Технология получения антиадгезионных наноструктурированных покрытий металлических трубных поверхностей методом спрей-пиролиза
Быстрый переход:
Основная информация
Название :
Технология получения антиадгезионных наноструктурированных покрытий металлических трубных поверхностей методом спрей-пиролиза
Автор предложения:
Основное технологическое направление :
Био, медицинские и фармацевтические технологии
Дополнительные технологические направления :
Новые конструкционные материалы, методы обработки и производства
Информационно-телекоммуникационные системы и программное обеспечение
Дата
публикации:
04.04.2025
Видимость :
Да
Аннотация:
Целью проекта является разработка антиадгезионных наноструктурированных покрытий на металлические трубные поверхности для предотвращения отложений компонентов рабочей среды и увеличения коэффициента теплопередачи.
Технологический запрос. Нанопокрытие внутренней поверхности трубок конденсатора должно повышать эффективность работы конденсатора паровых турбин посредством интенсификации процесса теплообмена за счет увеличения коэффициента теплопередачи и соответствующего повышения вакуума посредством снижения скорости накопления отложений на теплообменных поверхностях конденсатора. Срок службы нанопокрытия – не менее 25 лет без проведения восстановительных работ.
Один из параметров, обеспечивающих экономичность паровой турбины, является величина вакуума в конденсаторе. Существует множество направлений интенсификации теплообменных процессов в конденсаторе. Одним из наиболее эффективных способов снижения накопления отложений на внутренней поверхности труб конденсатора является использование наноструктурированного покрытия. А, поскольку одной из основных причин появления отложений на внутренней поверхности труб является высокая адгезия материала отложений к стальной поверхности, решением проблемы может являться применение антиадгезионных наноструктурированных покрытий.
Задачи проекта:
- исследование энергетического состояния межфазных границ гетерогенных систем;
- построение опирающейся на микроскопические представления о строении вещества феноменологической модели, позволяющей рассчитать коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела двух разнородных веществ и работу их адгезии;
- разработка теоретических предпосылок и создание антиадгезионных покрытий на основе оксидов металлов нестехиометрического состава;
- разработка математической модели процесса старения системы покрытие-основа;
- лабораторные и опытно-промышленные исследования созданных антиадгезионных наноструктурированных покрытий;
- изготовление технологической установки и апробирование технологии.
Актуальность проекта. Одной из основных проблем, возникающих при работе турбоагрегатов, является накопление отложений компонентов рабочей среды на внутренней поверхности трубок конденсаторов. Это приводит, с одной стороны, к существенному ухудшению процесса теплообмена из-за уменьшения коэффициента теплопередачи и, следовательно, снижению вакуума в конденсаторе. С другой стороны, накопление отложений на внутренней поверхности трубок конденсатора приводит к уменьшению их эффективного сечения, а, следовательно, к повышению гидравлического сопротивления движению пара в конденсаторе. Все это существенно снижает эффективность работы конденсатора паровых турбин, и соответственно экономичность турбоагрегата в целом. Основной причиной появления отложений компонентов рабочей среды на внутренней поверхности трубок конденсаторов является высокая адгезия этих компонентов к металлической поверхности.
Анализ специальной литературы показывает, что в основе формального описания поверхностных явлений, в частности адгезии, до сих пор лежат многие представления и теоретические модели, развитые в конце XIX – начале XX веков. В то же время исследования этих явлений, проведенные в последующие годы, продемонстрировали, что эти представления и модели имеют либо весьма ограниченную область применения, либо вообще должны быть пересмотрены и заменены более современными и всеобъемлющими представлениями и моделями, разработке которых, в частности, посвящен настоящий проект, и которые позволят решить весьма актуальную на сегодняшний день проблему создания термостойких, механически прочных, сравнительно дешевых и экологически безопасных антиадгезионных наноструктурированных покрытий на металлических поверхностях.
Основные планируемые фундаментальные и прикладные результаты
- будет построена исходящая из микроскопических представлений о строении вещества феноменологическая модель поверхностных явлений, позволяющая рассчитать коэффициент поверхностного напряжения на границе раздела двух веществ, а также работу их адгезии;
- будет разработана теоретическая модель, позволяющая связать физические явления, протекающие на границе раздела фаз, с параметрами, описывающими парное взаимодействие молекул веществ;
- будет выбран физико-химический критерий, позволяющий судить о величине адгезии при молекулярном контакте двух разнородных конденсированных сред;
- будет разработана математическая модель процессов релаксации напряжений в покрытии и роста относительной дефектной площади;
- будет разработан технологический процесс получения и создано антиадгезионное наноструктурированное покрытие металлов на основе оксидов металлов нестехиометрического состава;
- будет разработана методика контроля технологических и функциональных параметров созданных покрытий;
- будет разработан и создан макет установки нанесения антиадгезионных наноструктурированных покрытий на металлические трубные поверхности.
