ГЕНЕРАТОР ПУЗЫРЬКОВ
И
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ДИСПЕРСИЙ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ
УСТОЙЧИВОСТЬЮ СУЩЕСТВОВАНИЯ
Фрагмент из Заявки ООО «Инбитек-ТИ» на открытый конкурс СТАРТ-09, проводимый Фондом содействия малым предприятиям научно-технической сферы (фондом Бортника) и на открытый параллельный конкурс инноваций, проводимый Правительством Нижегородской области.
Научно-техническая часть проекта
В ходе опытов и экспериментов с экспериментальным образцом «Генератора пузырьков» в марте-апреле-мае 2007 года на одной из нефтебаз Нижегородской области, были получены образцы газожидкостных растворов, в которых газ (атмосферный воздух) был "упакован" в объёмы мельчайших пузырьков в составе объёма воды. Размеры пузырьков были гораздо меньше 1 мм. В лаборатории Радиофизического факультета Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского была организована попытка разглядеть пузырьки и оценить их размеры с использованием оптического микроскопа с 1000-кратным увеличением. Оценить размеры пузырьков, их количество на единицу объёма (например, в 1 куб. мм), - тогда не удалось из-за прекращения финансирования работ владельцем нефтебазы.
Полученные газожидкостные дисперсионные системы обладали очень высокой стабильностью. Теоретически газ при столь малых размерах пузырьков под действием сил поверхностного натяжения должен раствориться в объёме жидкости, а пузырьки должны были исчезнуть. Но в течение одного месяца наблюдений полного исчезновения пузырьков не произошло. То есть, по крайней мере, в течение одного месяца наблюдалась устойчивость существования системы "газ (в объёмах пузырьков)/жидкость".
Другой особенностью данной технологии является способность упаковывать» в 1 объёме жидкости газа в объёме, сопоставимым с объёмом самой жидкости, и даже больше. Напрашивается аналогия с газовыми гидратами, когда в единичном объёме жидкости заключено от 1 до 300 объёмов газа. Так, в природных метангидратах в 1 кубометре воды содержится 164 кубометра метана. Но природные газовые гидраты являются системами, использующими так называемые «соединения включения». То есть, атомы и молекулы газа, не вступая в химические связи с атомами и молекулами жидкости, тем не менее, прочно удерживаются внутри полостей, именуемых «клатратами». Механизм образования клатратов с «соединениями включения» на сегодня до конца не изучен и мало исследован и поэтому полного объяснения не имеет. Поэтому, нами выдвигается предположение, что при определенных условиях можно создавать в объёме жидкости нечто похожее на устойчивые «квазиклатратные образования».
Примечание: Растворимость газов в жидкостях не превышает 2…4% от объёма жидкости. Например, при нормальных физических условиях в 1 кубометре воды растворяется всего лишь 19 литров воздуха (0,019 куб.м). Малая растворимость газов в жидкостях является тем «потолком» для большинства промышленных технологий, где широко используются системы газ/жидкость, и который исключает технологическую интенсификацию, толкает на экстенсивный путь развития промышленного производства, что, как правило, ведёт к наличию громоздкого, дорогого, сложного и энергоёмкого оборудования.
Известны немало способов насыщения жидкости газом. Известны также способы создания мельчайших пузырьков в жидкостях, например, с использованием явления кавитации. Но подобные системы "газ/жидкость", как правило, характеризуются неустойчивостью существования. Здесь нужно сослаться на хорошо известные работы М.А. Маргулиса (например, книга «Основы звукохимии», М.1984, и другие), в которых достаточно подробно описаны свойства жидкостей, насыщенных парогазовыми пузырьками. М.А. Маргулис склонен считать устойчивыми только те жидкости, которые насыщены микрозародышевыми образованиями, диаметры которых намного меньше 1 микрона. Но в работах М.А. Маргулиса имеется предположение, что с приближением радиуса пузырька к нулевому значению коэффициент сил поверхностного натяжения жидкости становится практически постоянной величиной. То есть, на определенном отрезке значений диаметров пузырьков в жидкости, внутреннее давление парогазовой смеси перестает расти и также становится постоянной величиной. Тем самым, М.А. Маргулис дает возможность предположить, что создание устойчивой системы "газ (в объёмах пузырьков)/жидкость" при определённых условиях теоретически допускается.
