3675

УДК 537.32

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИХ СИСТЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРНОГО МОДУЛЯ НА

ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БАТАРЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ ГЕОМЕТРИИ

И.Г. Дроздов1, Д.П. Шматов2, А.А. Афанасьев3, Т.С. Тимошинова4, А.Г. Чуйко5 1Д-р тех. наук, профессор, rd-vgtu@mail.ru

2Канд. тех. наук, доцент, rd-vgtu@mail.ru 3Канд. физ.-мат. наук, доцент, rd-vgtu@mail.ru 4Мл. науч. сотр., rd-vgtu@mail.ru

5Заместитель главного инженера, rd-vgtu@mail.ru

1,2,3,4ФГБОУ ВО «Воронежский государственныйтехнический университет», Россия, г. Воронеж

5АО «РИФ», Россия, г. Воронеж

Аннотация: В данной работе определены ключевые требования к проектированию теплопередающих систем термоэлектрических генераторных модулей с полупроводниковыми батареями кольцевой геометрии. Установлено, что максимальное значение предельного теплового потока теплопередающей системы определяется двумя факторами: кризисными явлениями и предельным объемным паросодержанием.

Ключевые слова: система нагрева, термосифон, термоэлектрический генераторный модуль, источник тока, полупроводниковые батареи, теплопередающие системы

Термоэлектрический генераторный модуль (ТЭГМ) является основным элементом конструкции автономного термоэлектрического источника тока (АИТТ). ТЭГМ предназначен для обеспечения прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при сжигании природного газа[1].

К теплопередающим системам ТЭГМ предъявляется ряд ключевых требований, включающих:

–обеспечение равномерного температурного поля на границе контакта с полупроводниковымитермоэлектрическими батареями (ТБ) кольцевой геометрии;

–обеспечение легкого запускаТЭГМ;

–обеспечение стационарного режима работы вдиапазоне регулирования ТЭГМ;

–обеспечение работоспособности и надежности втечение длительного времени. Концептуально наиболее рациональной теплопередающей системой,

удовлетворяющей указанным требованиям является гравитационная тепловая труба – термосифон.

Принцип работы такой системы в составеТЭГМ схематично представлен на рисункена примере системы нагрева (СН).На основе теоретических и экспериментальных исследований [2] устойчивости противоточного течения жидкости и пара можно выделить пять типов кризисных явлений теплопередающих систем данной схемы:потеря устойчивости противоточного движения пленки жидкости и потока газа;потеря устойчивости двухфазного потока при заданной толщине пленки жидкости;«повисание» крупных частиц

71

жидкости в газовом потоке;выброс жидкости из ядра потока; полное прекращение нисходящего течения пленки жидкости (инверсия течения).

Рис. Блок–схема элементов теплопередающей системы нагрева ТЭГМ

Кроме кризисных явлений другим фактором,определяющим работоспособность, является предельный тепловой поток, передаваемый термосифоном [3].

В ходе проведения исследований при разработке АИТТ была разработана методика расчета и проектирования высокоэффективных ТЭГМ.Анализ оптимизационных расчетов показал, что максимальный КПД ТБкольцевой геометрии достигается при определенных конструктивных размерах, которые накладывают ограничение на максимальный диаметр термосифона СН. Тогда с учетом работы [3] может быть определено максимальное значение предельного теплового потока, которое в сочетании с результатами анализа кризисных явлений определяет верхний предел теплопередающей способности СН ТЭГМ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках постановления Правительства Российской Федерации от9 апреля 2010 г. № 218 (Договор№ 03.G25.31.0246).

Литература

1.Шматов Д.П. Определение оптимизационных подходов при проектировании горелочного устройства автономного источника тока на основе термоэлектрического генераторного модуля кольцевой геометрии / Д.П. Шматов, И.Э. Свиридов, Т.С. Тимошинова // Вестник ВГТУ. 2017. – Т. 13. – № 6. – С. 52– 57.

2.Безродный М.К. Процессы переноса в двухфазных термосифонах. Теория и практика / М.К. Безродный, И.Л. Пиоро, Т.О. Костюк. – Киев: Факт, 2005. – 704 с.

