CC BY
5ПРОЕКТ МНТЦ № 2026: МОНОГРАФИЯ «ЭЛЕКТРОСОРБЦИОННЫ1Е ЯВЛЕНИЯ В СЛОЯХ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ»
А. Л. Гусев
Полное название:
Область технологии: Статус проекта: Руководитель проекта:
Ведущий институт: Зарубежные институты:
Написание монографии «Электросорбционные явления в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции»
NNE-HCS: Non-Nuclear Energy. Heating and Cooling Systems 2 / Submitted to Parties for Board Decision Гусев Александр Леонидович
Тел.: 7+83130+56384; факс: 7+83130+63107; e-mail: gusev@hydrogen.ru ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г. Саров, Нижегородская обл., Россия University of Miami, Clean Energy Research Institute, Coral Gables, FL, USA; University of Miami, Dep. of Physics, Coral Gables, FL, USA
Целью проекта является анализ и обобщение накопленных к настоящему времени данных о протекании электроадсорбционных процессов в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции крупных криогенных резервуаров и трубопроводов, а также других термостатируемых объектов. В работе будет продемонстрировано влияние электроадсорбционных процессов на испаряемость криогенных продуктов и снижение степени безопасности термостатируемых объектов. Особое внимание уделено эффекту поля У. Шокли и Дж. Пирсона, газоводяному циклу Бардина - Бреттайна - Шокли, электроадсорбционному эффекту, кинетике и динамике остаточной атмосферы очень крупных криогенных резервуаров с незначительной эффузионной течью, закону изменения испаряемости криогенной жидкости, определению теплопритоков к криогенной жидкости при различных атмосферных условиях.
Характеристика рассматриваемого объекта
Будет рассматриваться модель электросорб-ционных процессов, протекающих в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции. Доминирующим процессом является известный газоводяной цикл Бардина - Бреттайна - Шокли. Будет раскрыт целый ряд взаимосвязанных механизмов основных процессов, наблюдаемых в теплоизоляционных полостях крупных криогенных резервуаров с остаточной водородной атмосферой и наличием незначительной эффу-зионной атмосферной течи.
Актуальность обобщения материала в форме монографии
Экранно-вакуумная теплоизоляция для современного уровня науки и техники является наиболее оптимальной теплозащитой. Она обеспечивает минимальный тепловой поток по сравнению с известными видами теплоизоляции. Вместе с тем, существующие конструкции суперизоляции не позволяют еще в полной мере реализовать все ее достоинства. Суперизоляция, обладая широким диапазоном использования, во многом определяет экономичность, безопасность, надежность и эргономичность большин-
ства химико-технологических и теплофизичес-ких процессов. Ее роль в современной криогенной энергетике и энергетике ближайшего периода «газовой паузы» очень значительна.
Безопасная эксплуатация космических аппаратов, скафандров космонавтов тесно связана с дальнейшей разработкой новых материалов и исследованиями физических поверхностных процессов. Величайшие прорывы в области нанотехнологий, связанные с созданием прочных сорбирующих структур, могут сэкономить значительные энергетические ресурсы.
Сегодня вполне очевидно, что при глобальном переходе на газовое топливо создание хорошей теплоизоляции в большей мере будет способствовать снижению тепловых выбросов в окружающую среду и концентрации углекислого газа в атмосфере, чем создание автомобиля на водородном топливе.
Новизна теоретического и экспериментального материала, представленного в заявляемом проекте, заключается в обобщении результатов весьма редких и достаточно опасных натурных исследований, уже выполненных автором на крупной экранно-вакуумной теплоизоляционной системе криогенного резервуара, но пока полностью не опубликованных.
Область применения
Водородная энергетика, аэрокосмическая техника, специальные теплозащитные костюмы, атомная энергетика и транспорт на водородном горючем, трубопроводный транспорт и т. д.
