Разработка технологий и создание макетных образцов нового класса высокоэффективных парогенераторов и опреснителей с прямоконтактным жидкометаллическим подводом тепла

В соответствии с этапом 1 календарного плана работ по государственному контракту № 02.516.11.6119 «Разработка технологий и создание макетных образцов нового класса высокоэф-фективных парогенераторов и опреснителей с прямоконтактным жидкометаллическим подводом тепла» выполнены следующие работы.
1. Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документа-ции и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. Выполнена оценка современного состояния разработок технологий и аппаратов с прямоконтактным жидкометаллическим подводом тепла. Выявлено, что основными преимуществами рассматриваемых аппаратов по сравнению с традиционными являются:
• более низкая стоимость и простота конструкции;
• отсутствие теплопередающих поверхностей, которые подвержены коррозии, загрязнению, термической усталости и вибрационным воздействиям;
• более высокая эффективность благодаря большей поверхности теплообмена в единице объема;
• меньшее гидравлическое сопротивление.
Показана выгодность и перспективность применения жидких металлов в качестве греющих сред в прямоконтактных (смесительных) аппаратах для производства водяного пара и опреснение воды. Сделан выбор направлений исследований, проведение которые необходимо для обеспечения научно-технического задела для дальнейшего создания нового класса технологий и аппаратов с прямоконтактной передачей тепла жидкометаллическими теплоносителями.
Подробно результаты выполненного анализа представлены в промежуточном научно-техническом отчете «Выбор направления исследований» № 11865.
2. Проведены патентные исследования по способам и устройствам генерации пара и опресне-ния воды в прямоконтактных аппаратах, которые показали, что разрабатываемые в рамках настоящего проекта способы и устройства с использованием жидкометаллического подвода тепла обладают па-тентной чистотой и могут использоваться в различных отраслях промышленности России без нару-шения исключительных прав патентообладателей по указанным способам и устройствам. Результаты патентных исследований приведены в Отчете о патентных исследованиях №48-22/114 от 14.09.2007 г.
3. Разработана Программа и методика проведения исследований № 31-16/1012 от 06.09.2007 г.
4. Разработана Методика определения качества конечного продукта прямого контакта с ис-пользованием лазерного аэрозольного спектрометра № 31-16/1135 от 12.09.2007 г.

1. Разработаны и изготовлены экспериментальные установки:
• для изучения режимов и устройств подачи воды в теплоносители;
• для исследования процессов взаимодействия теплоносителей с пресной и соленой водой.
Выпущен Акт создания установок № 31-16/1285 от 17.12.2007 г.
2. Проведены исследования процессов, протекающих при смешении различных жидкометаллических теплоносителей с водой. Показано, что наиболее приемлемыми для разрабатываемой технологии тепло-носителями являются ТЖМТ – расплавы свинца и висмута эвтектического состава и свинца.
3. Результаты исследований термодинамики и кинетики процессов взаимодействия ТЖМТ с пре-сной и соленой водой показали следующее:
• водяной пар является «мягким» окислителем по отношению к основным компонентам ТЖМТ (Pb и Pb-Bi);
• взаимодействие водяного пара с ТЖМТ и контуром должно сопровождаться образованием на поверхностях сталей защитных оксидных покрытий и выделением в газовую фазу малых ко-личеств водорода – продукта реакции окисления ТЖМТ, примесей в нем и сталей;
• вследствие образования водорода при реализации прямоконтактной технологии происходит взаи-модействие ТЖМТ в основном не с чистым водяным паром, а с газовыми смесями Н2 • Н2О;
• вследствие неизотермичности прямоконтактной системы состояние ТЖМТ определяется не термодинамическим равновесием с «чистым» водяным паром, а сложным динамическим равновесием, характеризующимся одновременным протеканием процессов окисления и раскисления ТЖМТ; при этом отклонение от равновесного с «чистым» водяным паром со-стояния ТЖМТ может увеличиваться по мере снижения температуры «холодной» зоны и развития в нем реакционной поверхности;
• в прямоконтактных системах теоретически возможно достижение в ТЖМТ предельной концентрации кислорода и образование твердого оксида свинца, как продукта реакции окисления паром Pb. Однако наличие неизотермичности системы, а также образование в ней водорода препятствует образованию оксида свинца.
4. Разработаны технологические схемы прямоконтактных парогенератора и опреснителя. При этом учитывалось следующее:
• разрабатываемые парогенераторы могут быть работоспособны лишь при соблюдении сле-дующих условий: хорошее перемешивание исходной воды и пароводяной смеси с ТЖМТ; достаточное для обеспечения необходимого теплообмена время контакта воды и пароводя-ной смеси с ТЖМТ; эффективное разделение сред после завершения их взаимодействия; очистка готового продукта от примесей ТЖМТ (капель, паров, аэрозолей) с возвратом по-следних в технологический процесс; удаление побочных продуктов испарения исходной воды (твердый осадок, рассол и др.) из реакционной зоны;
• для прямоконтактных опреснителей необходимо дополнительно обеспечить эффективную конденсацию водяного пара, а также кондиционирование конденсата по солевому составу (для производства питьевой воды);
• при всем многообразии возможных принципиальных технологических схем «прямоконтакт-ных» аппаратов при использовании вышеуказанного метода все они практически могут реали-зоваться либо при подаче ТЖМТ в перерабатываемую воду, либо перерабатываемой воды (наиболее просто барботажом) в ТЖМТ. Первый вариант требует применения дополнительных перекачивающих ТЖМТ устройств, реализуем только при высоких давлениях в аппарате, воз-никающих из-за необходимости поддержания в нем температур, требуемых для предотвраще-ния «замерзания» ТЖМТ в «жидкой» воде и паре. Второй вариант (барботаж «жидкой» воды в ТЖМТ) технически более легко осуществим, более безопасен, не требует обязательного соз-дания высокого давления в системе, поэтому его следует признать наиболее предпочтитель-ным и обязательно использовать, по крайней мере, на этапе разработок макетных образцов.
По результатам разработки выпущен документ Технологические схемы № 31-16/1301 от 10.12.2007 г.

1) Спроектированы и изготовлены макетные образцы прямоконтактных испарителя и опреснителя. При этом подготовлена техническая документация № Э 01.05.06.01.07/03, № Э 01.05.06.01.07/04, № Э 01.05.06.01.07/05, № Э 01.05.06.01.07/06, № Э 01.05.06.01.07/07, № Э 01.05.06.01.07/08, выпущен Акт изготовления макетных образцов № 31-16/1903 от 27.05.2008 г.
2) Разработана программа и методика испытаний макетных образцов прямоконтактных испарителя и опреснителя (ПМ 31-16/1904 от 15.05.2008 г.).
3) Проведено испытание созданных макетных образцов, продемонстрированы преимущества разрабатываемых технологии и оборудования. Выпущен Протокол испытаний № 31-16/1905 от 10.06.2008 г. Результаты демонстрации преимуществ разрабатываемых технологии и оборудования отражены в Промежуточном научно-техническом отчете № 11973.
4) Разработана Методика расчета теплообмена (№ 31-16/1906 от 15.05.2008 г.) при прямом смешении жидкого металла с водой

Проведено обобщение результатов предыдущих работ. Выполнена оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. Подробные результаты приведены в Заключительном научно-техническом отчете № 12022.
2) Разработаны технические задания на создание опытных образцов парогенератора и опреснителя (ТЗ 31-16/1921 от 6.10.2008 г., ТЗ 31-16/1923 от 6.10.2008 г.).
3) Разработаны рекомендации (№ 31-16/1922 от 6.10.2008 г.) по использованию результатов НИР.