Заведующий лабораторией: д.ф.м.н. Крупкин В. Г.
Тел. +7-495-939-7295, мест. 72-95;
Эл. почта: shmelev@center.chph.ras.ru


Сотрудники:

Фундаментальные исследования процессов превращения энергоемких материалов и разработка научных основ управления этими процессами
Разработка теоретических основ химического реактора многостадийного сжатия
Экологически безопасный и экономный метод сжигания природного газа 

Проекты 2008 года

• Грант CRDF №15087. Water Sliding Discharge- Advanced Oxidation Technology for Water and Air Purification, 2006-2007 – Руководитель Шмелев В.М.
• Контракт с Промышленным и Академическим Объединением  (IAC) в Чунгнамском Национальном Университете о Совместном Исследовательском проекте «Фундаментальное изучение механизма горения порошкообразного металла в многокомпонентной  окислительной среде»,  2007-2008 – Руководитель Шмелев В.М.
• Программа фундаментальных исследований ОХНМ РАН 2007-2008 - Руководитель Чуйко С.В.
• Проект РФФИ 06-03-32320-а. Экспериментальное и теоретическое исследование нестационарных режимов ламинарного диффузионного горения газов в отсутствии вынужденной конвекции, 2006-2008 гг.- Руководитель Лобанов И.Н.
• Проект РФФИ 05-03-32361-а. Исследование воспламенения богатых углеводородо - воздушных смесей и парциального окисления углеводородов при сверхадиабатическом сжатии,  2006-2008 - Руководитель Николаев В.М.

Новые технологии, разработанные в лаборатории

Разработка метода энергоэффективного и экологически чистого беспламенного сжигания газовых смесей в горелочных устройствах с сотовой матрицей

В.М.Шмелев, эл. почта: shmelev@center.chph.ras.ru

Разработаны конструкции, созданы и испытаны на специализированном стенде в соответствии с международными стандартами лабораторные образцы горелочных устройств беспламенного горения с объемной (сотовой) матрицей. Горелочные устройства предназначены для использования в промышленности, в камерах сгорания газотурбинных установок и газовых плитах. Отработана технология изготовления сотовых (объемных) матриц различных конструкций из керамики с регулярными каналами и из металлических элементов. Определены предельные энергетические характеристики горелочных устройств.  Показано, что в горелке с объемной матрицей  возможно организация горения метано - воздушных смесей  с удельной мощностью с единицы выходного сечения  горелки до 2000 кВт/м2.  Определены экологические параметры горения на различных режимах  работы горелок. Концентрация окислов азота и окиси углерода в продуктах сгорания снижена до величины 1 - 10 ppm. Показана более высокая эффективность  работы горелочных устройств с сотовой матрицей по сравнению с горелками открытого пламени бытовой газовой плиты. Экономия газа составила до 50%.

Исследованы особенности зажигания газового пламени с использованием нового метода формирования искрового разряда с помощью источника модулированного высокого напряжения с большим выходным сопротивлением. Показано, что данный метод воспламенения обеспечивает понижение энергии воспламенения. Продемонстрировано, что создание в потоке горючей смеси небольших пространственных колебаний концентрации горючего смещает нижний предел воспламенения в сторону бедных смесей.

Разработанные технические решения имеют широкие перспективы для тиражирования в различных секторах экономики, обеспечивая энергоэффективное и экологически чистое сжигание газовых смесей.

Использование разработанных горелочных устройств только в бытовых газовых приборах позволит снизить потребления газа по стране до 10 млрд. м3 в год, что соответствует экономии денежных средств до 10 млрд. руб.   Существенно повысится качество жизни населения за счет улучшения экологических условий проживания. Количество выбросов парникового газа СО2  при этом сократится за год не менее, чем на 1 млн. тонн. В горелках  промышленного применения, используемых для различных технологических целей,  сушки, обогрева теплиц и пр. возможно эффективное использование биогаза и других альтернативных топлив.

