Институт высоких температур Российской академии наук, имеющий статус государственного учреждения, создан в соответствии с Постановлением Президиума АН СССР №407 от 20 мая 1967 г. «Об Институте высоких температур АН СССР». Первые десятилетия Институт возглавлял академик Шейндлин Александр Ефимович, выдающийся ученый-теплофизик и блестящий организатор науки. С 1987 года по настоящее время директором ИВТ РАН является Батенин Вячеслав Михайлович –доктор технических наук, профессор Московского физико-технического института, член-корреспондент РАН. Области его научных интересов : энергетика, физика плазмы, электрофизика. В.М.Батенин – автор более 300 научных работ , в том числе трех монографий.

Батенин В.М. является председателем Объединенного научного совета РАН по комплексной проблеме “Методы прямого преобразования видов энергии”, заместителем председателя Научного совета по комплексной проблеме “Теплофизика и Теплоэнергетика”. С момента образования Международной топливно-энергетической ассоциации он является ее вице-президентом.
ИВТ РАН входит в состав Объединенного института высоких температур РАН и является сегодня одним из крупнейших институтов Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Российской академии наук.

Общие сведения об Институте

Основные направления научно-технической деятельности ИВТ РАН связаны с решением приоритетных фундаментальных и прикладных проблем, определяющих развитие современной энергетики и высокотемпературной теплофизики. В их числе:
- фундаментальные исследования в области низкотемпературной плазмы, теплофизики, современной теплотехники, электротехники, прямого преобразования энергии и возобновляемых источников энергии; изучение процессов тепломассообмена, гидро-, газо- и плазмодинамики; исследование теплофизических и электрофизических свойств веществ в широком диапазоне параметров, включая экстремальные;
- решение фундаментальных проблем создания эффективной, безопасной, надежной и экологически чистой энергетики, включая водородную, авиационную и космическую;
- исследования в области энергоресурсосбережения и энергоэффективных технологий, повышения эффективности комплексного использования природных топлив;
- разработка эффективных экологически чистых и максимально безопасных технологических процессов переработки природного сырья (в том числе газа, нефти, угля) и химическая энергетика;
- решение фундаментальных проблем механики жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред; исследования в области физико-химической газодинамики;
- исследования в области новых криогенных технологий в энергетике, включая сверхпроводимость;
- выполнение прикладных исследований и разработок критических технологий федерального уровня, включая разработку плазменных и лазерных устройств и их применение в науке и технике.
Наличие высококвалифицированного научного персонала -240 научных сотрудников, в числе которых 2 академика, 3 члена-корреспондента РАН, 45 докторов и 115 кандидатов наук,- позволяют ИВТ РАН успешно решать на мировом уровне многие фундаментальные и практические проблемы энергетики и высокотемпературной теплофизики.
За период 2000-2003 гг сотрудники ИВТ РАН получили более 60 грантов РФФИ, выполнили 10 проектов по грантам МНТЦ, около 20 ученых получали в эти годы Государственные научные стипендии; не менее 20 ученых Института в настоящее время участвуют в Международных научно-технических программах.
Широкое участие принимает ИВТ РАН в выполнении Программ фундаментальных исследований РАН и ее Отделений, являясь головной организацией по выполнению таких Программ, как «Взаимодействие плазмы с высокоскоростными потоками газа», «Научные исследования по созданию нетрадиционных парогазовых технологий», «Устойчивость фазовых состояний и критические режимы тепломассопереноса», «Разработка комплекса физических и математических моделей горения, газовой динамики и теплообмена с целью создания универсальных компьютерных программ». ИВТ РАН имеет пять грантов Президента РФ для поддержки ведущих научных школ. На протяжении нескольких последних лет Институт участвует в выполнении 4 проектов по Президентской программе “Интеграция”. Один из этих проектов направлен на поддержку созданного 16 лет назад и успешно работающего Учебно-научного центра ИВТАН – МЭИ, занятого подготовкой научных кадров для институтов Академии наук.
За этот же период двум сотрудникам Института присуждены Государственные премии РФ в области науки и техники, причем одна из них в 2000 г. - для молодых ученых. 12 сотрудников награждены в последние годы государственными наградами и почетными званиями.
В настоящее время Институт осуществляет и координирует сотрудничество России с Международным Энергетическим Агентством ( IEA )по программе SOLAR PACES (Солнечные энергетические и химические системы). В этот же период действует Российско - Германский проект «Исследование фундаментальных процессов в замагниченной пристеночной плазме «Токамака» и астрофизической плазме». ИВТ РАН при поддержке РФФИ, EOARD, AIAA PDL TC и ILG MHD организовал и провел в период с 1999 по 2003 год пять «Международных Совещаний по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях».
ИВТ РАН имеет несколько крупных экспериментальных установок федерального уровня, в том числе: установку ТФР-300 по газификации угля, установку по синтезу метанола “СИНТОП –300”, уникальную высокотемпературную газодинамическую установку У30-28. На базе этих установок и ТЭЦ-28 совместным решением ОФТПЭ РАН и “Мосэнерго” создан полигон-электростанция для внедрения научных разработок Института в энергетику г.Москвы.