Предпосылки для реализации решения заключаются в сокращении затрат на обеспечение:
- чистоты внутренней поверхности трубок конденсатора в течение жизненного цикла турбоагрегата;
- расчетного значения вакуума при работе турбоагрегата на разных нагрузках при отсутствии влияния прочих факторов.
Технологический запрос. Нанопокрытие внутренней поверхности трубок конденсатора должно повышать эффективность работы конденсатора паровых турбин посредством интенсификации процесса теплообмена за счет увеличения коэффициента теплопередачи и соответствующего повышения вакуума посредством снижения скорости накопления отложений на теплообменных поверхностях конденсатора. Срок службы нанопокрытия – не менее 25 лет без проведения восстановительных работ.
Один из параметров, обеспечивающих экономичность паровой турбины, является величина вакуума в конденсаторе. Существует множество направлений интенсификации теплообменных процессов в конденсаторе. Одним из наиболее эффективных способов снижения накопления отложений на внутренней поверхности труб конденсатора является использование наноструктурированного покрытия. А, поскольку одной из основных причин появления отложений на внутренней поверхности труб является высокая адгезия материала отложений к стальной поверхности, решением проблемы может являться применение антиадгезионных наноструктурированных покрытий.
Задачи проекта:
- исследование энергетического состояния межфазных границ гетерогенных систем;
- построение опирающейся на микроскопические представления о строении вещества феноменологической модели, позволяющей рассчитать коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела двух разнородных веществ и работу их адгезии;
- разработка теоретических предпосылок и создание антиадгезионных покрытий на основе оксидов металлов нестехиометрического состава;
- разработка математической модели процесса старения системы покрытие-основа;
- лабораторные и опытно-промышленные исследования созданных антиадгезионных наноструктурированных покрытий;
- изготовление технологической установки и апробирование технологии.
Актуальность проекта. Одной из основных проблем, возникающих при работе турбоагрегатов, является накопление отложений компонентов рабочей среды на внутренней поверхности трубок конденсаторов. Это приводит, с одной стороны, к существенному ухудшению процесса теплообмена из-за уменьшения коэффициента теплопередачи и, следовательно, снижению вакуума в конденсаторе. С другой стороны, накопление отложений на внутренней поверхности трубок конденсатора приводит к уменьшению их эффективного сечения, а, следовательно, к повышению гидравлического сопротивления движению пара в конденсаторе. Все это существенно снижает эффективность работы конденсатора паровых турбин, и соответственно экономичность турбоагрегата в целом. Основной причиной появления отложений компонентов рабочей среды на внутренней поверхности трубок конденсаторов является высокая адгезия этих компонентов к металлической поверхности.
Анализ специальной литературы показывает, что в основе формального описания поверхностных явлений, в частности адгезии, до сих пор лежат многие представления и теоретические модели, развитые в конце XIX – начале XX веков. В то же время исследования этих явлений, проведенные в последующие годы, продемонстрировали, что эти представления и модели имеют либо весьма ограниченную область применения, либо вообще должны быть пересмотрены и заменены более современными и всеобъемлющими представлениями и моделями, разработке которых, в частности, посвящен настоящий проект, и которые позволят решить весьма актуальную на сегодняшний день проблему создания термостойких, механически прочных, сравнительно дешевых и экологически безопасных антиадгезионных наноструктурированных покрытий на металлических поверхностях.
Основные планируемые фундаментальные и прикладные результаты
- будет построена исходящая из микроскопических представлений о строении вещества феноменологическая модель поверхностных явлений, позволяющая рассчитать коэффициент поверхностного напряжения на границе раздела двух веществ, а также работу их адгезии;
- будет разработана теоретическая модель, позволяющая связать физические явления, протекающие на границе раздела фаз, с параметрами, описывающими парное взаимодействие молекул веществ;
- будет выбран физико-химический критерий, позволяющий судить о величине адгезии при молекулярном контакте двух разнородных конденсированных сред;
- будет разработана математическая модель процессов релаксации напряжений в покрытии и роста относительной дефектной площади;
- будет разработан технологический процесс получения и создано антиадгезионное наноструктурированное покрытие металлов на основе оксидов металлов нестехиометрического состава;
- будет разработана методика контроля технологических и функциональных параметров созданных покрытий;
- будет разработан и создан макет установки нанесения антиадгезионных наноструктурированных покрытий на металлические трубные поверхности.
