20/01/2016 ИГиЛ СО РАН
Ученые поставят детонацию на службу человеку
1011 СО РАН ИГиЛ СО РАН ИТ СО РАН Инновации Физика Новосибирск Детонация — один из главных кошмаров любого автовладельца. Она заявляет о себе характерным хлопком в двигателе, заявляет совершенно непредсказуемо, угрожая неприятностями вплоть до разрушения конструкции.
Точно такие же неприятные "сюрпризы" детонация преподносит и газотурбинным двигателям. Поэтому совсем не случайно, что с этим явлением пытаются как-то бороться, причем небезуспешно. Одно из таких средств борьбы — использование токсичных присадок, способных "гасить" детонацию. Мы травим воздух, зато спасаем двигатели своих автомобилей. Такова здесь, собственно, цена победы.
В то же время наука не стоит на месте, и ученые решили повнимательнее рассмотреть данное явление. Выяснилось, что детонация не является абсолютным злом: при правильном подходе ее можно поставить на службу человеку, для чего необходимо отказаться от господствующего стереотипа, будто есть только один-единственный способ сжигания топлива — тот, который используется в существующих двигателях и энергетических установках (и где как раз всячески борются с детонацией). Если же научиться правильно управлять детонационным способом сжигания, то нас ждет настоящая революция в области двигателестроения и энергетики.
Детонация — это "огненный зверь", нуждающийся не просто в укрощении, а в многосторонней "дрессировке", для чего ученым предстоит решить огромное количество задач.
Сегодня в мировой науке уже определился отчетливый тренд, связанный с изучением данного явления. По крайней вере, за несколько последних лет появился вал научных публикаций на эту тему. Самое важное, что российские исследователи находятся здесь в первых рядах. Так, уже не одно десятилетие соответствующие исследования проводят в Институте гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН. Причем, к результатам исследований наблюдается серьезный интерес из-за рубежа, что уже само собой красноречиво характеризует уровень нашей научной школы. Так что мнение наших ученых по данным вопросам весьма авторитетно.
Итак, что же полезного можно извлечь из детонации? Как популярно разъяснил данное явление сотрудник ИГиЛ СО РАН Федор Быковский (один из ведущих специалистов в этой области), если при обычном горении максимальная скорость распространения пламени составляет десятки метров в секунду, то при детонации скорость будет выше на порядки, измеряясь километрами в секунду. Как раз за счет более высокой скорости можно существенно повысить эффективность сжигания топлива. Чем характеризуется детонация с точки зрения физики?
Говоря по-простому, это ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. А за этой волной образуется фронт горения. Сжигание здесь происходит в очень узком слое, при очень высокой температуре и очень короткое время. То есть, все происходит невероятно быстро, за счет чего можно повысить интенсификацию горения. Как этого добиться? Необходимо организовать процесс сжигания таким образом, объясняет ученый, чтобы эта взрывная волна оказалась в замкнутых кольцевых каналах, после чего она будет там существовать непрерывно — до тех пор, пока вы туда подаете топливо. То есть она начнет вращаться в кольцевой камере, куда будет постоянно подаваться "свежая" горючая смесь.
В качестве горючей смеси может служить самое разнообразное топливо. Как раз в этом направлении нашими учеными уже много лет ведутся соответствующие исследования. Вначале проводились эксперименты с топливовоздушными смесями: ацетилен — воздух, водород — воздух, пропан — воздух — кислород, керосин — воздух — кислород. Затем ученые пошли дальше и стали экспериментировать с механо-активированным углем (углем, тонко измельченным на специальных мельницах в Институте теплофизики СО РАН), который подается в камеру с добавлением водорода или синтез-газа.
Исследования по детонационному сжиганию угля на сегодняшний день представляются весьма актуальными для коренной модернизации наших энергетических мощностей. Как мы уже неоднократно писали, угольную энергетику еще рано списывать со счетов, особенно для сибирских регионов, где уголь может стать дешевой альтернативой газу и нефтепродуктам.
Переход к новому сжиганию угля, основанному на непрерывной детонации, приведет к появлению принципиально новых энергетических установок — намного более компактных и эффективных. Обычная угольная теплоэлектростанция — это довольно громоздкий объект. Высота котлов может соответствовать высоте многоэтажного здания. Мало того, здесь требуется парогазовый цикл — то есть вначале мы за счет сжигания угля нагреваем воду, превращаем ее в пар, и уже с помощью пара вращаем турбину, связанную с электрогенератором.
При детонационном сжигании угля нам, во-первых, не потребуются огромные топки, а во-вторых, здесь нет надобности в том, чтобы специально нагревать воду для получения пара. Продукты сгорания вырываются из камеры под очень высоким давлением. То есть их можно непосредственно подавать в турбину, минуя, таким образом, парогазовый цикл. Тем самым существенно упрощается инфраструктура тепловой станции, которая может использовать обычные газовые турбины.
Понятно, что на данном этапе ученые изучают сам физический процесс, то есть исследуют возможности детонационного сжигания. Иначе говоря, работы пока еще ведутся на фундаментальном уровне. Практическое использование результатов этой работы, создание опытных образов топливных камер — это уже следующий этап, реализация которого будет напрямую зависеть от того, насколько данным направлением заинтересуются энергетики или государственные структуры, отвечающие за энергетику.
Есть ли сейчас интерес с их стороны? Однозначно ответить на этот вопрос пока еще не представляется возможным. Да, работу наших ученых уже заметили и даже отметили. Но что будет дальше, совершенно непонятно. Прикладные исследования, опытно-конструкторские работы, инжиниринг, пилотные проекты, тестовые испытания — все это стоит немалых денег. Их же пока еще никто не обещал. По-хорошему, необходимы соответствующие правительственные программы с адекватным финансированием. Но российское правительство, похоже, в настоящее время сосредоточилось на решении геополитических задач. Вопросы модернизации энергетического комплекса в глазах высшего руководства страны как будто отошли на второй план (судя по объемам финансирования, выделяемого на техническую модернизацию). Не ровен час (и это уже будет не первым случаем) новое направление активно подхватит соседний Китай.
Олег Носков