Метод получения синтез газа в реакторе сверхадиабатического сжатия на основе ДВС

В.М.Шмелев, В.М.Николаев, эл. почта: shmelev@center.chph.ras.ru

Превращение ДВС в химический реактор сверхадиабатического сжатия  с ТА 

 
Изменение температуры в цилиндре (1),внутри (2) и на поверхности (3) ТА. 4,5 – концентрация метана 

1. В реакторе с тепловым активатором  (ТА) возможна 100% конверсия метана в синтез газ c отношением H2/CO=1 при одном цикле сжатия. При этом вырабатывается примерно 1кВт-час механической  энергии на 3м3 синтез газа.

2. Экспериментально исследована конверсия метана в импульсном реакторе со свободным поршнем . Выход продукта 10-25м3/час с 1л объема реактора

Другие применения метода сверхадиабатического сжатия
 

Взрывные работы без взрыва

В.М.Шмелев, А.А.Денисаев, эл. почта: shmelev@center.chph.ras.ru

Разработан новый метод разрушения твердых пород путем использования безопасных зарядов конвективного горения, обладающих высокой энергетической способностью. Заряды размещаются в шпурах небольшого диаметра ~40mm и могут инициироваться низковольтным электрическим импульсом. Высокое давление, развивающееся при горении заряда, разрывает твердую породу на фрагменты размером 0.2-0.5м, которые затем легко убираются машинным способом. Значительный экономический эффект достигается за счет высокого КПД разрушения без дробления породы на мелкие осколки и отсутствием дополнительных затрат на организационные мероприятия, обязательные при использовании взрывчатых веществ.

На экспериментальных объектах Ю.Кореи проведены широкомасштабные испытания зарядов при разрушении скалистой породы. Испытания показали высокую эффективность и экономичность метода, простоту и безопасность работы с зарядами. Удельный расход энергетического материала составил менее 200 г на 1м3 разрушенной породы.

Метод награжден Золотой медалью на Международной выставке АРХИМЕД-2004

Очистка воды и воздуха от химических и биологических загрязнителей методом взрывающейся водяной струйки

В.М.Шмелев, эл. почта: shmelev@center.chph.ras.ru

Полимерные  материалы  пониженной горючести

Н.А.Халтуринский,   эл. почта: khalt@chph.ras.ru

Снижения горючести полимерных материалов  -  ингибитор горения полимеров- FR 204-205 .(опубликовано в журнале POLYMER NEWS July 2005 Vol.30, № 7, p.216, PLYNBU)

Основные характеристики антипирена FR 204:

• FR 204 тонкий порошок белого цвета, без запаха, не токсичный, не вызывает коррозию, имеет не ограниченный срок хранения, может храниться в сухом не отапливаемом помещении.
• FR 204 может быть использован для снижения горючести широкого класса полимеров, включая полиэтилен, полипропилен, полистирол, эпоксидные композиции, полиэфиры, синтетические каучуки и др.
• FR 204 стабилен и может применяться для модификации полимеров имеющих температуры переработки или формования вплоть до 200 градусов Цельсия.(FR 205 стабилен до 290 град
• FR 204 не портит окружающую среду, значительно снижает выделение дыма и токсичных продуктов при воздействии пламени на полимер.

Примеры модификации полимеров с использованием FR 204.

Большинство не модифицированных полимеров имеют кислородный индекс (КИ – одна из основных характеристик горючести полимеров) ниже чем 20% то есть горят в обычной среде при обычных условиях. Так для полиэтилена и полипропилена КИ=17-17.4%, отвержденные ненасыщенные полиэфирные смолы имеют КИ= 17.8 %, эпоксидные - КИ=23-26 % и т.д. А также большинство не модифицированных полимеров горят при выносе из пламени.

Ниже приведены значения КИ некоторых полимеров модифицированные FR 204. Введение FR 204 в композицию позволяет перевести любые полимеры в класс трудногорючих.