Предпосылки для реализации решения заключаются в сокращении затрат на обеспечение:
- чистоты внутренней поверхности трубок конденсатора в течение жизненного цикла турбоагрегата;
- расчетного значения вакуума при работе турбоагрегата на разных нагрузках при отсутствии влияния прочих факторов.
Решаемые проблемы и области применения
Решаемые проблемы :
Разработанное наноструктурированное покрытие должно существенно сократить затраты на обеспечение:
1) чистоты внутренней поверхности трубок конденсатора в течение жизненного цикла турбоагрегата;
2) расчетного значения вакуума при работе турбоагрегата на разных нагрузках при отсутствии влияния прочих факторов за счет увеличения коэффициента теплопередачи посредством снижения скорости накопления отложений на теплообменных поверхностях.
Актуальность проблемы:
Одной из основных проблем возникающих при работе турбоагрегатов является накопление отложений компонентов рабочей среды на внутренней поверхности трубок конденсаторов. Это приводит, с одной стороны, к существенному ухудшению процесса теплообмена из-за уменьшения коэффициента теплопередачи и, следовательно, снижению вакуума в конденсаторе. С другой стороны, накопление отложений на внутренней поверхности трубок конденсатора приводит к уменьшению их эффективного сечения, а, следовательно, к повышению гидравлического сопротивления движению пара в конденсаторе. Все это существенно снижает эффективность работы конденсатора паровых турбин, и соответственно экономичность турбоагрегата в целом. Основной причиной появления отложений компонентов рабочей среды на внутренней поверхности трубок конденсаторов является высокая адгезия этих компонентов к металлической поверхности.
Анализ специальной литературы показывает, что в основе формального описания поверхностных явлений, в частности адгезии, до сих пор лежат многие представления и теоретические модели, развитые в конце XIX – начале XX веков. В то же время исследования этих явлений, проведенные в последующие годы, продемонстрировали, что эти представления и модели имеют либо весьма ограниченную область применения, либо вообще должны быть пересмотрены и заменены более современными и всеобъемлющими представлениями и моделями, разработке которых, в частности, посвящен настоящий проект, и которые позволят решить весьма актуальную на сегодняшний день проблему создания термостойких, механически прочных, сравнительно дешевых и экологически безопасных антиадгезионных наноструктурированных покрытий на металлических поверхностях.
Потенциальный экономический эффект:
Затраты на чистку труб конденсаторов турбин составляют миллионы рублей, например, известен тендер 2018 года с начальной ценой более 4,8 млн руб. на проведение ремонтных операций [https://synapsenet.ru/zakupki/fz223/31806289808%231--chistka-trubnih-puchkov-kondensatorov-turbin-t100].
Таким образом, однократная обработка металлических поверхностей труб позволит исключить дорогостоящую очистку.
Положительный денежный поток, генерируемый проектом, образуется за счет снижения затрат на поддержание основных фондов предприятия в работоспособном состоянии за счет оптимизации процессов техобслуживания и ремонтов, увеличения срока службы оборудования.
Конкретные объёмы экономии средств известны исключительно Заказчику.
Технологическая схема:
Графическая иллюстрация технологической схемы представлена в презентации (прикреплённый файл).
Установка для реализации технологии включает в себя пульверизатор с системой питания, помещаемый в обрабатываемую трубу с помощью системы крепления пульверизатора и индуктор для нагрева металлической трубы.
Процесса нанесения наноструктурированного покрытия включает в себя следующие операции.
1. Подготавливают спиртовой раствор хлорида металла (состав – ноу-хау).
2. Сжатый воздух и раствор подают в пульверизатор (давление, температура, время напыления – ноу-хау).
3. Металлическая труба разогревается с помощью индуктора до температуры 550 – 600 ºС (расстояние от пульверизатора до индуктора – ноу-хау).
4. Распыляют спиртовой раствор хлорида металла при движении трубы относительно индуктора и пульверизатора (отношение диаметр трубы к диаметру выходного сопла пульверизатора – ноу-хау).
5. После остывания до комнатной температуры проводятся приемочные испытания (определяется сплошность покрытия, адгезионные свойства и т.д.).
6. Трубки, прошедшие испытания готовы к использованию. В случае сваривания трубок операции 1 – 5 повторяют для каждого шва.
Покрытие можно деформировать, не нарушая его сплошности, так как толщина покрытия 10 – 20 нм (трубки с покрытием можно гнуть, завивать в спираль и т.п.).