Прикладной характер исследований, ожидаемые результаты
Результатами проекта могут являться:
■ разработка теплозащитных материалов на основе новых фуллереновых структур, углеродных нанотрубок, оксидных структур переходных металлов, промотированных палладиевы-ми сплавами с использованием мембранной технологии и т. д.;
■ создание базы данных по теплоизоляционным материалам;
■ разработка математической модели рассматриваемых явлений;
■ издание электронной версии монографии «Электросорбционные явления в слоях экран-но-вакуумной теплоизоляции»;
■ разработка методики проведения демонстрационных экспериментов, доказывающих протекание электросорбционных процессов в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции и их влияние на вариацию теплового потока и безопасность теплоизоляционной системы.
Результаты исследований могут быть полезны при разработке новых вакуумных конденсаторов, криогенных резервуаров, криоэлектрон-ных средств, криогенных трубопроводов, ЭВТИ космических аппаратов, скафандров космонавтов, теплозащитных костюмов, 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.
Объективность и значимость
Объективность и значимость выполненных экспериментальных и теоретических исследований доказана при апробации. Работа обсуждалась на Международной конференции по водородной обработке материалов ВОМ-98 (Донецк, 1998 г.), семинаре в Институте физической химии им. Писаржевского (Киев, 1998 г.), Всесоюзной конференции по СВ и ТТО (Болшево, 1990 г.), семинаре в Военно-инженерном космическом университете им. А. Ф. Можайского (Санкт-Петербург, 1999 г.). Проект получил высокую оценку и одобрение директора Института чистой энергии, президента Международной ассоциации водородной энергии, главного редактора международного журнала «International Journal of Hydrogen Energy» профессора
Т. Н. Везироглу и профессора Университета Майами Д. Г. Хершберга. Результаты работы обсуждались на международном симпозиуме IFSSEHT в 2000 и 2003 гг., получили признание и развитие в планах известных научных организаций.
В результате выполнения проекта может быть создан новый вид суперизоляции, имеющей более высокие теплоизоляционные и эксплуатационные характеристики.
Фундаментальность исследований
Исследования поверхностных электросорб-ционных механизмов взаимодействия полупроводниковых веществ с водородом и водородосо-держащими газами в условиях вакуума по газоводяному циклу Бардина - Бреттайна - Шоккли крайне важны для описания целого ряда явлений и носят фундаментальный характер.
Участники проекта
В проекте примут участие высококвалифицированные российские специалисты из РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров), НТЦ «ТАТА» (г. Саров), МГУ им. М. В. Ломоносова (г. Москва), Воронежского государственного технического университета, Института полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова (г. Москва), Всероссийского НИИ «Криогенной техники», а также зарубежные ученые.
Потенциально заинтересованные партнеры приглашаются для проведения совместных или параллельных исследований, обмена информацией на семинарах и рабочих встречах. Результаты сотрудничества могут быть значительнее, если степень заинтересованности партнеров позволит изыскать собственные источники финансовой поддержки работ.
Основная задача
Основной задачей проекта является разработка новых технологий и материалов, обеспечивающих решение глобальных проблем в области защиты окружающей среды, производства энергии и ядерной безопасности, и систематизированное изложение результатов в виде монографии.
Результаты исследования предполагается применять для повышения степени безопасности на атомных электростанциях, водородных магистральных трубопроводах и резервуарах, взрывоопасных и вредных производствах, крупных криогенных комплексах, автомобильном и авиационном транспорте, использующем водород в качестве горючего. Результаты исследования и конкретные разработки теплоизоляции предполагается применять для повышения эксер-гетического КПД процесса хранения и транспортировки криогенных жидкостей.
Таким образом, в реализации проекта могут быть заинтересованы организации, занимающиеся разработкой и эксплуатацией отечественных и зарубежных криогенных комплексов и тепловых электростанций, объектов аэрокосмического комплекса, разработчики перспективных проектов в области водородно-ядерной энергетики, медицинского оборудования. По завершении проекта планируется проведение НИОКР по разработке новых видов теплоизоляции.
Срок выполнения — 24 месяца. В проекте примут участие около 12 человек.
Вывод
В ходе выполнения проекта будут систематизированы и развиты знания, которые помогут развернуть в странах СНГ научно-исследовательские работы конверсионного характера; к их могут быть привлечены ученые и специалисты СНГ, занимающиеся проблемой оружия массового поражения.