Полимер	FR 204 (вес %)	КИ (%)	UL-94
Полиэтилен       АБС+ПК	0 10 15 20 25 FR 205 10 20 30 -------------------- FR 205 15	17.3 23.0 26.5 28.5 31.5 23.5 29.7 33.4   31.3	сгорает весь 2 2 2 2 2 V-0 V-0 -------------------- V-0
Полиэфир       +FR205	0 10 17 21.3 28.8 38.6 39.4 15.6	17.8 31.0 38.8 41.1 48.8 50.0 52.0 42.1	0 0 0 0 0 0 0
Эпоксиды	0 10 20 30 40	23.2 35.2 44.0 51.0 55.0	0 0 0 0

Для сравнения с другими антипиренами:

Полиэтилен + 25% Нофлан, КИ = 28.2%

Эпоксид + 12% Нофлан, КИ = 35%

Стоимость Нофлана – 6 USD за 1 кг.
АБС+ПК +15% DE- 79 ,, Great Lakes), КИ =31,.2 (; V-0) Стоимость -DE- 79 -–6,.5 USD за 1 кг.

Полиэфирные смолы
Антипирен	КИ (%)	Цена за 1 кг. RUR
F 240 TF	32	150
F 805 TF	50	180
ПН-ТГ 1Б	30-35	70
NORPOL 850-864	34-49	190

Все полиэфирные смолы содержат 50-60 весовых частей гидроокиси алюминия, 5-7 весовых частей трехокиси сурьмы, и другие антипирены. Общее наполнение полиэфирных смол антипиренами всегда выше 40% (вес.).

Из-за высокого содержания антипирена в конечном продукте снижаются физико-механические и эксплуатационные характеристики полимера, это также приводит к тому, что модифицированные трудногорючие полимеры и смолы по стоимости значительно превышают стоимость исходного продукта.

Преимущества FR 204-205

• экологически чистый продукт;
• резко снижает выделение дыма и токсичных продуктов;
• наиболее эффективный ингибитор горения полимеров из всех существующих на данный момент антипиренов;
• универсальность применения;
• сохраняет физико-механические и эксплуатационные характеристики полимера;
• позволяет использовать существующее технологическое оборудование предприятия для модификации полимеров.

Фотография покрытия начальной толщиной 1мм после огневого испытания. Толщина образовавшегося слоя -90мм, темная часть – кокс, светлая часть – пигмент (окись титана)

