Цивилизация
Группа сибирских ученых, возглавляемая старшим научным сотрудником Томского научного центра СО РАН Анатолием Мазным, использовала для создания инфракрасной горелки новый сплав, благодаря которому она показывает очень высокие результаты по эффективности и экологичности. Сегодня ученые работают над созданием перспективных водонагревательных котлов на основе своей горелки. Сообщение об усовершенствовании и его возможном практическом применении было опубликовано в последнем номере журнала Energy. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов.
Более 90% энергии в мире производится на установках, в которых горит ископаемое топливо, и при этом выделяются парниковые газы. Человечество заинтересовано в том, чтобы процессы горения были максимально экологичны. Эффективность тоже должна быть максимально высокой, ведь чем меньше топлива сгорит для достижения необходимого эффекта, тем меньше будут выбросы вредных веществ. Конечному потребителю выгодно, чтобы покупаемый прибор был максимально дешев и компактен.
Инфракрасные газовые горелки успешно применяются для обогрева помещений с начала XX века. В таких горелках газовая смесь фильтруется через специальный пористый материал и при сгорании нагревает его до белого каления, а тепло передается через излучение, аналогично Солнцу. Коэффициент полезного действия таких горелок, то есть доля энергии, перешедшая в излучение, зависит от множества факторов, в том числе конструкции и материала горелки и соотношения объемов газа и окислителя.
Создать эффективную инфракрасную горелку сибирским исследователям удалось благодаря использованию уникального интерметаллидного сплава никеля и алюминия вместо керамики и нержавеющих сталей, применяемых обычно. Помимо высокой теплопроводности, этот сплав обладает высокой пластичностью, причем, в отличие от большинства материалов, с увеличением температуры его пластичность возрастает. Кроме того, интерметаллиды устойчивы к окислению и могут использоваться до температур порядка 1100 °C. Авторы работы предложили создавать на основе этого сплава пористые матрицы цилиндрической формы. Во время работы горелки продукты сгорания продуваются через поры и вырываются наружу уже изрядно охлажденные, а тепло, забранное горелкой, излучается наружу. Установлено, что в таких горелках можно получать максимально возможную эффективность, которая достижима для заданных режимов работы горелки.
Предложенное усовершенствование решает и проблему экологичности. «Недостаток многих горелок – это низкая экологичность: высокие температуры в зоне горения приводят к окислению атмосферного азота и образованию его весьма нежелательных окисей: ядовитого газа – оксида азота (NO и NO2). Достаточно сказать, что двуокись азота за ее воздействие на психику называют веселящим газом, и это лишь одно из отравляющих качеств NO2. Если в атмосфере крупных городов много оксидов азота, то это провоцирует разрушение озонового слоя и появление вредного смога. Чтобы окисления азота не происходило, надо либо снизить температуру в зоне горения, либо ограничить время нахождения продуктов сгорания в зоне высоких температур. В нашей горелке продукты сгорания, проходя через поры материала, остывают очень быстро, максимум за несколько десятков миллисекунд, и азот практически не успевает создать свои окислы», – рассказал руководитель исследования Анатолий Мазной.
Практических приложений для такой горелки множество. Сейчас ее авторы работают над созданием первых прототипов водогрейных котлов мощностью 20–50 киловатт, которые востребованы для обогрева частных домов. Для Сибири и Дальнего Востока это особенно актуально, тем более что разрабатываемый котел будет экономичным и, что немаловажно, дешевым. Существенная доля энергии выделяется в виде инфракрасного излучения, поэтому можно существенно снизить размер и массу теплообменников. И, конечно же, здесь важна экология, с этой задачей горелка справляется хорошо: оценки показывают, что выбросы соответствуют самым строгим экологическим стандартам в мире.
