CC BY
9Краткая информация по проекту:
Написание монографии «Электросорбционные явления в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции».
Неизбежное истощение мировых запасов нефти, а также ухудшающаяся экологическая обстановка вынуждает искать новые энергоносители. Еще во времена Советского Союза Авиационному научно-техническому комплексу (АНТК) им. А.Н. Туполева было поручено создать летающую лабораторию (на базе самолета ТУ-154В), использующую в качестве топлива жидкий водород. Эта программа позволяла одновременно заложить основы создания гиперзвуковой и воздушно-космической авиации и кардинально улучшить экологические характеристики двигателей. В процессе работы над этим проектом в связи с обострением дефицита нефтяного топлива и необходимостью замены его природным газом, пришлось значительно расширить объем научно-исследовательских работ. В результате был создан первый в мире самолет, использующий криогенные топлива - жидкий водород и сжиженный природный газ - ТУ-155 [1].
Применение аккумулирования технически необходимых веществ в криогенном состоянии обусловлено несколькими факторами, определяющими преимущества жидкого состояния веществ по сравнению с газообразным. Во-первых, жидкость в 800 раз плотнее газа при нормальных условиях, что позволяет значительно уменьшить объем и массу тары для хранения и перевозки веществ, а также делает технически возможным накопление, хранение и выдачу потребителям больших масс рабочих продуктов. Хранение, перевозка, создание резервных запасов, выдача с большими расходами в необходимый момент времени водорода, кислорода, аргона и метана в жидком состоянии с газификацией в процессе выдачи более выгодны, а иногда представляют собой единственно возможный способ использования перечисленных веществ в той или иной области техники. Так, только перевод в жидкое состояние метана позволил решить проблему его доставки из районов добычи в районы потребления морским транспортом; снабжение машиностроительных заводов аргоном и кислородом экономически более выгодно осуществлять в жидком состоянии с газификацией на месте потребления. Страны, снабжение которых природным газом по трубопроводам затруднено из-за наличия протяженных водных преград, в последние десятилетия развили технологию ожижения газа и перевозки его в жидком виде в специальных танкерах. Для этого разработано соответствующее технологическое оборудование: мощные ожижительные установки, танкеры с теплоизолированными резервуарами, крупные хранилища, трубопроводы, насосы, газификаторы. Танкеры - метановозы имеют объем грузовых цистерн-резервуаров 50-100 тыс. м3 и более. Объем наземных резервуаров для хранения жидкого природного газа достигает 130 000 м3. Хранение сжиженного природного газа позволяет решить проблему создания его резервных запасов для обеспечения снабжения регионов в периоды
Гусев А. Л.
начальник группы «Новых вакуумных и водородных технологий», Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ), г. Саров, Россия.
максимального потребления. В настоящее время даже в тех странах и регионах, куда природный газ доставляется по трубопроводам в газообразном состоянии, определенное количество газа ожижается с целью создания резервных запасов [2].
Однако, эти энергетические системы далеко не безопасны. Безопасность наиболее опасных и ответственных элементов крупных энергетических систем резервуаров и трубопроводов, в частности, зависит от процессов, протекающих в защитной полости этих объектов. Криогенные жидкости в своем большинстве взрывоопасны. Даже криогенные жидкости инертных газов при определенных условиях могут создавать предпосылки пожара или взрыва (например, при прокачке по трубопроводу с нарушенной теплоизоляцией жидкого азота на внешних стенках трубопровода из воздуха конденсируется жидкий кислород ). Последствия аварий на трубопроводах (обвязки и магистральных) и на крупных резервуарах непредсказуемы. Зона сплошных разрушений на крупных криогенных водородных объектах составляет от нескольких сотен метров до нескольких километров [3, 4, 5]. Мощность взрыва крупных криогенных систем соизмерима со взрывом атомной бомбы. Мощность гипотетического взрыва энергетической водородной системы заправки "Спейс Шаттл" может составлять 30% мощности атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму.
При мгновенном проливе жидкого водорода на площади 1 квадратного метра выделяется энергия эквивалентная 40 килограммам тротила!
Кроме того, процессы, протекающие в защитной теплоизоляционной полости ответственны за экономическую эффективность этих систем.
В предлагаемой монографии будут впервые рассмотрены и проанализированы накопленные к настоящему времени данные о протекании электроадсорбционных процессов в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции крупных криогенных резервуаров и трубопроводов и других термостатируемых объектов, и продемонстрировано их влияние на испаряемость криогенных продуктов [6], а также на снижение степени безопасности термостатируемых объектов. Особое внимание будет уделено обзору работ по эффекту поля [7] , электроадсорбционному эффекту [8-12], кинетике и динамике остаточной атмосферы криогенных резервуаров [6], испаряемости криогенной жидкости, определению величины теплопритоков к криогенной жидкости в условиях изменения параметров окружающей атмосферы.
В работе будет проанализирована взаимосвязь между адсорбционными и отражательными свойствами пленок экранов. В работе [13] свеженапыленная пленка алюминия демонстрировала скачок снижения отражательной способности после кратковременного контакта с кислородом воздуха, вследствие того, что границы кристаллитов в скин-слое подверглись окислению за счет диффузии кислорода.
