Теплообмен в капиллярно-пористых природных покрытиях

Цель. Исследование процессов теплообмена в капиллярно-пористых природных покрытиях, создаваемых термическим напылением порошков при их нанесении термоинструментом. В качестве природных материалов выбраны горные породы кварциты, граниты, тешениты, туф и мрамор. Создан термоинструмент со спиновой детонационной струей и разработана технология получения порошков новым способом.

Методы. Термоинструмент за счет автоматического устройства позволяет управлять режимом создания покрытий, изменяя мощность горелки и длину факела. Разработана вытеснительная схема питания инструментом и методика проведения экспериментом. Порошки готовились в специальных формах из системы сопряженных эллиптических поверхностей и различным эксцентриситетом. Технология увеличивает выход порошка класса (0÷2)×10^-3 м и повышает степень упрочнения порошка. Горючее дожигалось на покрытии с коэффициентом избытка окислителя 0.6÷0.8, до шести раз возрастали удельные нагрузки и составляли (2÷15)×10⁶ Вт/м². Вязкие породы подвергались оплавлению.

Результаты. Поперечная скорость участка воспламенения спинового детонационного факела близка к скорости детонации и вдвое превышала скорость звука в струе. Предельная область тепловых нагрузок для покрытий при поддержании перегрева (20÷75) К превосходила кипение в тонких пленках, в большом объёме и тепловых трубах. Исследования с помощью голографической интерферометрии показало, что точкой отсчета является остаточная деформация, определяемая сетью мелких трещин, которые не исчезают при снятии тепловой нагрузки.

Заключение. Обнаружена нелинейная кривая перемещения частиц, а детонационное напыление снижает разрушение частиц порошка по границам раздела нерасплавленных частиц. Природный материал обеспечивает высокую эрозионную стойкость покрытия. Совместные методики исследования с помощью голографии, скоростной киносъёмки и аналитического решения позволяют уточнять механизм создания покрытия и получать расчетные значения тепловых потоков и напряжений.

1. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Моделирование термических напряжений, разрушающих пористые покрытие теплообменных поверхностей энергоустановок // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019. № 21(3). С. 117-125. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-117-125

2. Genbach A.A., et at. Scientific method of creation of ecologically clean capillary-porous systems of cooling of power equipment elements of power plants on the example of gas turbines // Energy. 2020. № 199:117458. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117458

3. Genbach A.A., et at. Boiling crisis in porous structures // Energy. 2022. № 259:125076. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125076

4. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Илиев И.К. Пути повышения эффективности охлаждения камер сгорания и сопел ГТУ // Вестник КГЭУ. Т. 13. №3(51). 2021. – с. 114-134.

5. Литвинцова Ю.Е., Кузьменков Д.М., Мурадян К.Ю., Делов М.И., Куценко К.В. Диагностика переходных режимов теплообмена при кипении в большом объеме на основе вейвлет-преобразования температурных флуктуаций // Теплоэнергетика. 2023. № 11. с. 42–53. DOI:10.56304/S0040363623110103

6. Jena M., Mishra P.C., Sahoo S.S. Охлаждение металлических поверхностей распылением: прогресс в механизмах его реализации (обзор) // Теплоэнергетика. 2023. № 8. С. 27–51. DOI: 10.56304/S0040363623080052

7. Дмитриев А.С., Клименко А.В. Перспективы использования двумерных наноматериалов в энергетических технологиях (обзор) // Теплоэнергетика. 2023. № 8. С. 3–26. DOI: 10.56304/S0040363623080015

8. Santiphong Klayborworn, Watit Pakdee. Effects of porous insertion in a round-jet burner on flame characteristics of turbulent non-premixed syngas combustion // Case Studies in Thermal Engineering. 2019. Vol. 14:100451. https://doi.org/10.1016/j.csite.2019.100451

9. Miao Qian, et at. Study on heat dissipation performance of a lattice porous structures under jet impingement cooling // Case Studies in Thermal Engineering. 2023. Vol. 49:103244. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103244

10. Yan-Hua Huang, et at. Physical and mechanical behavior of granite containing pre-existing holes after high temperature treatment // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2017. Vol. 17. Iss. 4. рр. 912-925. https://doi.org/10.1016/j.acme.2017.03.007

11. Xinghui Wu, et at. An experimental study on the fractal characteristics of the effective pore structure in granite by thermal treatment // Case Studies in Thermal Engineering. 2023. Vol. 45:102921. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.102921

12. Кравченко И.Н., Карелина М.Ю., Зубрилина Е.М., Коломейченко А.А. Ресурсосберегающие технологии получения функциональных наноструктурированных покрытий высокоскоростными методами нанесения // Вестник Донского государственного технического университета . 2015. № 15(3). С. 19-27. https://doi.org/10.12737/12590

13. Клинков С.В., Косарев В.Ф., Желнина А.С. Нанесение методом ХГН композиционных (металл – металл) покрытий // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2016. № 47. С. 135- 153. DOI:10.15593/2224-9982/2016.47.08

14. Бабин С.В., Егоров Е.Н., Фурсов А.А. Влияние материала подложки и угла напыления на макроструктуру капиллярно-пористого покрытия из титана // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 3(660). С. 61-67. DOI:10.18698/0536-1044-2015-3-61-67

15. Дементьев А.И., Подоплелов Е.В., Антонов Л.А., Корчевин Н.А. Математическая модель тепловых процессов в слое пористого металлического покрытия // Иркутский государственный университет путей и сообщений. Машиностроение и машиноведение. 2015. №2(46). С. 65-68