through the joint action of capillary and mass forces with the use of intensifiers. Equations are obtained of critical heat flows through the thermohydraulic characteristics of the boiling process in woven porous structures. The research is of practical importance in the limiting state region of the steam-generating surface protected by cooling from overburning. Three mineral media (tuff, granite, marble) of Zaili and Dzungarian Alatau mountains near the city of Almaty (Kazakhstan) were considered. The method of holographic interferometry was used to study porous thermodynamic screens. The stress and deformed state of the samples was studied. Simulation of the acoustic field of the blast wave with th e thermodynamic field created by three thermal sources has shown its high efficiency. The created powerful thermal screen, due to the generation of strain and thermal stress fields, is an obstacle to the propagation of the reflected blast wave, causing the emergence and development of destructive cracks. Nanoscale and microscale structured surfaces in the form of coatings and mesh structures have been developed, which give an integrated effect of industrial meshes with natural mineral media coatings and have synergistic advantages of combining these two developments in an integrated technology of their production, expansion of critical thermal loads and management of the limiting state of porous coatings.

капиллярно-пористые покрытия и структурытермодинамический экранкамера сгораниясоплокризис кипенияголографияинтерферограммыcapillary-porous coatings and structuresthermodynamic screencombustion chambernozzleboiling crisisholographyinterferogramsReferencesXie Jian, et al. A comprehensive understanding of enhanced condensation heat transfer using phase separation concept. Energy. Volume 172, 1 April 2019, Pages 661–674. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.134 (in Eng.).Xie Jian, et al. A comprehensive understanding of enhanced condensation heat transfer using phase separation concept. Energy. Volume 172, 1 April 2019, Pages 661–674. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.134Seong Won Moon, et at. A novel coolant cooling method for enhancing the performance of the gas turbine combined cycle. Energy. Volume 160, 1 October 2018, Pages 625–634. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.035 (in Eng.).Seong Won Moon, et at. A novel coolant cooling method for enhancing the performance of the gas turbine combined cycle. Energy. Volume 160, 1 October 2018, Pages 625–634. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.035Генбач А. А., Бондарцев Д. Ю. Исследование предельного термического состояния капиллярно-пористых элементов теплоэнергоустановок. Вестник Машиностроения, Москва 2020; 2: 52–57Genbach A. A., Bondartsev D. Y. Modeling of thermal stresses destroying the porous coating of heat-exchange surfaces of power plants. Power engineering: research, equipment, technology 2019; 21(3): 117–125. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-117-125 (In Russ.).Генбач А. А., Бондарцев Д. Ю., Шелгинский А. Я. Обобщение процессов теплопередачи и их сравнительная оценка для капиллярно-пористых покрытий в энергоустановках. Надежность и безопасность энергетики 2019; 12(1): 29–35. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2019-12-1-29-35Genbach A. A., Bondartsev D. Y., Shelginsky A. Y. Summary of heat transfer processes and their comparative evaluation for capillary porous coatings in power plants. Safety and Reliability of Power Industry 2019; 12(1): 29–35. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2019-12-1-29-35 (In Russ.).Генбач А. А., Бондарцев Д. Ю. Научная методика создания капиллярно-пористых систем охлаждения для элементов теплоэнергооборудования электростанций. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение 2019; 3: 89–106. DOI: 10.18698/0236-3941-2019-3-89-106.Genbach A. A., Bondartsev D. Yu. Science-based procedure for designing tubular porous cooling systems for thermal power plant equipment components. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Mechanical Engineering 2019; 3: 89–106 (in Russ.). DOI: 10.18698/0236-3941-2019-3-89-106.Shoukat alim Khan, Nurettin Sezer, Muammer Koç. Design, fabrication and nucleate pool-boiling heat transfer performance of hybrid micro-nano scale 2-D modulated porous surfaces. Applied Thermal Engineering. Volume 153, 5 May 2019, Pages 168–180. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.133 (in Eng.).Shoukat alim Khan, Nurettin Sezer, Muammer Koç. Design, fabrication and nucleate pool-boiling heat transfer performance of hybrid micro-nano scale 2-D modulated porous surfaces. Applied Thermal Engineering. Volume 153, 5 May 2019, Pages 168–180. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.133Kimihide Odagiri, Hosei Nagano. Investigation on liquid-vapor interface behavior in capillary evaporator for high heat flux loop heat pipe. International Journal of Thermal Sciences. Volume 140, June 2019, Pages 530–538. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.03.008 (in Eng.).Kimihide Odagiri, Hosei Nagano. Investigation on liquid-vapor interface behavior in capillary evaporator for high heat flux loop heat pipe. International Journal of Thermal Sciences. Volume 140, June 2019, Pages 530–538. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.03.008Xing Yang, et at. Turbine platform phantom cooling from airfoil film coolant, with purge flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 140, September 2019, Pages 25–40. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.109 (in Eng.).Xianbing Xing Yang, et at. Turbine platform phantom cooling from airfoil film coolant, with purge flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 140, September 2019, Pages 25–40. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.109 (in Eng.).Y. H. Chang, Y. M. Ferng. Experimental investigation on bubble dynamics and boiling heat transfer for saturated pool boiling and comparison data with previous works. Applied Thermal Engineering. Volume 154, 25 May 2019, Pages 284–293. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.092 (in Eng.).Y. H. Chang, Y. M. Ferng. Experimental investigation on bubble dynamics and boiling heat transfer for saturated pool boiling and comparison data with previous works. Applied Thermal Engineering. Volume 154, 25 May 2019, Pages 284–293. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.092T. J. Chuang, Y. H. Chang, Y. M. Ferng. Investigating effects of heating orientations on nucleate boiling heat transfer, bubble dynamics, and wall heat flux partition boiling model for pool boiling. Applied Thermal Engineering. Volume 163, 25 December 2019, 114358. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114358 (in Eng.).T. J. Chuang, Y. H. Chang, Y. M. Ferng. Investigating effects of heating orientations on nucleate boiling heat transfer, bubble dynamics, and wall heat flux partition boiling model for pool boiling. Applied Thermal Engineering. Volume 163, 25 December 2019, 114358. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114358Riadh Boubaker, Vincent Platel. Dynamic model of capillary pumped loop with unsaturated porous wick for terrestrial application. Energy. Volume 111, 15 September 2016, Pages 402–413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.102 (in Eng.).Riadh Boubaker, Vincent Platel. Dynamic model of capillary pumped loop with unsaturated porous wick for terrestrial application. Energy. Volume 111, 15 September 2016, Pages 402–413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.102Третьяков А. Ф. Исследование влияния конструктивных и технологических параметров на удельную прочность пористых сетчатых материалов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2017; 12(693): 30–36. DOI: 10.18698/0536-1044-2017-12-30-36.Tretiakov A. F. Study of the influence of design and technological parameters on the specific strength of porous mesh materials. Proceedings of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering 2017; 12(693): 30–36. DOI: 10.18698/0536-1044-2017-12-30-36 (In Russ.).Бабин С. В., Егоров Е. Н., Фурсов А. А. Влияние технологических параметров процесса плазменного напыления на макроструктуру титановых покрытий // Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2020; 4(721): 44–53. DOI: 10.18698/0536-1044-2020-4-44-53.S. V. Babin, E. N. Egorov, A. A. Fursov. Influence of technological parameters of plasma spraying process on the macrostructure of titanium coatings // Proceedings of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering 2020; 4(721): 44–53. DOI: 10.18698/0536-1044-2020-4-44-53 (In Russ.).Пелевин Ф. В. Гидравлическое сопротивление пористых металлов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2016; 2(671): 42–52. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-2-42-52Pelevin F. V. Hydraulic resistance of porous metals. Proceedings of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering 2016; 2(671): 42–52. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-2-42-52 (In Russ.).Имангазин М. К., Ермуханбетова Ж. Г. Оценка риска опасности аварий на электростанции ТОО «ЖАНАЖОЛСКАЯ ГТЭС» Актюбинская область // Успехи современной науки 2017; 6(6): 19–123.Imangazin M. K., Yermukhanbetova J. G. Assessment of the risk of accidents at the power plant of "ZHANAZHOLSKAYA GTPP" LLP, Aktobe region // Advances in Modern Science 2017; 6(6): 119–123. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.