Технология
Описание технологии и ее ценность :
Антиадгезионные наноструктурированные покрытия, состоящие из пленок оксидов металлов нестехиометрического состава получают методом спрей-пиролиза на нагретую металлическую поверхность спиртовых растворов хлоридов металлов. Это обеспечивает образование на поверхности металла композиционного нанопокрытия из оксидов металлов нестехиометрического состава.
Полученная таким образом пленка оксидов металлов нестехиометрического состава обладает антиадгезионными свойствами за счет дефицита кислорода в структуре покрытия. Это, в свою очередь, существенно снижает риск образования отложений компонентов рабочей среды на поверхности металлов.
Предлагаемая технология отличается простотой, дешевизной и высокой воспроизводимостью. Для ее реализации не требуется дорогого и громоздкого оборудования.
Научная база :
Коллектив занимается исследованием и разработкой слоистых структур, наноструктурированных композиционных материалов с 1995 г. Четыре участника коллектива проекта – доктора наук, шесть – кандидаты наук. За это время авторами проекта опубликовано более 30 научных работ индексируемых в изданиях Web of Science Core Collection / Scopus и более 100 - в изданиях, входящих в РИНЦ, получено 15 патентов и авторских свидетельств (см. приложение).
Приложение.
1. Состав покрытия для защиты сталей от окисления при нагреве. А.с. N 1022495, кл. С21Д 1/70, 1983. Свирский Л.Д., Брагина Л.Л., Гуржи В. И., Ткачев О.Ф., Приходько Л.И., Фроленков К.Ю. и др., всего 10 человек.
2. Шихта покрытия для защиты сталей. А.с. N 1110176, кл. С21Д 1/70, 1984. Свирский Л.Д., Брагина Л.Л., Пугач Л.В., Гуржи В. И., Иванец А.И., Фроленков К.Ю. и др., всего 10 человек.
3. Состав защитно-смазочного покрытия для сталей. А.с. N 1135201, кл. С21Д 1/70, 1984. Свирский Л.Д., Брагина Л.Л., Гоголь А. Б., Нефедов П.С., Пугач Л.В., Фроленков К.Ю. и др., всего 10 человек.
4. Огнеупорная набивная масса для футеровки индукционных печей. Патент РФ на изобретение N 2133719, кл. С04 В 35/14,35/66, 1999. Фроленков К.Ю., Преснецов Н.В., Федоров Н.Ю., Дворядкин М.Ф.
5. Антиадгезионное покрытие. Патент РФ на изобретение № 2198959, кл. С 23 С 30/00, В 05 Д 5/08, 2003. Фроленков К.Ю., Игошин В.М., Матюхин С.И.
6. Способ определения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий. Патент РФ на изобретение. № 2291407, кл. G 01 J 3/46, 2007. Фроленков К.Ю., Ростовцев Н. М., Каспарова Т. Н., Фроленкова Л. Ю.
7. Способ записи и воспроизведения информации в структуре с пленками сегнетоэлектриков на кремниевой основе. Патент РФ на изобретение. № 2315368, кл. G 11B 9/00, G 11B 9/02, 2008. Фроленков К.Ю., Преснецов Н. В., Преснецова В. Ю., Фроленкова Л. Ю.
8. Состав защитно-технологического покрытия стеклокерамического типа. Патент РФ на изобретение. № 2347823, кл. С 21D 1/70, C 23C 26/00, C 03C 3/091, 2009. Фроленков К.Ю., Фроленкова Л. Ю.
9. Селективный травитель гальванических оловянно-свинцовых покрытий с медной основы. Патент РФ на изобретение. № 2351689, кл. C 23F 1/30, 2009. Фроленков К.Ю., Кирсанова О. В.
10. Устройство для определения спектральной зависимости коэффициента диффузного отражения. Патент РФ на полезную модель № 112426, кл. G 01N 21/47, 2012. Фроленков К.Ю., Балк Т. Н., Фроленкова Л. Ю., Глазков О. В.
11. Селективный травитель для снятия оловянно-свинцовых покрытий с медной основы. Патент РФ на изобретение № 2470093, кл. C 23F 1/30, 2012. Фроленков К.Ю., Кирсанова О. В., Винокуров А. Ю., Крамаренко И. Б.
12. Защитно-технологическое покрытие стеклокерамического типа для низколегированных легкоокисляющихся сталей. Патент РФ на изобретение № 2470079, кл. С 21D 1/70, 2012. Фроленков К.Ю., Фроленкова Л. Ю., Преснецова В. Ю.
