Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения


Заведующий кафедрой Э4 проф., д.т.н. В.Л. Бондаренко
и руководитель НУК «Энергомашиностроение» проф., д.т.н. А.А. Жердев
с молодыми сотрудниками лаборатории кафедры Э4 и отделов ЭМ 3.1 и ЭМ 3.2.

Отдел ЭМ 3.1 («Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения») был организован в 1988 году на базе научно-исследовательской части (НИЧ) кафедры Э-4. Первым руководителем отдела был д.т.н., проф. В.Л. Бондаренко (ныне заведующий кафедрой Э4). Длительное время отделом руководил д.т.н., проф. А.А. Жердев (ныне руководитель НУК). Сегодня отделом руководит к.т.н. А.В. Шакуров.

В своей деятельности отдел ЭМ 3.1 поддерживает и укрепляет принцип единства образовательного процесса и научной деятельности в Университете. Сегодня он все также крепко связан с кафедрой Э4 и является одной из форм реализации ее научно-исследовательского потенциала. Движущей силой развития отдела является объединение опыта ведущих профессоров кафедры и энергии молодых выпускников. Коллектив выполняет комплексные, междисциплинарные фундаментальные и прикладные научно-исследовательские работы в рамках государственного финансирования и хоздоговорных работ. В отделе проведены ПНИ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы», работы в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности, гранты Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ. Выполняются гранты РФФИ и РНФ.

Коллективом кафедры и отдела было решено множество инженерных исследовательских задач, на базе которых были разработаны новые образцы различного оборудования. Например, проводились работы по созданию технологий и оборудования для получения чистых и сверхчистых редких инертных газов, которые позволили создать промышленную базу и занять лидирующее положение на мировом рынке.

Основные развивающиеся направления деятельности отдела (при взаимодействии с кафедрой Э4):

1) Сорбционные технологии (например, аккумулирование природного газа, современные осушители воздуха).
2) Повышение эффективности производства редких инертных газов (криптон, неон, ксенон, гелий, их изотопы).
3) Исследования в области криомедицины и криомедицинской техники.

Ведутся также работы по тематикам:

1) Развитие и адаптация энтропийно-статистического анализа криогенных систем.
2) Исследование процессов и разработка систем косвенно-испарительного охлаждения.
3) Разработка и исследование процессов и аппаратов, использующих принцип вихревого эффекта.
4) Моделирование процессов тепло- и массообмена в аппаратах и установках холодильной и криогенной техники.
5) Разработка энергоэффективного оборудования холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования.

      
                      Эталонный термометр.                                              Низкотемпературный морозильник.

Основное имеющееся оборудование (совместно с лабораторией кафедры Э4):

1) Стенд для исследований процессов адсорбционного аккумулирования природного газа.
2) Газоаналитическая лаборатория. Стенд разделения криптоно-ксеноновой смеси.
3) Инфраструктура высокого давления.
4) Воздухоразделительная установка - жидкий азот.
5) Мастерская с участком мехобработки - современные станки, сварочное оборудование, пайка и др. для подготовки низкотемпературного эксперимента.
6) Низкотемпературный морозильник объемом 200 л (температура до минус 113 ⁰С).
7) Низкотемпературный морозильник с камерой 1,5х1,5х1,5 м (температура до минус 35 ⁰С).
8) Стенд для исследования процессов косвенно-испарительного охлаждения воздуха.
9) Workstation 2xIntel Xeon processors (8 physical cores each) 2.6 GHz, 128 Gb RAM.
10) 3D принтер Formlabs Form2.

Примеры реализованных проектов по основным направлениям деятельности:


Принцип использования адсорбента для хранения природного газа в транспортном средстве. Стенд для исследований процессов адсорбционного аккумулирования природного газа.