На основе исследования экранных теплоизоляционных систем будет приведен алгоритм по экономически обоснованному выбору экранных материалов. Для повышения эксергетической эффективности суперизоляции на основе компромисса между отражательными и сорбирующими свойствами экранов будут предложены специальные эксергизаторы [14], изменяющие селективность,
анизотропность, поляризованность отражающих экранов при обеспечении заданной адсорбционной способности покрытий. С точки зрения контроля, вариации степени возбуждения поверхностных плазмонов будут проанализированы существующие технологические циклы изготовления металлизированого покрытия экрана суперизоляции и предложены новые способы изготовления металлических покрытий.
Вообще говоря, из известной формулы Друде следует, что для увеличения отражательной способности поверхности в области инфракрасного излучения ее следует выполнять из металлов с наибольшей электропроводностью. Однако известно, что практически подтвержденная опытами Гагена и Рубенса теоретическая формула Друде для инфракрасной области спектра при Я > 10 мкм перестает быть справедливой в области низких температур [15]. Этот факт объясняется проявлением так называемого аномального скин-эффекта. Скин-эффектом называется явление концентрирования электрического тока высокой частоты на поверхности проводника. Явление нормального скин-эффекта хорошо объясняется на основе уравнений Максвелла и закона Ома. При низких температурах благодаря возрастанию проводимости глубина проникновения поля высокой частоты в металле уменьшается, тогда как средний свободный пробег электронов увеличивается, так что он может стать в несколько раз больше глубины скин-слоя. Поэтому электрон за время свободного пробега будет двигаться через области с разной напряженностью поля; добавочная скорость, которую он получит, будет зависеть от напряженности поля вдоль всего пути движения. Результаты строгого математического решения показывают [16], что напряженность электрического поля определяется сложным выражением, но не имеет экспоненциального вида, который предсказывается классической теорией. Так как распространение волны не является более экспоненциальным, то классическое представление о комплексном показателе преломления в общей теории теряет свой физический смысл. Однако все измеряемые величины могут быть выражены в зависимости от "поверхностного импеданса", который равен отношению напряженностей электрического и магнитного полей на поверхности металла, умноженному на 4л/с. Явление аномального скин-эффекта приводит к значительному увеличению поглощательной способности по сравнению с вычисленной по уравнению Друде. В результате, поглощательная способность чистых металлов уменьшается с понижением температуры гораздо меньше, чем этого можно было ожидать в соответствии с классической теорией. В соответствии с классической теорией поглощательная способность чистых металлов при температуре 70 К должна быть примерно в 4 раза меньше, чем при комнатной температуре. В действительности отношение не превышает 2. Причиной этого расхождения является аномальный скин-эффект. Еще более отклонение имеет место при температуре жидкого гелия [16].
В монографии будут предложены новые подходы к проведению технологических процессов хранения и заправки криогенных веществ. Автор изложит уникальную методику проведения натурных экспериментов по определению кинетики и динамики остаточной среды в ТИП крупных криогенных резервуаров. Будет представлен обзор по низкотемпературным химическим поглотителям, которые целесообразно применять в качестве селективного средства откачки при подобного рода экспериментах.
Планируется представить обширный библиографический материал по рассматриваемым и близким к ним проблемам. Имеется значительная информация справочного характера.
В течение ближайших пяти - десяти лет специалисты по термоядерной физике должны дать окончательный ответ о возможности использования для человечества энергии термоядерной реакции для повседневных бытовых нужд. Пока этот вопрос нерешен актуальность аккумулирования и сохранения энергии, заключенной в газовых и жидких криогенных средах несомненна.
Наиболее часто применяющаяся в крупных криогенных системах США вакуумно-порошковая теплоизоляция, несмотря на более простую эксплуатацию, имеет теплопроводность в несколько десятков раз выше теплопроводности экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), получившей достаточно широкое распространение в России в крупных криогенных системах. Кроме того, при откачке газа из вакуумно-порошковой теплоизоляции или при натекании его в результате негерметичности возможно появление высоких электрических потенциалов [17]. Последнее обстоятельство, несмотря на то, что порошкообразные материалы, применяемые в теплоизоляции не горючи, вызывает чувство тревоги за безопасность таких систем. Кроме того, для вакуумной порошковой теплоизоляции имеется опасность взрыва алюминиевого порошка в атмосфере кислорода.
Защитные свойства лучших образцов наиболее привлекательной экранно-вакуумной теплоизоляции еще не позволяют в полной мере в экономическом аспекте использовать наиболее экологически чистый вид топлива на основе водорода и кислорода. Кроме того, ряд техногенных катастроф, прокатившихся в восьмидесятых годах по всему миру, заставляют очень внимательно отнестись и к физико-химическим процессам протекающим в объеме криогенной жидкости и в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции. Эти процессы, по всей видимости, могут взаимно дополнять и усиливать друг друга.
