Как рассказывает заведующий кафедрой холодильных машин и низкопотенциальной энергетики Университета ИТМО Александр Малышев, почти четверть всей производимой в мире электроэнергии потребляет холодильная техника. Холод используется, в первую очередь, в пищевой промышленности: перед тем, как попасть на кухни, продукты проходят долгий путь, и сбой на любом из этапов приводит к нарушению холодильной цепи и поставок пищи. Холод необходим в производстве сырья и топлива, даже в таких передовых отраслях, как космос и информационные технологии. Очевидно, что перед современными исследователями стоит важная задача — сделать холодильную технику надежной, экономичной и безопасной.
«В развитии холодильной техники достигнут определенный предел: можно, например, поменять вентиль, переставить прокладки, увеличить расстояние между трубами, но прирост энергоэффективности установки составит в лучшем случае 5%, — объясняет Александр Малышев. — В этой сфере необходимы новые прорывные технологии, чтобы техника стала более энергоэффективной, безотказной, обладающей лучшими массогабаритными характеристиками, не влияющей на окружающую среду. Последнее особенно важно, так как главные проблемы современной экологии — разрушение озонового слоя, парниковый эффект, — в значительной степени связаны с выбросами веществ, использующихся в холодильных установках».
Принцип работы большинства холодильных машин основывается на том, что в процессе кипения вещество активно поглощает тепло из среды, с которой соприкасается. Использование теплообменников с миниканалами, размер которых составляет 0,3−0,5 мм, позволяет повысить компактность установок и снизить объемы заправки рабочего вещества в систему. В этом направлении работают сотрудники и магистранты кафедры — к примеру, студент из Кот-Д'Ивуара Куадио Фабрис посвятил свою магистерскую диссертацию изучению теплообмена и гидродинамики при кипении холодильных агентов для разработки методологии расчета теплоотдачи на каждом участке теплообмена и определения оптимальных режимов кипения.
«Хладагент, кипящий в испарителе, представляет собой двухфазный поток, в котором есть жидкая фаза и паровая. В зависимости от интенсивности кипения пузыри пара могут быть мелкими или сливаться в единый стержень, при чем в стержневом режиме теплоотдача будет гораздо выше. На данный момент разработана карта режимов течения двухфазных потоков по трубам и миниканалам и алгоритм создания программы расчета режимов, теплоотдачи и оптимизации холодильной установки», — поясняет аспирант кафедры холодильных машин и низкопотенциальной энергетики Кристина Киссер.
Кроме того, на кафедре разработан новый фундаментальный подход к исследованиям в области теплофизики кипения, который учитывает режимы кипения, локальную теплоотдачу, перепады давления, скольжение фаз — ранее по умолчанию считалось, что скорость жидкости и пара в системе одинаковы, что приводило к погрешностям в расчетах. Александр Малышев подчеркивает, что развитие этих направлений и оптимизация установок для производства промышленного и бытового холода является задачей, решение которой важно для всего человечества, поскольку они позволят многократно повысить энергоэффективность индустрии холода и теплоэнергетики.
«Сейчас мы работаем над международной аккредитацией магистерской программы „Промышленные холодильные системы и тепловые насосы“, и следующим этапом, возможно, станет чтение онлайн-лекций на английском языке, так как наш опыт представляет интерес для иностранной аудитории. Наша кафедра проводит эксперименты совместно с Университетом штата Иллинойс в Урбане-Шампейн и Рижским технологическим университетом, и это в очередной раз демонстрирует тесную интеграцию Университета ИТМО в мировое научное и образовательное сообщество. С другой стороны, наши выпускники помогают решить проблемы импортозамещения — создают не просто аналоги зарубежной продукции, а продукты и технологии, которые превосходят их в качестве», — комментирует Александр Малышев.
Добавим, что в 2016 году на кафедре были защищены пять магистерских диссертаций по теплофизической тематике, две из которых получили оценку «отлично», а их авторы были рекомендованы к поступлению в аспирантуру. По данному направлению обучаются магистры и аспиранты из России, Казахстана и Кот-Д'Ивуара; за последние три года ими в соавторстве были опубликованы шесть научных статей, четыре из которых — с цитированием в журнале ВАК. Тематика исследований кафедры была положена в основу научно-исследовательских работ международной научной лаборатории прикладной гидро- газодинамики.