Коллектив отдела выполнил прикладное научное исследование в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы» на тему: «Разработка и исследование адсорбционной системы аккумулирования природного газа с повышенной пожаровзрывобезопасностью и энергоэффективностью». Технология применения адсорбированного природного газа подразумевает замену компримированного газа на адсорбированный активными углями газ (как на транспорте, так и для других применений).  Разработанный экспериментальный стенд выполняет функции заправочной станции и опытного образца баллона нового поколения для транспортного средства.


Моделирование локального криовоздействия на биоткань. Поле температур.

В 2013-2015 гг. коллективом молодых специалистов под руководством д.т.н., проф. А.А. Жердева и д.т.н., проф. Д.И. Цыганова проводились работы по гранту РФФИ «Моделирование гипотермического охлаждения тканей внутренних органов при роботических операциях». Предложена и рассчитана Малоинвазивная полостная газовая гипотермия - оригинальная схема обеспечения процесса охлаждения при проведении полостных робот-ассистированных операций, осуществляющаяся путем подачи охлажденного газа для создания пневмоперетониума. Разработана методика расчета криовоздействий с учетом групп органов. Разработана методика анализа результатов расчета обеспечения заданного дозирования криовоздействия.


Пример моделирования малоинвазивного криохирургического воздействия

 


Пример моделирования малоинвазивного криохирургического воздействия

 


Зависимость удельной теплоемкости дистиллированной воды и образцов биоматериалов от температуры по результатам ДСК-исследования по температурной программе с дополнительным этапом переохлаждения образцов

Выполнен проект по гранту РНФ 16-19-10567 «Разработка научных основ методов обеспечения дозирования низкотемпературного воздействия на патологически измененные биообъекты сложной конфигурации» (2016-2018 гг.). Результаты работ – основа для разработки концепции корректируемого криовоздействия. В рамках этой концепции возможно будет создавать криохирургические аппараты нового поколения, совмещающие в себе компьютерную программу теплофизического прогнозирования и контроля, робототехнический манипулятор автоматической расстановки криоинструментов в целевую зону и совмещение различных средств медицинской визуализации как для оценки размеров и форм целевой области (предоперационное моделирование),  так и для контроля за областями воздействия в процессе низкотемпературного хирургического вмешательства. Концепция корректируемого криовоздействия посодействует созданию новых инструментов и расширению областей применения криометода, а также расширит возможности хирурга для достижения как онкологических, так и функциональных результатов операций.


Стенд для исследования процессов осушения сжатого воздуха. Исполнители проекта.

В 2014–2017 гг. коллективом молодых специалистов под руководством ведущего инженера Подчуфарова А.А. проводились работы по договору с ООО «Эйр Драйер» по теме: «Разработка и исследование адсорбционного материала для системы осушителя сжатого воздуха». Разработаны и изготовлены осушитель (адсорбер) и экспериментальный стенд для исследования процессов осушения сжатого воздуха методом короткоцикловой безнагревательной адсорбции (КБА), а также проведены испытания изготовленных образцов адсорбционного материала в виде моноблоков на основе доступных на рынках адсорбентов и исследованы их характеристики. Испытания разработанного адсорбционного материала подтвердили эффективность разработанного материала для систем осушения сжатого воздуха. Работы по данному направлению продолжаются.


Стенд разделения криптоно-ксеноновой смеси.

 


Газоаналитическая лаборатория.

Под руководством д.т.н., проф. В.Л. Бондаренко проводится НИР по теме: «Разработка технологии переработки криптон-ксеноновой смеси с целью получения ксенона высокой чистоты из многокомпонентной смеси».