13. Селективный травитель для снятия оловянно-свинцовых покрытий с медной основы. Патент РФ на изобретение № 2580770, кл. С 23F 1/30; С 23F 1/44, 2016. Фроленков К.Ю., Кирсанова О. В., Винокуров А. Ю.
14. Антиадгезионное покрытие фунгицидного действия. Патент РФ на изобретение № 2667300, кл. C 09D 5/14, B 05D 5/08, A 01N 59/08, A 01N 59/20, B 05D 3/10, C 01G 3/05, 2018. Фроленков К.Ю., Фроленкова Л. Ю., Матюхин О. Д., Тришкина Н. Ю.
15. Способ получения антиадгезионно-биоцидного покрытия из оксидовметаллов нестехиометрического состава. Патент РФ на изобретение № 2728553, C 09D 5/14, B 05D 5/08, С 01G 19/02, C 23C 18/12, 2019. Фроленков К. Ю., Фроленкова Л.Ю., Матюхин О. Д., Тришкина Н. Ю.
Руководитель и исполнители проекта принимали участие и успешно выполняли финансируемые научные темы в рамках: Государственного задания, грантов Российского научного фонда, Грантов Президента Российской Федерации, а также хозяйственно-договорных работ с промышленными предприятиями.
Кратко можно выделить следующие наиболее важные результаты теоретических и экспериментальных работ коллектива, которые найдут применение в заявленном проекте:
- Разработана модель адгезионного взаимодействия твердых тел, в рамках которой можно выявить зависимость характеристик адгезионного взаимодействия (ее наличие или отсутствие, энергия и сила адгезии и т.д.) от механических свойств контактирующих материалов, ее уточнение, обобщение.
- Разработана методика предсказания наличия или отсутствия адгезии между двумя конкретными материалами с известными механическими свойствами.
- Разработан метод подбора для данного материала или пары материалов с плохой взаимной адгезией другого материала, имеющего высокую адгезию с данными материалами.
- Разработан метод количественной оценки поврежденности (несплошности адгезионного контакта при наличии классического контакта) адгезионного шва.
- Разработан метод определения свойств материала в переходном слое между материалами матрицы и частиц наполнителя, его размеров, напряженно-деформированного состояния.
- Разработан метод определения зависимости между теоретическим и реальным пределами прочности линейно упругого материала при данных размерах микротрещин.
- Разработан метод, позволяющий провести вычисление параметров потенциалов Ленарда-Джонса, Можи, используемых, например, в модели адгезии Дерягина-Мюллера-Торопова, выражаемых через поверхностные энергии и энергии и силы адгезии контактирующих материалов.
- Разработан метод расчета энергии и сил адгезии не контактирующих между собой объектов, например, кантилевера атомно-силового микроскопа и исследуемого образца.
- Разработаны наноструктированные антиадгезионные покрытия из оксидов металлов нестехиометрического состава, наносимыеметодом спрей-пиролиза.
- Сконструирован и изготовлен макет установки для нанесения антиадгезионных нанопокрытий на основе оксидов металлов нестехиометрического состава.
- Разработан технологический процесс получения и создано несколько вариантов антиадгезионных нанопокрытий.
- Исследованы основные эксплуатационные и физикохимические характеристики антиадгезионных нанопокрытий.
- Методами электронной микроскопии и плазмохимического травления изучена тонкая структура этих покрытий и сделан вывод об их структурной неоднородности и о влиянии на антиадгезионные свойства полученных покрытий дефицита кислорода в их структуре.
- Разработан подход к созданию феноменологической модели, позволяющей связать физические явления, протекающие на границе раздела фаз с микропараметрами, описывающими парное взаимодействие молекул вещества.
- Осуществлены экспериментальные исследования взаимосвязи краевого угла смачивания и величины адгезии систем жидко-пластическая фаза – поверхность твердого тела.
- Разработан подход к созданию методики контроля дефектности тонкопленочных покрытий.
- Разработана приближенная математическая модель процесса старения тонкопленочных покрытий.
- Осуществлены опытно-промышленные испытания антиадгезионных нанопокрытий.
По результатам исследований защищена кандидатская диссертация и получено три патента на изобретение.
