Поиск - новости науки и техники

Кипяток с сюрпризами. Исследования в области тепломассообмена ведут к созданию новых технологий и устройств

Что мы знаем о дистилляции? “Это когда жидкость кипятят, а то, что испарилось, собирают и охлаждают – получается какой-то новый продукт, например самогон”, – скорее всего ответит большинство спрошенных. В общем-то верно, но не все так просто. Дистилляция – сложный процесс, который используется для достижения необычных результатов в самых разных областях научной и хозяйственной деятельности. Стараниями ученых открываются все новые грани его применения. Среди тех, кто добивается в этом направлении заметных успехов, – исследователи Института теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН. Об их приоритетных работах в этой и других научных сферах, о том, что стало основой высоких результатов коллектива, рассказывает заведующий лабораторией низкотемпературной теплофизики института член-корреспондент РАН Александр ПАВЛЕНКО (на верхнем снимке).

– Следует сразу сказать, что многие успехи института и в прошлом, и сейчас – заслуга выдающегося ученого, всемирно известного теплофизика, моего учителя Самсона Семеновича Кутателадзе (на нижнем снимке), – говорит Александр Николаевич. – В этом году исполняется 100 лет со дня его рождения, и я, пользуясь случаем, хочу отдать должное этому замечательному человеку.
С его именем неразрывно связана история развития теплофизики. Заслуги Кутателадзе отмечены многочисленными правительственными наградами, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, присуждены Государственные премии СССР и РСФСР, премия имени Ползунова АН СССР, международная медаль имени Джекоба. С 1994 года Институт теплофизики СО РАН, а также улица возле него носят имя талантливого исследователя.
Еще в молодости широкую известность Кутателадзе принесли работы по тепло- и массообмену при фазовых переходах. В 1936-м он сформулировал условия термогидродинамического подобия при фазовых переходах, ввел критерий подобия таких процессов, названный позже его именем. В 1939 году вышла в свет книга “Основы теории теплопередачи при изменении агрегатного состояния вещества” с изложением экспериментальных исследований теплообмена при конденсации, кипении, затвердевании, барботаже и новой методологии обобщения опытных данных. Она была первой в мире монографией на эту тему. Эта работа Самсона Семеновича, впрочем, как и многие его другие, стала новым словом в мировой науке. В исследованиях Кутателадзе проявилась его способность предвидеть потребности будущего, выбрать такое направление поиска, которое пока мало кого интересует, но от которого завтра многое может зависеть, в том числе рост научно-производственного потенциала государства. Теплообмен при кипении, кризисы кипения, а также описывающая эти процессы теория в 1930-х годах казались мало актуальными. Трудно было представить, что нужды атомной энергетики и систем охлаждения ракетных двигателей заставят подробно изучать эти проблемы, искать пути, позволяющие избегать кризисов кипения, например, за счет интенсификации теплообмена. С каждым годом эти вопросы становятся все острее.
К 1949 году Самсон Семенович создал гидродинамическую теорию кризисов кипения, получившую мировое признание. Он также разработал знаменитую модель гидродинамической устойчивости двухфазного пограничного слоя, которая позволила сформулировать широко применяемый критерий устойчивости режимов течения газо-парожидкостных систем. В 1949 году вышла книга Кутателадзе “Теплопередача при конденсации и кипении”, а в 1952-м – ее второе расширенное издание. Вскоре Атомная комиссия США поспешила заказать его перевод. Даже сейчас, спустя время, поражает глубина анализа, широта, научная и практическая актуальность исследуемых автором вопросов.
– Александр Николаевич, как получилось, что вы оказались в числе учеников Кутателадзе и теперь успешно развиваете его идеи?
– Исследованиями я стал заниматься еще во время учебы на физическом факультете Новосибирского государственного университета, когда проходил дипломную практику в лаборатории теплообмена при фазовых превращениях Института теплофизики. Руководил лабораторией академик Кутателадзе. Здесь я продолжил свою научную работу после окончания университета, участвовал в создании крупномасштабного гелиевого контура для изучения теплообмена и гидродинамики во время кипения крио­генных жидкостей при вынужденном течении в каналах большого размера. В этот же период начал исследовать критические явления, происходящие при кипении криогенных жидкостей в условиях нестационарного тепловыделения и свободной конвекции. Актуальность проблемы в том, что в энергетических аппаратах, системах термостабилизации (например, в сверхпроводящих устройствах) тепловая нагрузка может значительно изменяться во времени, часто имеет импульсный, скачкообразный характер. Экспериментально мы показали, что при резких “набросах” температуры величина критического теплового потока может существенно уменьшаться по сравнению с квазистационарными условиями. В то время не было надежной теории для этих явлений. Наша модель описания кризиса кипения при нестационарном тепловыделении наиболее полная и законченная, а полученные на ее основе расчеты успешно используются для самых разных жидкостей в широком диапазоне изменения режимных параметров и характеристик тепловыделяющей стенки. Мне очень дорого, что в 1988 году за эту работу я, как молодой ученый, был удостоен премии СО РАН имени С.С.Кутателадзе.