Некоторые ранее реализованные проекты:

В 2010-2012 гг. в рамках программы Минобрнауки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» под научным руководством к.т.н. Гаранова С.А, к.т.н. Жарова А.А. была проведена НИР «Новые энергосберегающие холодильные установки и тепловые насосы систем кондиционирования воздуха, реализующие комбинированные хладоновые, воздушные и водоиспарительные циклы». Целью работы была разработка систем кондиционирования воздуха (СКВ), отвечающих современным и перспективным требованиям энергоэффективности, экологической безопасности и малой стоимости жизненного цикла, реализующих комбинированные хладоновые, воздушные и водоиспарительные циклы. Разработана и исследована комбинированная испарительная водо-воздушная СКВ для железнодорожного транспорта с открытым воздушным циклом пониженного давления во вспомогательном контуре, использующим испарительное охлаждение. Система обеспечивает комфортные условия в кондиционируемом объеме в широком диапазоне изменений климатических параметров воздуха окружающей среды без верхнего ограничения по температуре и с относительной влажностью до 100%. Комбинированная СКВ с воздушными и водоиспарительным циклом, предназначенная для железнодорожного транспорта имеет энергетическую эффективность 1,7 … 3,4 при температуре окружающей среды 32⁰С. В сухих коммерческих условиях снижение энергопотребления доходит до 61%.

Под руководством д.т.н., проф. Архарова А.М. в  2010-2011 гг. была проведена НИР «Энтропийно-статистический анализ существующих отечественных систем ожижения природного газа (СПГ)». Объектом исследования являлись установки сжиженного природного газа малой производительности. Проведен термодинамический анализ установок малой производительности, созданных в последнее время, для ожижения природного газа, работающих в Москве, Санкт-Петербурге и Екатеринбурге. Далее работы продолжились в 2012 г. в рамках НИР «Развитие энтропийно-статистического анализа низкотемпературных систем с целью определения путей уменьшения энергозатрат при генерации тепла и холода, и создание безмашинных методов генерации холода, и создание безмашинных методов генерации холода, в том числе для сжижения природного газа». В данной работе проведен расчет циклов ожижительных установок природного газа, существующей в г. Екатеринбурге на ГРС – 4 и разрабатываемой, а также энтропийно – статистический анализ обеих установок. Цель работы состояла в подтверждении корректности нового метода оценки термодинамической эффективности отдельных агрегатов энергетических систем, вырабатывающих тепло и холод, и целесообразности использования этого метода для оптимизации существующих и проектирования новых экономичных тепловых установок в широком температурном диапазоне как источников используемого природного и отбросного тепла, так и заданной температуры охлаждения и термостатирования объекта. В 2014 году под авторством д.т.н., проф. Архарова А.М. была выпущена монография «Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем».

В 2012-2014 годах под руководством д.т.н., проф. Жердева А.А. для нужд Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ им. П.И. Баранова) проводились НИР «Расчетные исследования и обоснование выбора оборудования с целью оптимизации технологического процесса охлаждения и осушки воздуха», «Проектно-конструкторская проработка контура охлаждения и осушки воздуха в обеспечение создания новой холодильной установки на экологически безопасных хладагентах и хладоносителях».

В рамках ФЦП Минобрнауки РФ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" в 2011-2012 гг. была проведена НИР «Разработка технических основ и создание энергосберегающей адсорбционной системы питания автомобилей природным газом (метаном) для эксплуатации в условиях города». Целью работы являлась разработка научно-технических решений для создания адсорбционной системы питания автомобилей природным газом, обеспечивающей улучшение экологических показателей за счет снижения вредных выбросов при работе двигателей.

Под руководством к.т.н., доцента Колосова М.А. в 2011-2012 гг. были проведены НИР «Разработка принципов работы и экспериментально-теоретическое исследование измерительных элементов высокотемпературных сверхпроводников для криогенных жидкостей», «Экспериментально – теоретическое исследование криожидкостных измерительных элементов на ВТСП». В рамках работ проведено экспериментально-теоретическое исследование линейного композитного проводника (серебряной матрицы-провода с нано-проводниками из высокотемпературного сверхпроводника внутри), в качестве измерительного элемента линейного датчика уровня криогенной жидкости (жидкого азота) в сосуде Дьюара. Методом численного моделирования в работе исследовались физико-математические модели терморезистивного датчика уровня криогенных жидкостей, выполненного с использованием композитного материала ВТСП-серебро. Были разработаны физически обоснованные специальные конструкции этих измерительных элементов с повышенной чувствительностью к измеряемому параметру.