3.Shiraishi M. Influence of evaporator geometry on performance limits in twophase closed thermosyphons / M. Shiraishi // Prep. 6lh Int. Heat Pipe Conf. (Grenoble, 1987). – P. 609-613.

72

УДК: 628.385; 662.767.2

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ АНАЭРОБНОЙ КОФЕРМЕНТАЦИИ AMARANTHUSRETROFLEXUS И ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Ю.В. Караева1, С.С. Тимофеева2

1Канд. техн. наук, ст. науч. сотр., julieenergy@list.ru 2Канд. техн. наук, мл. науч. сотр., zvezdochka198512@mail.ru

Институт энергетики и перспективных технологий – структурное подразделение Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии

наук»

Аннотация. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований по получению биогаза при совместном анаэробном сбраживании щирицы запрокинутой и отходов животноводства.

Ключевые слова: биогаз, коферментация, растительная добавка.

Одним из современных направлений увеличения выхода биогаза при анаэробном сбраживании является коферментация, т.е. совместная переработка органических отходов различного происхождения[1]. В настоящее время известно много растительных добавок, тем не менее, до сих пор мало изученным остается использование растений семейства амарантовых.

В данной работе была исследована кинетика анаэробной коферментации

AmaranthusRetroflexus и отходов животноводства.

Состав субстратов:75 г коровьего навозаи14,3 г щирицы доводились дистиллированной водой до 400 мл. Содержание сухого вещества в навозе 17,03%, а в щирице 89,55%. В эксперименте использовалась сухая порошкообразнаяфитомасса листьев щирицы урожая 2018 года.Опыт №1 без предварительной обработки, опыт №2 с предварительной ультразвуковой обработкой.

Предварительной ультразвуковой обработке подвергали в соотношении 1:4 по массе с использованием аппарата УЗТА-0,2/22-ОМ мощностью 200Вт при частоте колебаний 22 кГц. Предварительная обработка ультразвуком проводилась при интенсивности воздействия 10 Вт/см2 в течение 6 минут.

Обработка ультразвуком сделала смесь субстратов гомогенной, при этом частицы стали меньше, а поверхность для контакта с биологическими объектами больше, в частности значительное количество целлюлозы, содержащейся в отходах и, особенно, в растительных добавках, стала доступной для микроорганизмов, участвующих в метановом сбраживании.

Экспериментальные исследования кинетики осуществлялись в лабораторныхметантенках. Процесс метанового сбраживания осуществлялся в мезофильном режиме при температуре 37 С.

На рис. 1 представлено суммарное образование биогаза в эксперименте. Кумулятивный выход газа в опытах №1 и №2 совпадает. Таким образом, ультразвуковая обработка не повлияла на общий выход биогаза.

73

Следует отметить, что скорость выхода биогаза в опыте №1 составила 150 мл/сут., а в опыте №2 120 мл/сут.

Рис.1. Кумулятивный выход биогаза Состав биогаза анализировали методом газожидкостной хроматографии

(рис. 2).

Рис.2. Содержание метана в биогазе Максимальное содержание метана в биогазе наблюдается в опыте №2

65,41%.

В настоящей работе представлены результаты экспериментов с фитомассой ближайшего дикорастущего родственника амаранта – щирицы запрокинутой AmaranthusRetroflexus. Следует подчеркнуть, что щирица – сорняк - космополит, ее фитомасса не имеет стоимости, а ее утилизация является злободневной проблемой.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта№18-48- 160029.

Литература

1. Hagos K.Anaerobic co-digestion process for biogas production: Progress, challenges and perspectives / K.Hagos, J.Zong, D.Li, C.Liu, X.Lu // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - V.76. - P. 1485-1496.

74

УДК: 53.06

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МГД-ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОЕКТАМ

ПЕРСПЕКТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Д.Ю. Черныш1, И.А. Беляев2, Н.А. Лучинкин2 1Магистр, ChernyshDY@gmail.com

2Канд. техн. наук, зав. лаб. 2.1.2.1., bia@ihed.ras.ru 2Лаборант, luchinkinna@yandex.ru

1ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт»

2ФГБУН «Объединенный институт высоких температур Российской академии наук».