Направление проекта в целом — фундаментальные и научно-прикладные исследования и разработка технологий в мирных целях.
ISTC PROJECT #2026: MONOGRAPH ON ELECTROSORPTION PHENOMENA IN SCREEN-VACUUM HEAT INSULATION LAYERS
Full Title:
Tech Area / Field: Status:
Project Manager:
Leading Institute: Collaborators:
Writing of the Monograph: "Electrosorption Phenomena in Screen-Vacuum Heat Insulation Layers"
NNE-HCS: Non-Nuclear Energy / Heating and Cooling Systems 2 / Submitted to Parties for Board Decision Gusev Alexander Leonidovich
Ph.: 7+83130+56384; fax: 7+83130+63107; e-mail: gusev@hydrogen.ru; RFNC VNIIEF, Sarov, N. Novgorod reg., Russia University of Miami, Clean Energy Research Institute, Coral Gables, FL, USA; University of Miami, Dep. of Physics, Coral Gables, FL, USA
The project goal is to analyze and generalize the data accumulated by the present moment on the passing of electroadsorption processes in layers of screen-vacuum heat insulation (SVHI) of big cryogenic reservoirs and pipelines as well as other thermostated objects. The influence of electroadsorption processes on the evaporability of cryogenic products as well as on reduction of the safety degree of thermostated objects will be demonstrated in this report. A special attention will be paid to the field effect by W. Shockly and J. Pearson, Bardeen-Brattain-Shockly's gas-water cycle, electroadsorption effect, kinetics and dynamics of the residual atmosphere of big cryogenic reservoirs with an insignificant effusion leak, law of the cryogenic liquid evaporability behavior, determination of the amount of heat inflows to a cryogenic liquid in the conditions of variable environmental parameters.
Characteristics of the object involved
A model of electroadsorption processes passing in layers of shield-vacuum heat insulation will be considered in the report. The dominating process is the well-known Bardeen-Brattain-Shockly's gas-water cycle. A mechanism will be disclosed for a whole number of interconnected mechanisms of basic processes being observed in heat-insulating cavities (HIC) of big cryogenic reservoirs with residual hydrogen atmosphere and with the presence of an insignificant effusion atmospheric leak.
Urgency of the material generalization in the form of a monograph
For the present-day level of science and technology, the shield-vacuum heat insulation is the most optimal heat protection. It provides the least
heat flux as compared with the well-known heat insulation types. At the same time, the existing super-insulation structures do not still allow to realize all its advantages in full measure. Having a very broad range of application in engineering, super-insulation in many respects determines the economic efficiency, safety, reliability and ergonomic ability of most chemical-and-process and thermophysical processes. Its role in modern cryogenic power engineering and power engineering of the nearest future "gas pause" period is very significant.
The safe operation of spacecraft, cosmonaut's space-suits is closely connected with further development of new materials and investigations of physical surface processes. The greatest breakthroughs in the field of nanotechnologies connected with the development of durable sorbing structures may save considerable energy resources.
So at the given stage of scientific and technological development it is evident that with the global transfer to the use of gas fuels the development of a good heat insulation will, to a greater extent, contribute to solving the problem of reduction of hydrocarbon gas concentration in the atmosphere and reduction of heat emissions into the environment than the development of a hydrogen-fuelled automobile.
The novelty of theoretical and experimental materials given in the project being claimed consists of the generalization of results of quite rare and sufficiently dangerous full-scale investigations, which have already carried out by the author on a big shield-vacuum heat insulation system of a cryogenic reservoir but which has not been accessibly published yet.
Scope of project
Hydrogen power engineering, aerospace engineering, special heat-protecting suits, nuclear power engineering and hydrogen-fueled vehicles, pipeline transport, etc.
Applied nature of research and expected results
The following can be attained as a result of project implementation:
■ new heat-protecting materials will be developed on the basis of new fullerene structures, carbon nanotubes, oxide structures of transition metals promoted by palladium alloys with the use of the membrane technology, etc.;
■ a database on heat-insulating materials will be created;
■ a mathematical model for the phenomena being considered will be developed;
■ an electronic version of the monograph of "Electrosorption phenomena in screen-vacuum heat insulation layers" will be published;
■ procedures on the conduction of certain demonstration experiments will be elaborated, vividly proving the passing of electrosorption processes in layers of shield-vacuum heat insulation and their influence on the heat flux variation and safety of the heat-insulating system.