Достаточно интенсивные исследования свойств жидкостей, насыщенных парогазовыми пузырьками, ведутся и за рубежом. По крайней мере, список зарубежной литературы по данной тематике, приводимой М.А. Маргулисом, другими авторами - довольно обширен. В СМИ, например, приводятся, как пример, работы Брукхевенской лаборатории США, где предпринимаются попытки создания устойчивых суспензий бензина с частицами сажи (углерода), в которых твёрдые включения в жидкости поддерживаются во взвешенном состоянии с помощью мельчайших пузырьков. То есть, подобные работы ведутся в целях повышения энергоёмкости, энергонасыщенности углеводородных видов топлива
Необходимо также сослаться на работы профессора Самарского государственного университета, доктора технических наук, заведующего лабораторией ОНИЛ-9 А.П. Меркулова, который первым попробовал использовать в качестве рабочего тела жидкость (воду) в известной конструкции вихревой трубки Ранке - Хильша. Полученные им результаты интересны тем, что вода, пропущенная через устройство, активно насыщалась парогазовыми пузырьками различного диаметра (нами этот опыт повторен и подтверждён). Об устойчивости полученного газожидкостного раствора А.П. Меркулов ничего не сообщает. Но при этом высказал предположение о механизме образования пузырьков. По его мнению, в пограничном (пристеночном) слое раскрученного потока жидкости сдвиговые силы так действуют на элементарный объём жидкости, что возникает микровихревое образование вдоль оси, параллельной стенке. Под действием центробежных сил вдоль оси возникает пустота, которая мгновенно заполняется парами самой жидкости и газами, содержащимися в жидкости. Поскольку у сферы наилучшее оптимальное соотношение между объёмом и её поверхностью, то, в конце концов, веретёнообразное образование приобретает сферическую форму, то есть, форму пузырька.
В предлагаемой к рассмотрению конструкции установки, идея А.П. Меркулова дополнена тем, что на цилиндрическую стенку, омываемую раскрученным потоком жидкости, наложены упругие механические колебания низкой частоты (300...400 Гц). То есть, стенка совершает колебательные движения, скорости которых периодически - то совпадают с линейной скоростью закрученного потока жидкости, то направлены в противоположную сторону. Если А.П. Меркулов прав в своих предположениях, то в данном случае создаются практически идеальные условия для зарождения огромного множества раскручиваемых элементарных объёмов жидкости. Приближённые расчеты показывают, что, например, элементарный объём жидкости, имеющий в поперечном сечении квадрат со сторонами в 10 микрон, при расчётной амплитуде колебаний стенки в 0,3 мм, раскручиваясь, приобретает частоту вращения в миллионы оборотов в минуту. Возникающие при этом центробежные силы, действующие на жидкость, столь велики, что вдоль оси вращения непременно образуется пустота веретёнообразной формы, мгновенно заполняемая парами самой жидкости и газами, содержащимися в жидкости.
Если предположения А.П. Меркулова о механизме зарождения парогазовых пузырьков справедливы, то мы получаем сравнительно более простой и менее энергоёмкий способ получения микропузырьков в сравнении с кавитационными процессами. К тому же, получаемые таким образом пузырьки, почти однородны в своей массе по размерам. Остаётся исследовать устойчивость системы "газ (в объёмах пузырьков)/жидкость" на долговременность существования, как при нормальных физических условиях, так и при прочих внешних воздействиях. Необходимо одновременно исследовать физические, физико-химические свойства различных жидкостей, насыщенных микроскопическими парогазовыми пузырьками. Что и является основной темой предстоящих НИОКР. На этом этапе предполагается использовать исследовательский потенциал институтов и лабораторий Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского с привлечением учёных и специалистов ННГУ. На этапе ОКР (2-й и 3-й годы работы) предполагается также привлечь на договорной основе к участию в проекте учёных и специалистов Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева при создании готовых промышленных изделий (например, машин по утилизации снега для снегоуборочных работ на улицах крупных городов России).
Можно смело предположить, что данная технология, газожидкостные растворы, технология их приготовления, могут найти самое широкое применение в биотехнологических и биомедицинских процессах, в создании новых строительных материалов и строительных технологий, в противопожарных технологиях, в нефтепереработке, нефтегазодобыче и т.д.
Возвращаясь к аналогии с газовыми гидратами,
можно предположить, что данное направление несёт в себе огромные
перспективы. Например, в статье «Краткий анализ
исследований газовых гидратов по материалам отечественных
публикаций», написанной заведующим сектором #151 ИВТ РАН,
д.т.н. Фокиным Л. Р., и старшим научным сотрудником, к.т.н.
Вульманом Ф.А., в разделе «Технологическое использование
газовых гидратов в различных отраслях промышленности»
отмечается: «Процессы техногенного гидратообразования могут
быть использованы в различных областях промышленности для решения
следующих задач:
1) опреснение морской воды;
2) разделение
водных растворов;
3) аккумулирование тепла, холодильные циклы;
4)
изотопное разделение;
5) хранение и разделение газов;
6)
использование низкопотенциального тепла и др.»
