Исследование охлаждающих покрытий на основе природных материалов

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.

1. 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.).

2. 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.).

3. 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.).

4. 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.).

5. 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.).

6. 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.).

7. 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/10.24223/1999-5555-2022-15-1-38-44

8. 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/10.24223/1999-5555-2019-12-1-29-35

9. Xing 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.).

10. 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. Volume 53, 2013,: 270–281. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.03.010 (In Eng.).