Под руководством д.ф-м.н., профессора Романовского В.Р. в 2012-2014 гг. проводились работы по гранту РФФИ «Физические особенности тепловой стабилизации высокотемпературных сверхпроводников». В рамках проекта были сформулированы предельные условия стабильности токов, вводимых в сверхпроводящую ленту на основе иттрия (Y123) с серебряным и медным покрытиями, в зависимости от их толщины, индукции внешнего магнитного поля и условий охлаждения. Были исследованы закономерности процессов, происходящих при необратимом распространении нормальной зоны, и детально изучено явление пережога сверхпроводящей ленты на основе Y123. В целом, результаты данного проекта расширили рамки существующей теории тепловой стабилизации, так как позволили доказать стабильность таких токовых режимов, которые принципиально не могут быть исследованы с помощью методов, используемых в существующей теории. Полученные результаты опубликованы в изданиях, которые являются ведущими в освещении проблем прикладной сверхпроводимости и получили признание зарубежных коллег.

В 2008-2009 гг. под руководством д.т.н., проф. Архарова А.М. была проведена НИР «Исследование новых методов консервации генетических биоресурсов с использованием комбинированного криорадиационного воздействия». Исследование было посвящено получению новых методов консервации генетических биоресурсов с использованием комбинированного криорадиационного воздействия (работа проводится совместно с кафедрой Э-8). Объектом исследований являлись споровые формы бактерий Bacillus cereus, штамм IP 5832. Эффективность воздействия криогенных температур - 196⁰С вызывает гибель только 15 - 20% от их начальной концентрации, которая составляла 103 - 104 КОЕ/см2. В рамках работы показано, что указанный уровень выживаемости споровых форм исследуемой культуры не зависит от степени ее охлаждения в диапазоне от 0 до -196⁰С. Определены режимы комбинированного воздействия высокоинтенсивного ультрафиолетового излучения и холода на зараженные спорами бактерии (вирусы, споры грибов, бактерии при обработке холодом инактивируются с эффективностью 99 - 100%) при обработке живых систем. Обработка импульсным излучением должна проводиться в диапазоне бактерицидных доз 30 - 200 мДж/см2, которые не вызывают деструкцию живых тканей.

В 2007 г. под руководством к.т.н. С.А. Дашкова была проведена НИР «Совершенствование оборудования для криотерапии», посвященная вопросам развития технологии общего аэрокриотерапевтического воздействия.

По инициативе к.т.н. А.А. Набока, продвигавшего идею о применении энергии взрыва для измельчения автомобильных покрышек, обратившегося к В.Ю. Шадриной была отработана «Криовзрывная технология переработки старых автомобильных покрышек». Первоначально автомобильные покрышки без предварительной подготовки взрывали на полигоне в п. Орево, но получаемые фрагменты имели большие размеры и не могли использоваться в дальнейшем. Далее было предложено предварительно замораживать их в жидком азоте. В МКБ Факел, была построена уменьшенная модель взрывоциркулятора и отработана технология измельчения покрышек. Была достигнута достаточная фракционность, однако процесс был экономически неэффективен. Для совершенствования технологии А.А. Набок обратился на кафедру Э-4 и отдел ЭМ 3.1. В.Ю. Шадрина предложила для охлаждения использовать холод воздушных турбохолодильных машин. В лаборатории кафедры был построен стенд, на котором в результате испытаний была установлена оптимальная температура заморозки, время выдержки и другие параметры теплообмена.  В 2006 г. для дальнейшей отработки технологии взрывоциркуляционного измельчения покрышек был построен экспериментальный завод в г. Радужный Владимирской области.