The results of investigations can be useful at the development of new vacuum condensers, cryogenic reservoirs, cryoelectronic means, cryogenic pipelines, spacecraft SVHI, cosmonaut's space-suits, fireman's heat protecting suits; the results can be used at the development of systems and technologies aimed at the safe operation of objects connected with the fuel production and storage as well as at the assurance of safety in industry branches posing a potential threat for the environment.
The objectiveness and significance
The objectiveness and significance of the experimental and theoretical investigations performed
have been proved at the research approbation. The investigations have been discussed at the international conference on hydrogen processing of materials (VOM-98, Donetsk, 1998), at the workshop in the Pissarzhevskiy Physical Chemistry Institute (Kiev, 1998), at the All-Union conference on launch vehicles (LV) and transport and technological equipment (TTE) (Bolshevo, 1990), at the workshop held in the A. F. Mozhaiskiy Military Engineering Space University (Saint-Petersburg, 1999), at the discussion of a draft of the monograph in the University of Miami (USA) with Professor T. N. Veziroglu, Director of the Institute of Pure Energy, President of the International Association for Hydrogen Energy, Chief Editor of the International Journal of Hydrogen Energy, and Professor D. G. Hershberg, University of Miami; it has been approved and highly appraised. The results of investigations have been discussed at the IFSSEHT-2000 and IFSSEHT-2003 international symposia, they have been recognized and have become developed in the plans of well-known research organizations.
As a result of execution of this work, a new type of super-insulation will be developed having higher heat-insulating and operating characteristics.
Fundamental nature of the investigations
The investigations of surface electrosorption mechanisms of interaction between semiconductor substances and hydrogen-containing gases in the vacuum conditions according to the Bardeen-Brat-tain-Shockly's gas-water cycle are extremely important for the description of a whole number of phenomena and are of a fundamental nature.
Project participants
Highly qualified specialists as well as scientists known worldwide and being the authors of a number of well-known monographs will take part in the monograph preparation from RFNC-VNIIEF (Sarov), TATA STC (Sarov), M. V. Lomonosov Moscow State University (Moscow), Voronezh State Technical University, N. S. Yenikolopov Institute of Polymer Materials (Moscow), All-Russian Research Institute of Cryogenic Engineering.
The interested potential partners are invited to conduct joint or parallel investigations, exchange information at workshops, working meetings. The results of scientific and technical cooperation can be much more significant, if the partner interest degree will allow to find their own sources for the financial support of investigations.
The main project task
The main project task is to develop new technologies and materials providing the solution of global problems in the field of environment protection, energy generation, nuclear safety and their systematic statement in the form of a monograph.
It is supposed to use the results of investigations for the improvement of the degree of safety at nuclear power plants, hydrogen trunk pipelines and reservoirs, at explosion-hazard and harmful productions, at big cryogenic complexes, in motor road vehicles and aircraft using hydrogen as fuel. The results of investigations and specific types of heat insulation developed are proposed to use also for enhancement of the exergy efficiency of the process of storage and transportation of cryogenic liquids.
So those being interested in the implementation of the given project can be organizations dealing with the development and operation of domestic and foreign cryogenic complexes, thermal power plants; organizations dealing with the development and operation of aerospace complex objects; developers of promising projects in the field of hydrogen nuclear power engineering, medical equipment. Upon com-
pletion of the project, it is planned to carry out research and development works for the creation of new types of heat insulation.
The implementation period is 24 months. About 12 people will be involved in the project.
Conclusion
In the course of project implementation, the knowledge and skills will be systemized and developed, which will be of help during the deployment of conversion-nature researches in the CIS countries. Scientists and specialists from CIS connected with mass destruction weapons can be employed for the execution of such research and development works.
The project on the whole is aimed at fundamental and scientific and applied investigations and at the development of technologies for the peaceful purposes.