В качестве материально-технической базы при выполнении проекта будут использоваться лаборатории, современная оргтехника и лабораторное оборудование кафедр технической физики и математики, машиностроения, информационных систем и цифровых технологий, промышленной химии и биотехнологии Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева. В частности, при выполнении проекта будут использоваться следующие приборы: микроскоп металлографический МЕТАМ ЛВ-31, микроскоп исследовательский МС-2; микроскоп исследовательский БИОМЕД 5; спектрофотометр «Юнико»; весы технические электронные ЕК 200 G; весы «OHAUS»« AR 2140; шахтная печь СШОЛ – 1.1,6/12 – М3; термостат А 106Т; многофункциональный комплекс «Экотест ВА»; ИК Фурье-спектрометр ИнфраЛЮМ ФТ-02; микроинтерферометр МИИ-4; сканирующий зондовый микроскоп Nanoeducator; осциллограф APS 230; осциллограф PDS 5022T; осцилограф HDO 4054; цифровой осциллограф MSO4054; профилометр-профилограф «Абрис ПМ7.2»; испытательные разрывные машины: МР-200 и ГМС-50; оптический микроскоп METAM-LV-31 (LOMO Company, Russia) оснащённый цифровой фотокамерой Nikon COOLPIX 995; микроскоп ММР-2Р; микроскоп стереоскопический МБС-9; микротвердомер Anton Paar MHT-10 (Anton Paar GmbH, Austria); микротвердомер ПМТ-3; твердомер 22140 ТР; твердомер ТК-2М; твердомер ТШ-2М; твердомер Бринелля VEB; портативный рентгенофлуоресцентный экспресс-анализатор химического состава OLIYMPUS VANTA L мод. VLW; металлографический комплекс для автоматического исследования микроструктуры материалов OMOS M-1000 (микроскоп металлографический с цифровой камерой мод. МИ-1, программный комплекс для качественной и количественной оценки изображений объектов); электропечи сопротивления: ПЛ 10 2.5; ПП 20; ПП 50 для плавки медных сплавов; станок фрезерный; отрезной станок для пробоподготовки металлографических исследований мод. QIEGE-60S; полировальный станок для пробоподготовки металлографических исследований МР-1S; малопластичные бронзы, латуни и сплавы на основе алюминия различных марок.
Коллектив имеет доступ к периодике ведущих научных изданий Elsevier и Springer; национальному цифровому ресурсу «Руконт»; электронно-библиотечной системе «Лань»; электронно-библиотечной системе IPRbooks; научной электронной библиотеке elibrary и др.
Конкурентные технологии :
Конкурентными технологиями являются:
- модификации теплообменных поверхностей методом химического травления с последующим использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ);
- модифицированной методом химического травления при использовании переменного тока и последующей обработки с помощью ПАВ;
- нанесение на внутреннюю поверхность теплообменных трубок полимерных покрытий;
- перевод пленочной конденсации пара в капельную;
- очистка конденсаторных трубок резиновыми шариками;
- обработка воды сильными окислителями;
- подкисление циркуляционной воды;
- рекарбонизация воды;
- магнитная обработка воды;
- фосфатирование;
- продувка системы.
- частичная или полная стабилизация воды путем введения субстехиометрических количеств реагентов, относящихся к классу органических фосфонатов (ОФ).
Инновационность технологии, конкурентные преимущества :
Инновационность предлагаемой технологии заключается в создании путем нанотехнологии покрытия внутренней трубной металлической поверхности, объединяющего и превосходящего результаты существующих технологий, которое должно повышать эффективность работы конденсатора паровых турбин посредством интенсификации процесса теплообмена за счет увеличения коэффициента теплоотдачи и соответствующего «углубления» (повышения) вакуума посредством снижения скорости (исключения) накопления отложений на теплообменных поверхностях конденсатора. Срок службы нанопокрытия – не менее 25 лет без проведения восстановительных работ.
Текущее состояние
Описание текущего состояния :
Проблема интенсификации теплообменных процессов в конденсаторах современных паровых турбин турбоустановок является одной из наиболее актуальных, т.к. высокие значения коэффициента теплопередачи позволяют даже в условиях нерасчетных режимов эксплуатации обеспечить, с одной стороны, достаточно высокий их кпд, т.е. поддерживать необходимый уровень вакуума в паровом пространстве конденсатора, а с другой, - создает условия для более глубокой деаэрации конденсата, что минимизирует коррозионные процессы в конденсатно-питательном тракте.
Внутренние поверхности трубок конденсатора паровых турбин, подвергаясь воздействию рабочей среды. От отложений на них с течением времени и последующей адгезии компонентов рабочей среды ухудшаются рабочие характеристики в конденсаторах современных паровых турбин турбоустановок. Для борьбы с этим явлением используются различные технологии. Их можно разделить на два класса. К первому из них можно отнести те технологии, которые направлены на изменение свойств внутренней трубчатой поверхности с помощью каких-либо физических воздействий на нее или создания покрытий с определенными свойствами (прежде всего антиадгезионными). Сюда относятся такие технологии как-
- модификации теплообменных поверхностей методом химического травления с последующим использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ);
- модифицированной методом химического травления при использовании переменного тока и последующей обработки с помощью ПАВ;
- нанесение на внутреннюю поверхность теплообменных трубок полимерных покрытий.
