Иркутск
Улан-Удэ

Благовещенск
Чита
Якутск

Биробиджан
Владивосток
Хабаровск

Магадан
Южно-Сахалинск

Анадырь
Петропавловск-
Камчатский
Москва

Пламя в шариках

Новая технология горения: японский ученый, ДВФУ и прорыв в энергетике

Пламя в шариках

Японский ученый Каору Марута на базе Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) приступил к реализации научного гранта Правительства РФ.

Профессор Университета Тохоку в течение трех лет на острове Русском во Владивостоке будет исследовать новые технологии горения с возвратом тепла и массы, которые позволяют экономить сжигаемое топливо, уменьшать размеры камер горения, а значит – экономить на готовой продукции и отоплении, а также существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Марута и его российский коллега профессор ДВФУ Сергей Минаев рассказали EastRussia.ru о нюансах новой технологии, ее преимуществах пред традиционными методами горения и о том, как случайная встреча в Сибири дала старт исследованиям, которые могут стать основой для серьезного научного прорыва в современной энергетике.

Встреча экспериментатора и теоретика

Профессора К.Марута и С.Минаев рассказали о том, что их совместная работа началась совершенно случайно.

«Пятнадцать лет назад, в 1999 году, я работал в Новосибирске, мы с Сергеем Минаевым случайно встретились, потому что сидели в соседних кабинетах, обсудили свои научные интересы и обнаружили, что они у нас общие. Я экспериментатор, а мой коллега – теоретик. Так мы и начали работать вместе», - вспоминает К.Марута. По словам С.Минаева, японский ученый тогда организовал специальный семинар, посвященный проблеме шариков пламени, который его заинтересовал.

«В то время про шарики пламени мало кто знал – может быть, десяток человек во всем мире. В 1940-е годы это явление предсказали, но это была чисто математическая находка. Мы работали вместе, ставили опыты с микрогравитацией и шариками пламени. Подробные эксперименты тогда проводили только в США и Японии. Результаты американских опытов были не очень хорошими, а в Японии в это время была так называемая «падающая башня». Это переоборудованная шахта, в которую падал 15 метровый снаряд, который тормозился, и создавались слои невесомости», - рассказывает С.Минаев.

Профессор К.Марута работал на таком уникальном оборудовании, исследуя пределы горения. Там и были впервые получены шарики пламени. Ученым нужно было изучить, насколько можно разбавлять топливо воздухом, чтобы оно при этом продолжало гореть. Это было важно и с точки зрения экономии, и с точки зрения экологических характеристик процесса горения. Все эти эксперименты стали фундаментом нынешних исследований японского ученого и его российских коллег.

Новые идеи мягкого горения

С.Минаев предложил К.Маруте участвовать в конкурсе на получение научного гранта Правительства РФ, и японский ученый в конце 2013 года стал победителем открытого конкурса Министерства образования и науки РФ, который проводился уже в четвертый раз.

Гранты Правительства Российской Федерации выделяются в размере до 90 млн рублей каждый на проведение научных исследований в течение трех лет - с 2014 по 2016 гг. - с возможным продлением проведения научных исследований на два года. Выделение грантов осуществляется в форме субсидий, предоставляемых высшим учебным заведениям или научным организациям, на базе которых осуществляются исследования.

По словам К.Маруты, в ближайшие три года под его руководством в ДВФУ будут проходить перспективные исследования новых технологий горения. Базовой площадкой для работы большой российско-японской команды ученых, в которую также вошли представители Инженерной школы и Школы естественных наук, стала Международная лаборатория горения и энергетики ДВФУ, основанная С.Минаевым.

«Сейчас идет очень важный этап нашей работы – мы изучаем горение с возвратом тепла. Обычно выхлопные газы выкидываются с любого устройства вместе с теплом, но мы используем их температуру, чтобы нагреть входящий воздух или топливо перед тем, как оно сгорит. Это дает экономию в топливе, поскольку мы сохраняем тепло газов, а также позволяет получить новый режим горения – мягкий. Идея такого горения была придумана в середине 1990-х гг. И шарики пламени непосредственно задействованы в этом процессе», - говорит К.Марута.

Он отмечает, что ученым нужно было чисто теоретически изучить пределы горения, и то же время рождались идеи о мягком горении.

«В тот период фундаментальная теория мягкого горения отсутствовала, да и сейчас ее нет. Исследователи получили некоторые экспериментальные результаты, но твердой основы, объяснения, почему так хорошо горит, не было. Для примера, в обычной горелке жар слишком сильный, под пламенем - очень высокая температура, которая дает риски повреждения, а чтобы их избежать, необходимо задействовать большую камеру», - уточняет К.Марута.

Если использовать мягкое горение, а значит низкую температуру, то можно обходиться малым количеством пространства. Этот режим позволяет равномерно распределить тепло по объему камеры и уменьшить ее размеры.

Профессор Марута рассказывает, что в этом случае эффективность горелок возрастает, поэтому можно сохранить до 30% топлива, получая тот же самый поток тепла. С.Минаев же отмечает экологические характеристики новой технологии.