Аннотация: в данной работе представлены результаты экспериментального исследования особенностей теплообмена при турбулентном течении жидкого металла в круглой трубе с однородным обогревом в присутствии сильного магнитного поля при различных углах наклона канала. Подобные конфигурации теплообменного канала актуальны для перспективных проектов трактов охлаждения бланкета и дивертора термоядерных реакторов типа токамак. Результаты экспериментов показывают, что вследствие эффекта Гартмана температурные профили при воздействии магнитного поля теряют осевую симметрию, локальные числа температуры стенки становятся неоднородными по периметру сечения трубы.

Ключевые слова: жидкий металл, МГД, теплообмен, зондовые измерения.

Использование жидкометаллических теплоносителей в системах ядерных и перспективных термоядерных установок является актуальным направлением в современной энергетической отрасли. В проекте международного экспериментального термоядерного реактора ITER предусмотрены тестовые бланкетные модули с жидкометаллическим охлаждением. Применение ЖМ в термоядерных установках, где теплообменные каналы находятся в области сильных магнитных полей, сопряжено со значительными трудностями, связанными с обеспечением прокачки теплоносителя при больших сопротивлениях течению. Актуальной инженерной задачей является грамотное расположение каналов теплообменных систем, которое позволит минимизировать негативное воздействие магнитного поля.

При стабилизированном течении без МП и отсутствии влияния термогравитационной конвекции (ТГК) в турбулентной области теплообмен описывается зависимостью Лайона [1]. ТГК проявляется в горизонтальной трубе в виде двух продольных вихрей, которые нарушают осевую симметрию поля температуры и приводят к образованию зон «ухудшенного» и «улучшенного» теплообмена. Распределение температуры по стенке в этом случае становится неоднородным. В вертикальных каналах нарушения осевой симметрии не происходит [2]. Течение в каналах наклонной конфигурации ранее не исследовались.

Анализируя полученные экспериментальные данные по распределению безразмерной температуры стенки по периметру сечения трубы (Рис. 1) можно

75

УДК: 537.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ МНОГОСЛОЙНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ Mg/NbO ПРИ ОТЖИГАХ

А.Н. Смирнов1, О.В. Стогней2 1Аспирант, deadpunk@inbox.ru

2Д-р физ.-мат. наук, профессор, sto@sci.vrn.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация: приводятся результаты исследования структуры, электрических свойств и влияния термических отжигов, проводимых в условиях различного вакуума и газовой среды, на структуру и свойcтва многослойных наноструктур Mg\NbO.

Ключевые слова: многослойная наноструктура, малоугловая рентгеновская рефлектометрия, термическая стабильность, адсорбция водорода.

Объектом исследования является многослойная наноструктура (Mg/NbO)82, рассматриваемая как перспективная среда для обратимого хранения водорода. С одной стороны она содержит наноразмерные включения магния (гидридообразующий элемент с малым удельным весом), с другой – оксид ниобия, являющийся катализатором процессов наводораживания [1].

Исследованные многослойные структуры (Mg/NbO)82 получены методом ионно-лучевого распыления двух независимых мишеней и последующего (попеременного) осаждения материала на подложки. Получены образцы многослойных структур, в которых нанослои оксида ниобия имеют во всех случаях одинаковую толщину, а слои магния в разных образцах различны. Наличие многослойности образцов подтверждается результатами малоугловой рентгеновской рефлектометрии [2]. На основе этих данных рассчитаны значения толщин бислоёв (магний+оксид ниобия), которые меняются от 2,2 нм до 6,2 нм. Анализ зависимости электрического сопротивления многослойной структуры от толщины бислоя (рис. 1) позволяет предполагать, что тонкие слои магния (толщина бислоёв до 4,5 нм) не являются сплошными, а представляют собой

морфологии. Как малоугловая рефлектометрия, так и обычная рентгеновская

77

дифракция подтверждают сделанный вывод. Более того, нагрев до более высокой температуры (450 0С ) не приводит к разрушению многослойной наноструктуры – она сохраняется. Это подтверждается данными малоугловой рефлектометрии. Однако, температурная зависимость электросопротивления измеряемая в вакууме (рис. 2), а также рентгено-дифракционный анализ свидетельствуют о том, что фазовый состав многослойной структуры, в том случае, когда многослойка содержит сплошные слои магния, меняется.

T, C

5- 4,7 нм; 6 - 5,5 нм.