Из результатов применения первых двух технологий следует, что с повышением краевого угла смачивания, достигаемого различными методами модификации поверхности, интенсифицируется процесс теплопередачи. Эти же технологии способствуют переводу пленочной конденсации пара в капельную, способствующему ускорению теплообмена между рабочей средой и металлическими стенками. Применять технологии рекомендуется один раз в год при проведении планового ремонта.
Для третьей технологии лабораторные исследования и комплексное обследование коррозионного состояния и накипеобразования показало, что полимерные покрытия зарекомендовали себя эффективным средством противокоррозионной защиты и антинакипного действия с опытом промышленного использования 12 лет.
Второй класс технологий связан с проведением периодических или постоянно действующих операций по очистке теплообменных трубок от накопившейся накипи на них или операций с рабочей средой, препятствующих появлению накипи.
Отложения могут быть условно разделены на несколько групп:
1) Карбонатные отложения (накипь, образуемые из-за выпадения солей жесткости из охлаждающей воды при нагреве её. Отложения образуют плотный и прочный слой;
2) Органические отложения, вызываемые микроорганизмами и водорослями, присутствующими в охлаждающей воде. Отложения имеют характер скользкой слизистой пленки на внутренней поверхности труб;
3) Насосные отложения, состоящие из песка, глины, ила, продуктов коррозии металла. Как правило, они удаляются сравнительно легко механическим или гидравлическим способом;
4) Смешанные отложения, представляющие собой комбинации вышеперечисленных видов отложений.
Для поддержания трубных систем конденсаторов в чистом состоянии проводятся профилактические мероприятия по предотвращению образования отложений, а также периодические очистки на работающем или остановленном агрегате.
Для предотвращения образования мягких насосных отложений применяются периодическое увеличение скорости охлаждающей воды и непрерывная очистка конденсаторов резиновыми шариками.
Для предотвращения образования накипи применяются также физические способы – обработка воды магнитным полем и с помощью ультразвука. Для выбора способов предотвращения загрязнений конденсатора и способа очистки его производится осмотр трубной системы. Отбирается проба отложений путем соскабливания их с труб или проталкивание через трубу в шомпола с резиновым наконечником.
Анализ отобранных отложений в сочетании с исследованием систем водоснабжения позволит определить оптимальные способы очистки. В их число входят
- очистка конденсаторных трубок резиновыми шариками;
- обработка воды сильными окислителями;
- подкисление циркуляционной воды;
- рекарбонизация воды;
- магнитная обработка воды;
- фосфатирование;
- продувка системы.
- частичная или полная стабилизация воды путем введения субстехиометрических количеств реагентов, относящихся к классу органических фосфонатов (ОФ).
Перечисленные технологии позволяют сделать вывод о том, что они не могут обеспечить существенного улучшения физических и экономических показателей качества и эффективности работы конденсатора паровых турбин. Поэтому создание новых технологий, направленных на улучшение этих показателей является актуальной проблемой.
Интеллектуальная собственность :
| Название документа | Антиадгезионное покрытие. Патент РФ на изобретение |
| Номер | Антиадгезионное покрытие. Патент РФ на изобретение |
| Название документа | Защитно-технологическое покрытие стеклокерамического типа для низколегированных легкоокисляющихся сталей. Патент РФ на изобретение |
| Номер | Защитно-технологическое покрытие стеклокерамического типа для низколегированных легкоокисляющихся сталей. Патент РФ на изобретение |
| Название документа | Антиадгезионное покрытие фунгицидного действия. Патент РФ на изобретение |
| Номер | Антиадгезионное покрытие фунгицидного действия. Патент РФ на изобретение |
| Название документа | Способ получения антиадгезионно-биоцидного покрытия из оксидов металлов нестехиометрического состава. Патент РФ на изобретение |
| Номер | Способ получения антиадгезионно-биоцидного покрытия из оксидов металлов нестехиометрического состава. Патент РФ на изобретение |
Текущее финансирование (Описание) :
Инициативная НИОКТР. Текущее финансирование отсутствует. Требуемый объём инвестиций - 11 млн руб. Основные статьи затрат:
- оплата труда участников проекта;
- командировочные расходы;
- затраты на материалы комплектующие;
- затраты на изготовление макета технологической установки;
- пошлины на получение охранного документа;
- оплата по лицензионному договору на передачу прав на РИД.