В 1996-м я стал заведующим лабораторией низкотемпературной теплофизики, частью большой лаборатории, которой руководил директор института Самсон Семенович. Основная наша тематика сегодня – изучение фундаментальных закономерностей теплообмена, переходных процессов и кризисных явлений при кипении и испарении, тепломассообмена при дистилляции в сложных регулярных системах. Повышение энергоэффективности оборудования (например, в атомной энергетике, ракетной технике, системах охлаждения современных суперкомпьютеров, аппаратах со сверхпроводящими системами) напрямую связано с проблемами его устойчивой и безопасной работы. Широко известны масштабы последствий техногенных аварий, связанных с недооценкой этих факторов, например, на самой крупной экспериментальной установке в мире – Большом адронном коллайдере, на Чернобыльской и Фукусимской АЭС, Саяно-Шушенской ГЭС. Практическое значение результатов исследований лаборатории связано, в частности, с определением границ оптимальных и аварийных режимов работы различных типов теплообменников с высокой и нестационарной теплонапряженностью. Результаты этих исследований необходимы для разработки и оптимизации современных высокоэффективных малоинерционных испарителей, теплообменников (в криогенной, холодильной и теплонасосной технике, пищевой промышленности), специальных отборников в измерительном оборудовании, в медицинском и химическом приборостроении. В лаборатории создан комплекс экспериментальных установок по изучению нестационарного теплообмена при фазовых превращениях в различных гидродинамических условиях: при свободной конвекции жидкости, вынужденной конвекции теплоносителя, пленочных течениях. Одно из направлений наших исследований связано с изучением самоподдерживающихся фронтов испарения, развитие которых приводит к быстрому распространению кризисной зоны теплообмена и, как следствие, сгоранию теплообменной поверхности или аварийному росту давления в канальных системах теплообменников. Результаты наших последних исследований показали, что в наножидкостях (это обычные жидкости с добавками твердых наночастиц, важные при решении некоторых прикладных задач) в режимах высокоинтенсивного испарения скорость распространения самоподдерживающихся фронтов вскипания жидкости может сильно увеличиваться. Значительный рост теплообмена в наножидкостях достигается именно при фазовых превращениях (во время кипения и испарения). Для интенсификации процессов, повышения критических потоков, в том числе в нестационарных по тепловыделению условиях, мы проводим исследования с использованием микро- и наноструктурированных покрытий на тепловыделяющих поверхностях. Такие структуры могут оказывать сильное влияние на растекание жидкости по поверхности, волновые характеристики стекающей пленки, параметры вскипания.
Мы первые в мире исследовали развитие теплообмена, кризисного распада в стекающих пленках жидкости при нестационарном тепловыделении, детально изучили процессы повторного смачивания сильно перегретых поверхностей. Можно смело сказать, что это передний край науки в области тепломассообмена при фазовых превращениях. Результаты исследования открывают перспективы для разработки эффективных устройств и технологий.
С практической точки зрения наиболее сильно мы продвинулись в области интенсификации процессов разделения смесей жидкостей при дистилляции на структурированных насадках. Дистилляция (другой вид процесса при фазовых превращениях) сегодня наиболее востребованная, эффективная, экономичная с точки зрения энергозатрат технология получения чистых веществ из многокомпонентных смесей. Для комплексных исследований в этом направлении в нашей лаборатории была создана уникальная крупномасштабная экспериментальная установка – Большая фреоновая колонна, по сути, промышленная модель. Сегодня она не имеет аналогов в мире.
– С кем вы сотрудничаете и каковы перспективы развития вашего направления исследований в условиях последних реформ в науке?
– Мы поддерживаем давние и активные деловые связи с крупнейшей американской фирмой криогенного машиностроения “Эйр Продактс энд Кэмикэлс, Инк”, имеем совместные работы с солидной немецкой химической компанией “БАСФ СЕ”.
Я с большой тревогой наблюдаю за состоянием нашей экономики, развитием наукоемкой промышленности. После того как были разрушены отраслевая наука, КБ и НИИ при крупных заводах, внедренческие функции планируют переложить на академические учреждения и университеты. Имея 20-летний опыт научно-практического сотрудничества с зарубежной компанией криогенного машиностроения, я хорошо знаю, как много средств и времени вкладывают ведущие фирмы в создание новых поколений оборудования и технологий, без этого они будут обречены в острой конкурентной борьбе. “На коленке” и в быстрые сроки (чего обычно от нас требуют) новый самолет или завод не построить. Нужны сто раз продуманные, прошедшие экспертизу и утвержденные на всех уровнях госзаказы, со всей необходимой цепочкой исполнителей (включая Российскую академию наук) и распределения ответственности между ними.
Быть лидерами во всех направлениях невозможно. Нужно иметь несколько “локомотивов”, которые позволят вытащить нашу экономику из системного кризиса. Необходима концентрация средств и усилий в технологической сфере – с жесткой ответственностью по выделенным, “выигрышным” направлениям, доставшимся нам в наследство из прошлого страны. Если мы этого не сделаем, наши инновационные разработки, на которые заметно увеличилось государственное финансирование, будут, как и раньше, оставаться лишь на этапе “созревания”, в виде “первичного научного сырья и идей” утекать за рубеж. И нам опять придется на средства госбюджета поддерживать заграничного производителя. Грантовая система финансирования научных исследований, насаждаемая гонка за научными показателями в виде всевозможных ПРНД, индексов Хирша – все это, конечно, хорошо. Но они больше подходят для фундаментальных исследований.
В конце беседы хотелось бы процитировать моего учителя. Кутателадзе подчеркивал: “Авторитет любого коллектива – величина изменяющаяся. Новые институты создаются тогда, когда в этом есть объективная потребность общества, и создаются они видными, авторитетными учеными или специалистами, как, например, институты Капицы, Курчатова, фирмы Королева. Такие коллективы занимают свои ниши и быстро набирают авторитет”.

Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Снимки из архива института

Нет комментариев