Вдискретно-многослойных структурах (слои магния не сплошные) температурная зависимость сопротивления аналогична зависимости, характерной для нанокомпозитов металл-диэлектрик, фазовый состав сохраняется (магний, оксид магния, аморфный оксид ниобия). В многослойных

структурах со сплошными слоями магния (кривые 5, 6 на рис. 2) наблюдается необычный, резкий рост сопротивления на два – три порядка при 430 0С. Данные рентгенодифракционного анализа позволяют предполагать, что при этих температурах начинается разложение нестехиометричного оксида ниобия

свыделением металлических частиц ниобия (на дифрактограммах появляется соответствующий пик от кристаллического ниобия (110)), а высвобождающиеся атомы кислорода окисляют магний. При этом происходит окисление магниевых слоев, что приводит к разрыву проводящих каналов (рис. 3, б), изменению механизма проводимости и значительному росту электрического сопротивления всей многослойной структуры.

Проведены процессы наводораживания многослойной структуры (Mg/NbO)82 в водороде с давлением 0,4 и 1 атм. при температуре 360 0С, а также в водородной плазме. Исследована возможность формирования гидридов в данных многослойных структурах.

Литература

1.Shigehito I. Microscopic Study on Hydrogenation Mechanism of MgH2 Catalyzed by Nb2O5 / Materials transactions. – 2014. – V.55. – P. 1175-1178.

2.Стогней О.В. Получение многослойных наноструктур Mg/NbO / Стогней О.В. А.В.Ситников, А.Н.Смирнов, К.И.Семененко, В.В.Черниченко //

Вестник ВГТУ. - 2016. – V.12. - N.6. – C.18-24. УДК: 666.7:537

78

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ZrO2, СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ In2O3

О.В. Артамонова

Канд. хим. наук, доцент, ol_artam@rambler.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация. В данной работе представлены результаты исследований электрических свойств композиций состава 10 мол.% In2O3 – 90 мол.% ZrO2 в широком интервале температур (20 – 900 ºС). Установлено, что первоначальное выделение In2O3 на границе зерен исходной фазы стабилизирует тетрагональную модификацию ZrO2 и увеличивает количества кислородных вакансий, обеспечивающих высокую проводимость анионного типа.

Ключевые слова: электрофизические свойства, диоксид циркония, ионная проводимость.

Впоследнее время в технике и в лабораторных исследованиях широко применяются электрохимические ячейки с твердым оксидным электролитом, с помощью которых можно непрерывно анализировать состав различных газовых смесей, например, инертный газ – О2, СО – СО2, Н2 – Н2О [1]. Рабочая температура таких ячеек составляет обычно 1000 – 1200 К, однако для многих целей желательно понижение рабочих температур ячеек. Это приводит к устранению погрешности определения состава газовых смесей, связанной с электролитическим натеканием кислорода, а также к расширению диапазона анализируемых сред. Оксид циркония и особенно его тетрагональная (кубическая) модификация, стабилизированная за счет добавок катионов с низкой степенью окисления, являются одним из наиболее перспективных материалов в этом направлении.

Вданной работе проведены исследования электрических свойств композиций состава 10 мол.% In2O3 – 90мол.% ZrO2 в широком интервале температур (20 – 900 ºС) методом переменного тока на частоте 20 кГц с применением платиновых электродов, а также с использованием моста двойного постоянного тока Р-3009. Установлено, что в низкотемпературной области образцы обладают небольшой проводимостью, с ростом температуры проводимость образцов увеличивается. Для высокотемпературной области характерным является смешанный тип проводимости (ионная и электронная n –

типа). При температуре Т = 400 °С (по данным, полученным на постоянном токе) и 460 °С (по данным, полученным на переменном токе, рис.) меняется механизм проводимости, т.к. на кривой зависимости удельной электропроводности от температуры имеется характерный излом. При Т < Т эффективная энергия активации проводимости равна 0.07 ± 0.02 эВ (по данным, полученным на постоянном токе) и 0.10 ± 0.02 эВ (по данным, полученным на переменном токе). При Т > Т эффективная энергия активации проводимости равна 2.63 ± 0.1 эВ (по данным, полученным на постоянном токе) и 2.43 ± 0.1 эВ (по данным, полученным на переменном токе).

79