В 2002-2005 гг. коллективом сотрудников отделов ЭМ 3.1 - д.т.н. Жердева А.А., к.т.н  Глухова С.Д., и ЭМ 2.1 д.т.н. Грехова Л.В., д.т.н. Иващенко Н.А., была проведена НИОКР «Изготовление и испытания опытного образца авторефрижератора на базе автомобиля "Бычок", использующего диметиловый эфир (ДМЭ) в качестве моторного топлива и хладагента». В рамках работ создана и испытана система питания для дизельных авторефрижераторов, в которых ДМЭ используется и как экологически чистое топливо, и как хладагент.

В 1997 г. под руководством с.н.с., к.т.н. Полтарауса В.Б. была разработана Пульсационная холодильная установка, предназначенная для поддержания нормальных температурных условий в замкнутых помещениях в качестве системы кондиционирования, а также охлаждения и термостатирования отдельных объектов. Область применения: в целях объемного кондиционирования в условиях, когда эксплуатация традиционных парокомпрессионных систем затруднена по причинам высокой температуры окружающей среды. Эксплуатационные преимущества пульсационной холодильной установки: предельная простота конструкции; отсутствие подвижных элементов в холодной зоне; малая потребляемая мощность; большой ресурс работы (не менее 20000 часов); простота в эксплуатации и обслуживании; экологическая чистота.

 Технические характеристики:

1.         Холодопроизводительность, максимальная, кВт                      10
2.         Потребляемая электрическая мощность, не более, кВт            0,5
3.         Давление сжатого воздуха на входе, не менее, МПа               0,3
4.         Расход воздуха, максимальный, кг/сек                                    0,2
5.         Температурный эффект охлаждения (адиабатный КПД)          0,5...0,6

В рамках работ для АО "Северсталь" была разработана система охлаждения прокатного двигателя, выполненная по разомкнутой схеме, с использованием в качестве генератора холодного воздуха - пульсационной трубки. Принцип действия пульсационной трубки заключается в периодическом наполнении ее объема газом высокого давления и мгновенном опорожнении трубки до низкого давления. В результате выхлопа из постоянного объема происходит понижение температуры выходящего воздуха. При этом работа расширения газа отводится в окружающую среду непосредственно в виде теплоты, без преобразований одного вида энергии в другой. При степени расширения 2-4 адиабатный КПД пульсационной трубки составляет 0,6...0,72 в зависимости от режима работы.

В первой половине 1990-х годов вышеописанным коллективом были проведены работы по созданию искусственной керамической лыжни для трамплинов. Данная лыжня предлагалась для использования в летнее время для тренировок спортсменов. Сепаратор выполнялся из пластмассы, что позволило существенно снизить хрупкость и повысить прочность лыжни. Скользкая поверхность была образована вкладышами, изготовленными из керамики, что дает возможность получить низких коэффициент трения о лыжню и требуемую скорость разгона. Кроме того, вкладыши были выполнены съемными, что существенно упростило эксплуатацию лыжни, поскольку при необходимости позволяло производить замену не целой секции, а вышедших из строя отдельных элементов. Искусственная лыжня была установлена на 75-метровом трамплине в Вускатти, Финляндия, в июне 1991 года, а три дня спустя на ней прошли международные соревнования.

В конце 80-хх начале 90-хх годов коллективом сотрудников отдела ЭМ 3.1 и научно-технического кооператива «Мысль», среди которых А.В.Мурашкин, Н.В. Поликарпов,  И.В. Семенов, А.В. Толмачев, Н.А. Чернобровкина, В.В. Лубенец, В.В Шишов был проведен ряд работ по разработке снегогенераторов (снежных пушек и ружей) различных конструкций. Способ генерирования снега в данных аппаратах состоял в разделении воздуха в вихревой трубе на поток охлажденного воздуха и поток нагретого воздуха с последующим распылением воды в потоке охлаждающего воздуха при помощи пневматической форсунки.

Молодые сотрудники лаборатории кафедры Э4 и отделов ЭМ 3.1, ЭМ 3.2.

Заведующий отделом ЭМ 3.1

         Шакуров

Алексей Валерьевич

        к.т.н., доцент

Контакты

Телефон: 8(499) 233-62-54

  комн. 233 корпус Э