Основные публикации за последние годы

• Шмелев В. М., Николаев В. М. Сверхадиабатическое сжатие смеси в цилиндре ДВС // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2002, N4, с.57-66.
• В.М.Шмелев, А.Д.Марголин. Распространение  электрического разряда по поверхности воды и полупроводника. Теплофизика высоких температур, 2003, т.41, N4, с.1-8.
• В.М.Шмелев, Н.В.Евтюхин, Ю.Н.Козлов, Э.М.Бархударов. Воздействие импульсного поверхностного разряда на органические загрязнители в воде. Химическая физика. 2004, Т. 23, № 9.
• Шмелев В.М., Николаев В.М., Марголин А.Д. Испарение топлива при его инжектировании в цилиндр двигателя внутреннего сгорания // Хим. физика, 2004, т.23, N4, с.84-94.
• В.М.Шмелев, А.М.Анпилов, Э.М.Бархударов.  Поверхностный разряд внутри воздушной каверны в воде. Прикладная физика, 2005, №5, стр.55-59.
• Шмелев В.М., Волов Д.Б., Илюхин В.С., Николаев В.М., Петухов С.М. Эффект изобарического перетекания в установке импульсного сжатия газов // Письма в ЖТФ, 2006, т.32, вып. 12, с.8-14.
• Шмелев В.М., Николаев В.М., Илюхин В.С. Воспламенением смесей метана с воздухом при двухстадийном сжатии // Хим. Физика, 2006, N7.
• V. M. Shmelev and V. M. Nikolaev.  Partial Oxidation of Methane in a Multistage-Compression Chemical Reactor. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2008, Vol. 42, No. 1, pp. 19–25.
• Шмелев В.М. Получение оксида азота в химическом реакторе многостадийного сжатия. Теоретические основы хим. технологии. 2006, т.40, N4, с. 1-9.
• V. Shmelev, S. Podoynitsyn, N. Vasilik. Application of the Ballistic Plasmatron of Superadiabatic Compression for Surface Treatment. J. Surface & Coatings Technology, 2006, (200), p.4939-4946. Available online at www.sciencedirect.com.
• Марголин А. Д., Шмелев В.М., Семьин И.Ф. О возможности воспламенения горючей газовой смеси, находящейся в сосуде или за перегородкой// Хим. Физика, т.25, N9, с. 68-71, 2006.
• V. Shmelev, S. Podoynitsyn, N. Vasilik. Generation of Surface - Treating Plasma by a Superadiabatic Compression Ballistic Plasmatron,  IEEE Plasma Science, v.34, N6, p.1 -6, 2006.
• Shmelev, V.M. Nikolaev, V.S. Ilyukhin, D.B. Volov. Investigation of Two-Stage Compression of Gas, High Temperature, 2008, Vol. 46, No. 1, pp. 77–83.
• A. D. Margolin. Critical Conditions of Combustion of a Gas Mixture over a Planar and Honeycomb Porous Matrices, Russian Journal of Physical Chemistry B, 2008, Vol. 2, No. 1, pp. 142–144.
• Jae-Ou Chae, Young-Jun Jeong, V M Shmelev, A A Denicaev, V M Poutchkov and V Ravi Plasma Discharge Initiation of Explosives in Rock Blasting Application: A Case Study, Plasma Sci. Technol, 2006, Vol. 8, pp. 443-446   doi:10.1088/1009-0630/8/4/16
• V. Shmelev, D.Chang, Y.Chun. Chemical reactor of superadiabatic compression. J. Ind. Eng.Chem. v.13, N 5, pp. 687-692, 2007.
• Шмелев В.М., Инфракрасная горелка с объемным излучателем для бытовой газовой плиты, Газовая промышленность, N11, 2007.
• Дубовик А.В. Анализ стандартных показателей чувствительности твердых ВВ к удару. Доклады РАН,  2007, т. 415,  № 5 
• Дубовик А.В. Методология исследований чувствительности энергоемких материалов   к механическим воздействиям  (учебное пособие). РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007.
• А.А. Зенин, С.В. Финяков, «Функции отклика скорости горения октогена и гексогена  с учетом плавления» // Физика горения и взрыва, 2007, Т.43, № 3, стр.72-82.
•    А.А. Зенин, С.В. Финяков. Исследование закономерностей горения образцов на  основе ультрадисперсных компонентов//Отчет по теме “Пищик-ИХФ”, Этап 3.  Библ. ИХФ. 2007 .
• Химическая технология. Сб. тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ’07. Под ред. А.А.Берлина, Н.А.Халтуринского, А.А. Вошкина. М.: ЛЕНАНД, 2007, 440 с.
• Jigatch A.N., Leipunsky I.O., Kuskov M.L., Pshechenkov P.A., Larichev M.N., Teselkin V.A., Gogulya M.F. Aluminized nanostructured energetic material – preparation and study // Novel Energetic Materials and Applications. Proc. of 9-th IWCP- The Ninth International Workshop on Combustion and Propulsion. Lerici, Italy. 2004. P. 13(1-12).
• В.А. Теселкин. Механическая чувствительность ультрадисперсных металлизированных ВВ. XIII Симпозиум по горению и взрыву. Черноголовка, 2005. Электронная версия доклада в Интернет: http://orel3.rsl.ru/nettext/russian/gor_i_vsr/content/
• V.A. Teselkin. Impact sensitivity of metallized explosive nanocomposites Proc. 36th Intern. Annual Confer. of ICT & 32 nd  Intern, Pyrotechnics Seminar, Karlsruhe, FRG, 2005, 81/1-81/11.
• В.А. Теселкин. Инициирование взрыва ультрадисперсных взрывчатых веществ при механических воздействиях. В книге “Космический вызов XXI века”. Том 2. “Перспективные материалы и технологии. Нанокомпозиты”. Под редакцией А.А. Берлина, И.Г. Ассовского. Изд-во “Торус Пресс”. М. 2005, с. 121-130.