Основные результаты законченных фундаментальных и прикладных исследований Института, полученные за последние 2-3 года

Выполнен теоретический анализ кластерной плазмы как эффективного источника света, исследованы другие области применений кластерной плазмы и кластерных пучков. Выполненный анализ эволюции кластерной плазмы для генерации кластерных пучков металла высокой интенсивности позволил предложить эффективную схему генерации металлических кластеров в неравновесном потоке буферного газа из испаренного с поверхности металла пара. Неравновесные процессы при генерации кластеров и образуемые при этом кластерные пучки анализируются как с общефизической, так и с прикладной точек зрения. Результаты многолетнего изучения физики элементарных процессов и физики кластерной плазмы легли в основу двух монографий профессора Смирнова Б.М.: B.M.Smirnov. Clasters and Small Particles in Gases and Plasmas. ( Springer, New-York, 2000, p.274 ), B.M.Smirnov. Physics of Atoms and Ions. ( Springer, New-York, 2003, p. 433 ).

Развит новый, статистический метод моделирования бинарной дисперсии и кластеризации инерционных частиц в однородной изотропной турбулентности. Метод основан на получении кинетического уравнения для двухточечной функции плотности вероятности (ФПВ) относительной скорости пары частиц. Он описывает аккумулирование частиц в результате их взаимодействия с турбулентными вихрями.
На основе полученного кинетического уравнения для двухточечной ФПВ предложена статистическая модель столкновений и коагуляции частиц. Модель учитывает дополнительное увеличение ядра столкновений (коагуляции) за счет эффекта кластеризации.

Выполнен комплекс исследований методов интенсификации теплообмена при кипении жидкости с использованием пористых покрытий и неоднородных внешних электрических полей. Использование этих эффектов дает возможность повышения коэффициентов теплоотдачи в несколько раз и критических тепловых нагрузок в 2-3 раза.
Разработана усовершенствованная методика молекулярно- динамического моделирования двухфазных систем жидкость-газ, позволяющая исследовать фазовые превращения жидкость-газ и влияние внешних полей на свойства и структуру межфазного слоя.
Совместно с Центром Келдыша созданы экспериментальные водородо-кислородные парогенераторы с тепловой мощностью до 25 МВт и при участии КБ Химавтоматики выполняется комплекс их испытаний. С использованием подобных аппаратов могут быть созданы мощные водородные энергоустановки паротурбинного цикла с КПД до 60% при существенно меньших капиталовложениях, чем в водородные энергоустановки на базе топливных элементов.

Сформирован плазменный канал как рабочее тело лазера в ВУФ диапазоне на непрозрачной твердой мишени при аксиконной фокусировке греющего лазерного излучения.
Получены теоретические соотношения, описывающие геометрические параметры квазибесселевых пучков у поверхности мишени. Дано теоретическое описание неоднородностей плазменных каналов, создаваемых бесселевым пучком. На основе анализа экспериментальных данных описаны конфигурации пространственной структуры лазерной искры. Выполнены двумерные численные расчеты пробоя гелия атмосферного давления, указаны пути преодоления неоднородностей плазмы. Получена однородная протяженная искра в гелии.

