energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2025-18-1-53-58energsecurity-992Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТЫDESIGN, RESEARCH, CALCULATIONSИсследование охлаждающих покрытий на основе природных материаловStudy of cooling coatings based on natural materialsГенбачА. А.GenbachA. A.

050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126

050013, Almaty, Baitursynov str., 126

БондарцевД. Ю.BondartsevD. Yu.

050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126

050013, Almaty, Baitursynov str., 126

d.bondartsev@aues.kzШелгинскийА. 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 Federation2025020520251815358Copyright © Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Шелгинский А.Я., 20252025Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Шелгинский А.Я.Genbach A.A., Bondartsev D.Y., Shelginsky A.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/992

Проведены исследования предельных тепловых нагрузок для систем охлаждения с покрытиями из природных материалов. Для исследования охлаждающих покрытий на основе природных материалов разработана экспериментальная установка, включающая инструмент для напыления покрытия. Определены основы конструирования камер сгорания, сопел и условия напыления материала на поверхность нагрева. Исследования имеют практическое значение в области предельного состояния парогенерирующей поверхности, защищаемой охлаждением от пережога. Разработаны системы охлаждения, которые позволяют исключить развитие трещин в покрытиях камер и сопел за счет термодинамического и акустического экранов из трех тепловых источников, и устройства для проведения напыления покрытий детонационными высокотемпературными факелами, истекающими из камер сгорания и сопел, охлаждаемых капиллярно-пористыми покрытиями. В исследованиях применялся метод голографии и скоростной киносъёмки. Измерялись тепловые потоки, температуры, расходы, давления потоков жидкости и газа. Построена модель взаимодействия осесимметричной сверхзвуковой детонационной струи газов термоинструмента по нормали к покрытию. Установлены термодинамические характеристики кислородно-керосиновых горелок для генерации ими сверхзвуковых высокотемпературных детонационных факелов при напылении покрытий из порошков природных материалов. Получен гранулометрический состав материалов, подобраны гидродинамические режимы работы горелок в диапазоне плотности тепловых потоков 2·106÷2·107 Вт/м2 от факела струи в покрытие. Коэффициент избытка окислителя варьировался в пределах 0,3÷0,8; температура факела струи 850÷3000°С; длина струи 0÷0,16 м; радиус струи (3÷10)·10–3 м; угол оси горелки к покрытию 90÷0 град. Капиллярно-пористая и проточная системы охлаждения показали высокую надежность, однако первая система позволила сократить в десятки раз (до 80 раз) расход охладителя.

Studies of the maximum heating loads for cooling systems coatings made from natural materials have been conducted. To investigate cooling coatings based on natural materials, an experimental setup including a coating spraying tool has been developed. The conditions for spraying the material onto the heating surface, as well as the design principles for nozzles and combustion chambers, have been established. In the area of the steam-generating surface’s limiting state, shielded from burnout by cooling, these investigations are practically significant. Cooling systems with porous coatings have been developed, which make it possible to prevent the development of fractures in the coatings of chambers and nozzles through the use of thermodynamic and acoustic screens from three heating sources, as well as devices for spraying coatings with detonation high-temperature flares emanating from nozzles and combustion chambers that are cooled by capillary-porous coatings. High-speed filming and holography were used during the investigation. Heat fluxes, temperatures, flow rates, and pressures of liquid and gas flows were measured. The degree of unaccounted flow at different pressures was determined. A model of the interaction of an axisymmetric supersonic detonation jet of gases from the thermal tool normal to the coating has been constructed. Thermodynamic characteristics of oxygen-kerosene burners for the generation of supersonic high-temperature detonation flares by spraying of coatings from powders of natural materials have been established, and the granulometric composition of materials has been determined. Hydrodynamic operating modes of the burners were selected for specific heat fluxes in the range of (2·106 ÷ 2·107) W/m2 from the jet torch into the coating. The oxidizer-to-fuel ratio varied between 0.3÷0.8; the jet torch temperature was (850÷3000)°C; the jet length was (0÷0.16) m; the jet radius was (3÷10) ·10-3 m, and the burner axis angle to the coating was (90÷0) degrees. Capillary-porous and flow-through cooling systems showed high reliability, with the former reducing coolant consumption by up to 80 times.