Анализу правомерности объяснения некоторых макроэффектов, происходящих в криогенном резервуаре с позиций электроадсорбционных явлений в слоях ЭВТИ, и будет посвящена данная монография. При этом будет рассмотрен очень широкий спектр различных задач и использован достаточно большой экспериментальный и теоретический материал, накопленный мировой практикой. Книга будет состоять из трех разделов, в которых рассматриваются:
• Результаты собственных экспериментальных исследований и дается анализ работ других авторов, проводивших свои исследования в подобных условиях, но на экспериментальных стендах в значительно уменьшенном масштабе. Вводится понятие "квазиконденсаторного" эффекта, неучитываемого до сих пор, но в то же время действующего в той или иной степени в криогенных резервуарах с ЭВТИ (Раздел I).
• Для подтверждения правомерности использования понятия о электроадсорбционных процессах в слоях ЭВТИ и, основанных на нем новых моделей, при оценке интенсивности протекания тех или иных процессов, планируется провести анализ экспериментального материала (Раздел II).
• Намечено обсудить ряд необычных следствий, вытекающих из предложенных моделей, а также перспективы этих моделей (Раздел III).
Результаты исследований могут быть полезны при разработке новых вакуумных электрических конденсаторов, криогенных резервуаров, криогенных трубопроводов, ЭВТИ космических аппаратов, скафандров космонавтов, пожарных теплозащитных костюмов, специального теплозащитного оборудования Министерства по Чрезвычайным ситуациям. Результаты работы могут быть использованы при разработке систем и технологий, направленных на безопасную эксплуатацию объектов, связанных с производством и хранением топлива, а также при обеспечении безопасности в отраслях промышленности, представляющих потенциальную угрозу для окружающей среды.
В книге будет раскрыта взаимосвязь процессов, наблюдаемых в крупных криогенных резервуарах с остаточной водородной атмосферой в ТИП и при наличии незначительной атмосферной течи, на первый взгляд кажущихся совершенно необъяснимыми [6].
Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся проблемами производства и хранения криогенных и низкотемпературных веществ в больших количествах. Книга может быть полезна аспирантам и студентам. Литература
1. В.Д. Борисов. Сжиженный природный газ в авиации. Энергия №7, 1999, стр.7- 12.
2. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы.- Л: Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1985.- 247 с., ил.
3. Gusev A.L. Тезисы доклада на VI Международной конференции "Водородное метериаловедение и химия гидридов металлов" (ICHMS'99). Водородный сенсор для криогенно-вакуумных объектов. Кацивели/Крым/, Украина. 1999, стр. 371.
4. Gusev A.L. Доклад на VI Международной конференции "Водородное метериаловедение и химия гидридов металлов" (ICHMS'99). Hydrogen Sensor for Cryogenic Vacuum Objects. Кацивели/Крым/, Украина. 1999, 370.
5. Гусев А.Л., Белоусов В.М., Бачерикова И.В., Ляшенко Л.В., Роэкова Э.В. Водородный сенсор для криогенно-вакуумных объектов. /Вопросы Атомной Науки и Техники. Сер. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. Вып. 1(9), стр.28-32.
6. Гусев А.Л., Куприянов В.И., Кряковкин В.П., Терехов А.С. Натурные испытания химического поглотителя на основе диоксида марганца палладированного в крупнообъемных криовакуумных объектах. Сборник научных трудов Всесоюзной конференции по Средствам выведения и транспортно-технологическому оборудованию (СВ и ТТО). НИИ-50. Болшево, 1990.
7. Волькенштейн Ф.Ф. Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемосорбции.-М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1987.- 432 с.
8. Бару В.Г., Волькенштейн Ф.Ф. - ДАН СССР, 1966, т.167, с.1314.
9. Волькенштейн Ф.Ф., Сандомирский В.Б. -ДАН СССР, 1958, т.118, с.980.
10. Ржанов А.В., Новотоцкий-Власов Ю.Ф., Неизвестный И Г. - ЖТФ, 1957, т.27, с.2440.
11. Ржанов А.В., Павлов Н.М., Селезнева М.А.- ЖТФ, 1958, т.28, с.2645.
12. Ржанов А.В. Электронные процессы на поверхности полупроводников.- М.: Наука, 1971.
13. D L. Windt, W.C. Cash, Jr., M. Scott, P. Arendt, B. Newnam, R.F. Fisher, A.B. Swartzlander, P.Z. Takkacs, and J.M. Pinneo, Appl. Opt., vol. 27, pp. 279-295 (1988).
14. Блох А.Г. и др. Теплообмен излучением: Справочник/ А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. - М.: Энергоатомиздат, 1991.- 432 с.: ил.
15. М.Г. Каганер. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: "Машиностроение", 1966.
16. Соколов А.В. Оптические свойства металлов. М., Физматгиз, 1961, 464 стр.
17. Оконский И.С., А. А. Осокин, Ю.С. Федюков. Процессы и аппараты кислородного и криогенного производства. - М.: Машиностроение, 1985.- 256 с., ил.