«Как мы получаем тепло в домах? Мы зажигаем газ в большой, размером с комнату, горелке. Этот горячий газ нагревает трубы с водой в теплообменнике. При этом идут выбросы окислов азота, загрязняется атмосфера. В технологии мягкого горения количество выбросов резко уменьшается. При этом новая горелка была абсолютно бесшумна. Процесс происходит в тишине, как чудо, учитывая, что обычная горелка очень шумная. Размеры камеры можно было уменьшать, и вся камера просто светилась», - рассказывает С.Минаев.

Кислородный прорыв в горении

К.Марута, объясняя уникальность и новизну технологи, разъясняет, что мягкое горение бывает двух типов. «В одном случае мы используем воздух. Этот проект уже внедрен в производство, и много японских компаний используют данную технологию. Сейчас там строится около десяти заводов, которые будут работать по этому принципу, и многие европейские страны уже заявили о своей заинтересованности в данной технологии», - говорит ученый.

Второй тип мягкого горения – с использованием чистого кислорода вместо воздуха. Воздух содержит азот, а когда он окисляется, то дает вредный газ NO2, который отвечает за смог, да и вообще загрязняет атмосферу.

Поэтому японский ученый работает над абсолютно новой технологией, когда нагревается чистый кислород и происходит беспламенное горение. В этом случае размеры камеры горелки можно сделать еще меньше, процесс выходит более эффективным, а степень загрязнения окружающей среды сводится к нулю, так как азот удален. На выходе – абсолютно чистая технология.

«Для сравнения: солнечные батареи или ветровые установки - так называемые источники чистой энергии - это не совсем чистые с экологической точки зрения установки. Чтобы создать солнечную батарею, необходимо потребить энергию, то есть сжечь топливо. Чтобы сделать ветровую станцию, надо выплавить алюминий или использовать пластик. Если в этом смысле сравнить, то новая технология горения является по-настоящему чистой даже в отличие от этих экологически-приемлемых технологий», - говорит С.Минаев.

Что касается экономического эффекта, такое горение гораздо дешевле – минимум в три раза по сравнению с традиционными технологиями. Плюс новые экологические требования, обязывающие производства уменьшить до необходимых пределов вредные выбросы, в этом смысле делают старые технологии еще более дорогостоящими.

К.Марута рассказывает, что за счет того, что горелка меньше размером, теплообменников надо делать меньше, следовательно, вложения в строительства уменьшаются. Плюс новая технология не потребует глобального переобучения персонала, что также сэкономит средства.

«Об этой технологии надо рассказывать учащимся профильных специальностей, которые будут потом работать на станциях. Пока студенты ДВФУ не знают о ней, так как работа только началась и технология абсолютно новая. Необходимы исследования, а потом ее можно будет представлять в курсе лекций. Но уже сейчас аспиранты-инженеры ДВФУ участвуют в семинарах профессора Маруты и с большим интересом знакомятся с новой технологией», - отмечает С.Минаев.

Космические перспективы и встреча с Путиным

По предварительным оценкам японского ученого, в течение двух – трех лет можно будет приступить к практической реализации проекта на производствах. При этом, если компании найдут применение подобным установкам, ученые готовы начать работать с ними практически немедленно.

«Мы уже ведем переговоры, показываем технологию компаниям. К сожалению, среди этих предприятий пока нет российских, но ведь и работа здесь только началась», - с оптимизмом смотрит в будущее ученый.

В планах японца – проведение экспериментов над шариками пламени в космосе. «В невесомости пламя горит только таким образом, вместо обычного пламени мы получим точки, очажки горения. И эти точки не движутся, они «висят» в невесомости. Все эти исследования в космосе нужны для земных целей. Мы будем исследовать смеси, которые состоят из углекислого газа, кислорода и маленького количества топлива - точно такой же состав, как в новых горелках. В таких космических экспериментах мы можем получить базовую информацию и использовать ее на практике, удешевляя процессы горения», - говорит К.Марута.

Новой технологией можно не только заменить старые способы горения, но и использовать ее везде, где используются электрические нагреватели.

«Способом кислородного горения можно контролировать температуру поверхности до 1 градуса, как в электрическом нагревателе. Но с новой технологией мы можем сэкономить в два раза, и это позволило бы в два раза уменьшить стоимость изделий. Это уже сделано одной японской компанией, новый метод с использованием маленького нагревательного элемента применяется в пищевой промышленности, и с помощью него предприятие на 80% уменьшило потребление энергии. Соответственно, стоимость продукции упала почти в 10 раз», - подчеркивает японский профессор.

Он надеется, что данная технология станет популярной и здесь, в России. О ней профессор рассказал президенту РФ Владимиру Путину во время его визита в кампус ДВФУ на прошлой неделе.

«Я объяснил Путину эту идею и рассказал о результатах эксперимента. Президент присутствовал на моей открытой лекции, и пусть мы поговорили совсем немного, но я очень рад, что он проявил реальный интерес к этим экспериментам», - отметил К.Марута.