природные материалыпокрытиякамера сгораниясоплогорелкаголографияnatural materialscoatingscombustion chambernozzleburner (heating tool)holographyReferencesShoukat A. K., Nurettin S., Muammer K. Design, fabrication and nucleate pool-boiling heat transfer performance of hybrid micro-nano scale 2-D modulated porous surfaces. Applied Thermal Engineering. Volume 153, 2019,: 168–180. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.133 (In Eng.).Shoukat A. K., Nurettin S., Muammer K. Design, fabrication and nucleate pool-boiling heat transfer performance of hybrid micro-nano scale 2-D modulated porous surfaces. Applied Thermal Engineering. Volume 153, 2019,: 168–180. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.133 (In Eng.).Gang L., Weirong L., Qingzhi W. The convective heat transfer of fractal porous media under stress condition. International Journal of Thermal Sciences. Volume 137, 2019,: 55–63. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.11.017 (In Eng.).Gang L., Weirong L., Qingzhi W. The convective heat transfer of fractal porous media under stress condition. International Journal of Thermal Sciences. Volume 137, 2019,: 55–63. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.11.017 (In Eng.).Chuang T. J., Chang Y. H., Ferng Y. M. 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, 2019, 114358. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114358 (In Eng.).Chuang T. J., Chang Y. H., Ferng Y. M. 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, 2019, 114358. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114358 (In Eng.).Kimihide O., Hosei N. 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, P. 530–538. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.03.008 (In Eng.).Kimihide O., Hosei N. 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, P. 530–538. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.03.008 (In Eng.).Riadh B., Vincent P. Dynamic model of capillary pumped loop with unsaturated porous wick for terrestrial application. Energy. Volume 111, 2016,: 402–413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.102 (In Eng.).Riadh B., Vincent P. Dynamic model of capillary pumped loop with unsaturated porous wick for terrestrial application. Energy. Volume 111, 2016,: 402–413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.102 (In Eng.).Seong W. M., et at. A novel coolant cooling method for enhancing the performance of the gas turbine combined cycle. Energy. Volume 160, 2018,: 625–634. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.035 (In Eng.).Seong W. M., et at. A novel coolant cooling method for enhancing the performance of the gas turbine combined cycle. Energy. Volume 160, 2018,: 625–634. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.035 (In Eng.).Генбач А. А., Бондарцев Д. Ю., Шелгинский А. Я. Исследование наноразмерных и микромасштабных структурированных поверхностей охлаждения теплоэнергоустановок. Надежность и безопасность энергетики 2022. – 15, (1): 38–44. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2022-15-1-38-44Genbach А. А., Bondartsev D. Yu., Shelginsky A. Y. [Investigation of nanoscale and microscale structured cooling surfaces of thermal power plants]. Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki = Safety and Reliability of Power Industry. 2022, 15, (1),: 38–44 (in Russian). https://doi. org/10.24223/1999-5555-2022-15-1-38-44Генбач 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 А. А., Bondartsev D. Yu., Shelginsky A. Y. [Summary of heat transfer processes and their comparative evaluation for capillary porous coatings in power plants]. Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki = Safety and Reliability of Power Industry. 2019, 12, (1),: 29–35 (in Russian). https://doi.org/10.24223/1999-5555-2019-12-1-29-35Xing Y., et al. Turbine platform phantom cooling from airfoil film coolant, with purge flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 140, 2019,: 25–40. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.109 (In Eng.).Xing Y., et al. Turbine platform phantom cooling from airfoil film coolant, with purge flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019, 140,: 25–40. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.109Jiin-Yuh, J. A study of 3-D numerical simulation and comparison with experimental results on turbulent flow of venting flue gas using thermoelectric generator modules and plate fin heat sink. Energy. Volume 53, 2013,: 270–281. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.03.010 (In Eng.).Jiin-Yuh J. A study of 3-D numerical simulation and comparison with experimental results on turbulent flow of venting flue gas using thermoelectric generator modules and plate fin heat sink. Energy. 53, 2013,: 270–281. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.03.010

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