В ходе НИОКР предполагается выполнить задачи устранения рисков данного проекта, которые заключаются в следующем:
- Подтверждение соответствия расчетных характеристик с принятыми конструктивными решениями устройства (ГП — генератора пузырьков).
- Устойчивость работы устройства (ГП).
- Соответствие выбранных конструкционных материалов, их прочностных параметров нагрузкам деталей, сборочных единиц, узлов.
Коммерциализуемость научно-технических результатов
Мировой опыт показывает, что существует две схемы коммерциализации технических и технологических инноваций, которые можно схематично представить следующим образом:
| ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ИЛИ ТЕХНИЧЕСКАЯ ИННОВАЦИЯ | |||
|---|---|---|---|
| а) | этапы:
|
б) | этапы:
|
Путь а): Попробовать выставить на рынок готовый продукт. Например, компания ООО «Инбитек», дочерним предприятием которой является представляемая здесь компания ООО «Инбитек-ТИ», готова инвестировать проекты «Утилизатор «бросового» тепла», «Установка утилизации снега» и других ресурсосберегающих установок и технологий (см. Приложение 1 «Протокол переговоров»). В данных проектах предполагается использовать «Генератор пузырьков и технологию приготовления газожидкостных дисперсий, отличающихся устойчивостью существования» в качестве базового элемента и базовых основ.
Разместив на некоторых сайтах Интернета, например, материалы проекта «Установка утилизации снега» с указанием расчётных параметров производительности, расходами топлива и приближенным расчётом стоимости, нами уже установлено, что подобные установки пользуются спросом во многих крупных городах России. Более того, судя по поступившим запросам муниципальных образований, суммарная потребность внутреннего рынка страны оценивается в 450…500 штук готовых установок (1,5…2 млрд. руб.). То есть, даже если производить по 50 установок в год, то понадобится 10 лет на насыщение рынка подобным оборудованием.
Путь б): Наиболее перспективным, интересным и достаточно выгодным направлением работ может стать оказание инжиниринговых услуг, целью которых является использование предлагаемой технологии для модернизации, а то и замещения существующих промышленных и производственных технологий на новейшие, что может привести к сокращению издержек производства, интенсификации промышленных процессов, к улучшению экологической обстановки. То есть, компания ООО «Инбитек-ТИ» может зарабатывать на рынке промышленных услуг инжинирингового характера, имея в своем распоряжении собственные наукоёмкие технологии и устройства.
Примечание: В России рынок инжиниринговых услуг только-только начал развиваться и находится в стадии становления. Поэтому имеются очевидные, легко прогнозируемые трудности его освоения. Вместе с тем, тому, кто первым закрепится на подобном направлении развития, как правило, удаётся занять наиболее устойчивую и обширную нишу деятельности со всеми вытекающими отсюда преимуществами и экономическими выгодами.
Уже первые публикации в СМИ и Интернете выявили интерес к предлагаемой технологии. Так нами получен запрос о возможности её использования для получения прочных и лёгких материалов из смеси воды, снега и льда, которые будут применяться при производстве работ на Севере в условиях вечной мерзлоты, удовлетворяющие параметрам, приведённым в письме ЗАО «СибкоТЭС» (см. Приложение #2 «Письмо «СибкоТЭС»).
Анализ, проведённый нами, показывает, что, имея результаты НИОКР, результаты лабораторных исследований, выполненных на хорошем научно-исследовательском уровне вузовской науки, можно начать изучать и исследовать существующие проблемы с целью подготовки предложений по модернизации, а то и замещения действующих промышленных и производственных технологий на новейшие, например, в следующих отраслях народного хозяйства:
- жилищно-коммунальное хозяйство городов (промывка трубопроводов различного назначения, каналов, водостоков, ливнёвок);
- городские системы биологической очистки сточных вод (интенсификация биотехнологических процессов в системах очистки, просто очистка воды);
- крупные агрохолдинговые компании на селе (улучшение агроприёмов в сельскохозяйственных процессах растениеводства, решение проблем переработки отходов крупных животноводческих комплексов, улучшение технологий кормопроизводства);
- крупные предприятия производства строительных материалов (улучшение и интенсификация технологий строительного производства);
- крупные промышленные предприятия металлургического, химического, машиностроительного направления (интенсификация теплообменных процессов теплопередающих устройств и установок, решение экологических проблем при сбросе в окружающую среду газовых и жидких отходов производства);
- крупные рыбоводческие хозяйства и т.п.
Примечание: Вопросы лицензирования, сертификации и оформления разрешительных документов на новые виды продукции, новые виды технологий, будут решаться в соответствии с Законодательством РФ и существующей нормативно-технической документацией.