Получены новые данные по свойствам криогенной плазмы. Выполнено пионерское экспериментальное исследование неидеальной «пылевой» плазмы с температурой 5-10 K и обнаружены плазменно-пылевые объекты макроскопических размеров со свободной границей, характерные для фазовых переходов с образованием конденсированной фазы. Также впервые для криогенной плазмы получены данные о зависимости частоты ионизации и скорости дрейфа электронов от поля в молекулярной жидкости в сильном электрическом поле.
Экспериментально исследована интенсификация теплообмена в закризисной зоне работы парогенерирующих труб путем нанесения на их поверхность сферических углублений. Опыты проведены при высоких (18 – 22 МПа) давлениях в условиях подъемного течения кипящей воды и пароводяной смеси. Впервые получено существенное повышение критических тепловых потоков (до 50%) и коэффициентов теплоотдачи (до 4-х кратного) при малом изменении гидравлического сопротивления. Данные по теплообмену обобщены единой расчетной формулой. Результаты представляют большой интерес для прямоточных котлов ТЭС и парогенераторов АЭС с позиций повышения их эксплуатационной надежности.

Осуществлена разработка научных основ технологии получения синтетических моторных топлив из природного газа по наиболее прогрессивной и интенсивно развиваемой схеме процесса синтеза Фишера-Тропша – в трехфазном реакторе со стационарным псевдоожиженным слоем катализатора. Полученные физико-химические характеристики процесса легли в основу разработки базового варианта технологической схемы установки с трехфазным реактором. Создана математическая модель процесса ФТ-синтеза, которая является научной основой разработки системы автоматического управления процессом; в основу модели положен новый подход, базирующийся на сочетании уравнений кинетики и распределения углеводородов в продукте. Развиты методы улучшения экологических и служебных характеристик моторных топлив на основе процессов гидрооблагораживания, научной базой которых являются новые никелевые катализаторы, модифицированные гетерополисоединениями.

Для решения большого круга задач газовой динамики, магнитной гидродинамики, магнито-плазменной аэродинамики, горения и др. в ИВТ РАН разработан комплекс программ “PLASMAERO”, начиная от модели течения невязкого совершенного газа и кончая моделями течения химически и термически неравновесного газа и плазмы с возбуждением внутренних степеней свободы частиц. В программе реализован набор моделей для описания магнитогидродинамического взаимодействия частично ионизованного газа во внешних магнитном и электрическом полях.
Выполнен комплекс экспериментальных работ по исследованию и разработке методов стимулированного горения топлива в сверхзвуковых воздушных потоках с целью создания гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей . Впервые получено устойчивое стимулированное плазмой внешнее и внутреннее горение углеводородного топлива (пропан) в холодном сверхзвуковом потоке (скорость М=2, статическое давление 1 атм, температура Т0 = 3000К).

Существующая в настоящее время концепция развития водородной энергетики основана на утверждении о необходимости создания долгосрочной системы захоронения углеродных материалов, получаемых из природного газа одновременно с водородом. Разрабатываемая в ИВТ РАН технология позволяет получать углерод из природного газа в виде, в котором он может быть использован в промышленном производстве, тем самым реализовать «безотходную» схему получения водорода из природного газа для энергетического использования.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (разработки), выполненные в 2000-2003 годах и готовые к практическому использованию.

Технология комплексной переработки углеводородных газов в ценные продукты (метанол, бензин, диметиловый эфир) в модульном варианте

В результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Экспериментальном комплексе "Новые энергетические технологии" Института высоких температур РАН на базе модифицированного дизельного двигателя создана в 2002-2003 годах комплексная демонстрационная установка "Синтоп-300" по переработке углеводородного сырья в синтез-газ, тепловую и электрическую энергию с последующим каталитическим синтезом метанола и высококачественного моторного топлива производительностью 1000 литров метанола в сутки или 450 литров моторного топлива в сутки. Предложенная технология переработки углеводородного сырья ориентирована на создание малотоннажных производств, в т.ч. на дешевых источниках сырья (забалансные скважины природного газа с низким давлением, нефтяной попутный газ, сжигаемый в факелах, шахтный метан и т.д.).
Создана математическая модель, описывающая все процессы, протекающие при переработке углеводородного сырья в ценные химические продукты и позволяющая проводить численные эксперименты при различных составах исходного сырья. Разработаны "Исходные данные" для проектирования головной установки производительностью 20 000 тонн метанола в год.

Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований в обеспечение проектирования и создания головной промышленной парогазовой установки с инжекцией пара мощностью 60 МВт
В соответствии с Соглашением между ОАО «Мосэнерго» ММПП «Салют» и ИВТ РАН создается парогазовая установка по оригинальной технологии, предложенной в свое время группой сотрудников АН СССР под руководством академика С.А.Христиановича. В мировой энергетике это направление получило название ПГУ “STIG ”. На ТЭЦ-28 создается парогазовая установка для производства электрической и тепловой энергий мощностью 60 МВт (ПГУ МЭС-60).
Основное оборудование изготавливается ММПП «Салют» на базе выпускаемого им авиационного двигателя мощностью 20 МВт. Для увеличения мощности и КПД установки генерируемый в котле-утилизаторе пар инжектируется в камеру сгорания газовой турбины. Это позволяет резко увеличить мощность установки и снизить выбросы токсичных оксидов азота. Для возврата в цикл химически очищенной воды после котла-утилизатора устанавливается контактный конденсатор, позволяющий сконденсировать водяные пары из смеси продуктов сгорания и пара с получением конденсата с температурой 50-60оС. Тепло этого конденсата с помощью оригинальных тепловых насосов передается сетевой воде городской отопительной системы.
Коэффициент полезного использования топлива при этом достигает 90-95%, а КПД выработки электроэнергии – 50%.
С участием ИВТ РАН выполнены разработка технологической схемы, оптимизация режимов работы, расчет контактного конденсатора, испытания тепловых насосов на водяном паре, конструктивные проработки основного нестандартного оборудования.
Разработан Регламент на проектирование ПГУ МЭС-60 на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго», изготовлено основное нестандартное оборудование, начат монтаж энергоблока. Приказом по РАО «ЕЭС России» научным руководителем работ по созданию энергоблока назначен В.М.Батенин.

Разработана технология модернизации паротурбинных блоков с помощью газотурбинных надстроек с частичным окислением природного газа.
Выполнен анализ и оптимизация технологической схемы модернизации энергоблока мощностью 250 МВт (Т-250) с помощью ГТУ на базе авиационного двигателя АЛ-31 мощностью 20 МВт.
В результате использования такой технологии применительно к Т-250 ожидается получить следующие результаты:
1. Увеличение мощности используемой ГТУ с 20 до 50-60 МВт.
2. Получение КПД выработки дополнительной электроэнергии до 70-80%.
3. Снижение вредных выбросов оксидов азота в атмосферу от энергоблока Т-250 в 5-7 раз.
Технология запатентована.

Совместными усилиями специалистов Института высоких температур РАН, МОНИКИ и НТЦ ЭПУ РАН разработан автономный многоспектральный биофотометр нового поколения для ранней диагностики воспалительных процессов.
Московский областной научно-исследовательский клинический институт является базовым медицинским учреждением для проведения клинических испытаний прибора, позволяющего проводить диагностическое обследование при минимальных дозах вводимого фотосенсибилизатора и при минимальных мощностях возбуждающего лазерного излучения (1 – 2 мВт), т.е.: позволяет снизить дозу препарата в 5 – 10 раз относительно терапевтической и, что особенно важно, не вызывать в процессе флюоресцентного обследования необратимых фотодинамических повреждений.
По результатам исследований получен патент «Устройство для диагностики и терапии биологических объектов».

Перечисленными результатами далеко не исчерпывается весь круг проблем, над которым работает коллектив Института. Безусловную помощь как исследователям, так и работающим в области энергетики практикам окажет созданный в сети ИНТЕРНЕТ портал THERMPOHYSICS.ru. Конкретные результаты получены в тонких исследованиях гидродинамики двухфазных потоков в газах с твердыми частицами. Предлагаемые Институтом технологии переработки твердых промышленных и бытовых отходов позволяют организовать производство нового класса строительных материалов. И перечень можно продолжить. Важно, на наш взгляд, отметить одну особенность в организации исследований, присущую ИВТ РАН и, возможно, не характерную для академического института. Работая в области изучения фундаментальных проблем, во многом определяющих облик современной и будущей энергетики, мы считаем совершенно необходимым доводить уровень этих исследований до создания крупномасштабных демонстрационных установок, доказывающих не только на бумаге перспективность предлагаемых технологий.

Дата публикации: 2004-06-28 (16937 Прочтено)