План развития :
| 2021 | 1. Адаптация феноменологической модели поверхностных явлений к конкретным условиям работы пароконденсатора. 2. Доработка теоретической модели, связывающей физические явления на границе раздела фаз с параметрами, описывающими парные взаимодействия молекул веществ. 3. Выбор и обоснование физико-химического критерия, характеризующего адгезию при молекулярном контакте двух конденсированных сред. |
| 2022 | 1. Разработка математической модели процессов релаксации напряжений в покрытии и роста дефектности в условиях работы турбоагрегата. 2. Разработка технологического процесса получения и создание антиадгезионного наноструктурированного покрытия металлов на основе оксидов металлов нестехиометрического состава. 3. Разработка методики контроля технологических и функциональных параметров созданных покрытий. 4. Разработка и создание макета установки нанесения антиадгезионных нанопокрытий на металлические трубные поверхности. 5. Лабораторные испытания созданных покрытий. 6. Опытно-промышленные испытания созданных покрытий. |
Команда проекта
Численность проектной команды :
10
Структура и компетенции команды :
В структуру команды входят 4 доктора наук и 6 кандидатов наук, являющиеся специалистами в области технической физики и математики, промышленной химии и биотехнологии, информационных систем и цифровых технологий. Основные научные компетенции - межмолекулярные взаимодействия, адгезия и когезия, тонкие плёнки и покрытия, функциональные материалы и наноматериалы.
Члены команды :
| 1. Матюхин Сергей Иванович | д.ф.-м.н., доцент, зав. кафедрой технической физики и математики | Межфазные границы и покрытия; физика полупроводниковых приборов; нанотехнологи |
| 2. Фроленков Константин Юрьевич | к.т.н, доцент, доцент кафедры промышленной химии и биотехнологии | Отделка поверхностей и нанесение покрытий, Неметаллические покрытия |
| 3. Фроленкова Лариса Юрьевна | д.т.н, доцент, зав. кафедрой машиностроения | Сплошная упругая конденсированная среда, наноструктура, термодинамические свойства, градиентная теория упругости, потенциальное взаимодействие частиц, диффузия, неоднородные твердые и жидкие среды, поврежденность |
| 4. Кузнецова Елена Анатольевна | д.т.н, доцент, зав. кафедрой промышленной химии и биотехнологии | |
| 5. Винокуров Андрей Юрьевич | к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной химии и биотехнологии | |
| 6. Ромашин Сергей Николаевич | к.т.н., доцент кафедры технической физики и математики | |
| 7. Преснецова Виктория Юрьевна | к.т.н., доцент, доцент кафедры информационных систем и цифровых технологий | Сплошная упругая конденсированная среда, наноструктура, термодинамические свойства, градиентная теория упругости, потенциальное взаимодействие частиц, диффузия, неоднородные твердые и жидкие среды |
| 8. Хорошилова Маргарита Вячеславовна | к.т.н., доцент кафедры технической физики и математики | |
| 9. Якушина Светлана Ивановна | к.т.н., доцент кафедры технической физики и математики | |
| 10. Шоркин Владимир Сергеевич | д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры технической физики и математики | Физика твердых тел, Механика деформируемого твердого тела. Адгезия и когезия. Плёнки и покрытия. |
Финансовый профиль
| Год | Выручка | Затраты | Прибыль | Инвестиции |
|---|---|---|---|---|
| 2021 | 5000000 | |||
| 2022 | 6000000 |
Предложение инвестору / партнеру
Необходимые ресурсы для реализации проекта :
ОГУ им. И.С. Тургенева располагает всеми необходимыми ресурсами для выполнения проекта (кадровый потенциал, материально-техническая база, контрольно-измерительное оборудование).
Дорожная карта развития проекта :
| 2021 | 2022 |
| Ознакомление проектной команды с оборудованием, подвергаемым обработке с целью нанесения нанопокрытия. Отработка теоретических положений технологии для материалов, из которых изготовлены трубы. | Изготовление макета установки нанесения антиадгезионных нанопокрытий на металлические трубные поверхности. Отработка технологии нанесения антиадгезионных нанопокрытий на металлические трубные поверхности. Проведение лабораторных и опытно-промышленных испытаний антиадгезионных нанопокрытий на металлические трубные поверхности. Передача прав на РИД Заказчику. |
Прикреплённые файлы к проекту :
Протокол .pdf
Презентация_ОГУ_покрытия.pdf
Справка внедрение.pdf