Универсальный режимный критерий для сверхкритического теплообмена: критерий Гусева

Сверхкритический теплообмен играет ключевую роль в водородных энергетических системах, сверхкритических CO₂-циклах (sCO₂), реакторах метанового крекинга для безуглеродного производства водорода, а также в высокотемпературных процессах с углеводородными жидкостями. В окрестности псевдокритической температуры жидкости и газы демонстрируют резкие нелинейные изменения теплоёмкости, плотности и вязкости, что приводит к формированию улучшенного, плато и ухудшенного режимов теплообмена. Классические безразмерные критерии (Re, Pr, Nu, Pe) не способны предсказать эти переходы, поскольку не учитывают положение температуры стенки относительно псевдокритической области и локальные эксергетические потери.

А.  Л.  Гусев разработал новый режимный критерий, позднее получивший название критерия Гусева благодаря исследованиям в области сверхкритических углеводородных систем. Этот критерий обеспечивает универсальное, локальное и термодинамически обоснованное описание режимов сверхкритического теплообмена и применим к любым жидкостям и газам, обладающим критической точкой.

Критерий основан на результатах исследований автора в области эксергетического анализа, ведущихся с 1979 года и развивавшихся в направлении сверхкритических процессов в 2005-2025 гг.

Критерий Гусева является итогом многолетнего развития эксергетического подхода, которым автор занимается с 1979 года, и представляет собой завершённую универсальную модель сверхкритического теплообмена.

Критерий предсказывает переходы между режимами, локальные максимумы температуры стенки и зоны ухудшенного теплообмена. Он корректно работает для водорода, CO₂, метана, углеводородных жидкостей, многокомпонентных смесей и реакционно-активных сред. Критерий Гусева может быть интегрирован в CFDмодели и цифровые двойники энергетических систем.

1. . Krasnoshchekov, E. A. and Protopopov, V. S. (1960) About Heat Transfer in Flow of Carbon Dioxide and Water at Supercritical Region of State Parameters. Thermal Engineering, 10, 94.

2. . Ahn, Y. et al. Review of supercritical CO₂ power cycle technology and current status of research and development // Nuclear Engineering and Technology. – 2015; 47(6):647-661. https://doi.org/10.1016/j.net.2015.06.009

3. . Bejan, A. Advanced Engineering Thermodynamics, 4th ed. Wiley, Hoboken. – 2016. ISBN: 9781119083955

4. . Bejan, A. Entropy Generation Minimization: The Method of Thermodynamic Optimization of Finite-Size Systems and Finite-Time Processes. CRC Press, Boca Raton. – 1996.

5. . Bishop, A. A., Sandberg, R. O. and Tong, L. S. Forced convection heat transfer to water at near-critical temperatures and supercritical pressures // ASME Journal of Heat Transfer. – 1964; 86(4):521-528.

6. . Dostal, V., Driscoll, M. J. and Hejzlar, P. A supercritical carbon dioxide cycle for next generation nuclear reactors. MIT-ANP-TR-100, Massachusetts Institute of Technology. – 2004.

7. . Jackson, J. D. onsideration of the heat transfer properties of supercritical pressure fluids // Applied Thermal Engineering. – 2013; 54(2):441-452. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.02.013

8. . Kim, W. et al. Numerical investigation of heat transfer deterioration in supercritical fluids // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018; 126:1-12. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.003

9. . Kotas, T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Butterworth-Heinemann, London. – 1985. ISBN: 9780408014022

10. . Leachman, J. W., Jacobsen, R. T., Penoncello, S. G. and Lemmon, E. W. Fundamental equations of state for parahydrogen, normal hydrogen, and orthohydrogen // Journal of Physical and Chemical Reference Data. – 2009; 38(3):721-748. https://doi.org/10.1063/1.3160306

11. . Matsuo, Y. et al. Heat transfer characteristics of supercritical hydrogen in cooling channels // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019; 44(59):31523-31534. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.020

12. . Mokry, S. et al. CFD modeling of supercritical water heat transfer // Nuclear Engineering and Design. – 2011; 241(5):1627-1642. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.02.014

13. . Muradov, N. Low/zero CO₂ production of hydrogen via thermocatalytic decomposition of methane // International Journal of Hydrogen Energy. – 2001; 26(11):1165-1175. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(01)00067-5

14. . Oka, Y. Supercritical Pressure Light Water Cooled Reactors // Elsevier, Amsterdam. – 2014. ISBN: 9780081001642

15. . Patankar, S. V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing, New York. – 1980.

16. . Pioro, I. and Duffey, R. Heat transfer and hydraulic resistance at supercritical pressures in power engineering applications // Heat Transfer Engineering. – 2007; 28(10):834-842. https://doi.rg/10.1080/01457630701328956

17. . Pioro, I. and Mokry, S. Thermophysical properties at critical and supercritical conditions // Nuclear Engineering and Design. – 2011; 241(5):1627-1642. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.02.014

18. . Zhang, J. et al. Heat transfer deterioration mechanisms of supercritical fluids: A review // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018; 122:573-593. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.01.129

19. . Bulychev, N. A., Kazaryan, M. A., Averyushkin, A. S., Chernov, A. A. & Gusev, A. L. Hydrogen production by low-temperature plasma decomposition of liquids // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017; 42(33):20934-20938.

20. . Gusev, A. L. Thermodynamic peculiarities of low-temperature regeneration of cryosorption devices in heat-insulation cavities of hydrogenous cryogenic tanks // International Journal of Hydrogen Energy. – 2001; 26(8):863-871.

21. . Gusev, A. L. Low-temperature sensors and hydrogen absorbers // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), Special Issue. – 2003; 110:172.

22. . Gusev, A. L. Cleaning system for corrosive gases and hydrogen // Chemical and Petroleum Engineering. – 2009; 45(9):640.

23. . Gusev, A. L., Belousov, V. M., Bacherikova, I. V., Lyashenko, L. V. & Rozhkova, E. V. Hydrogen sensor for cryogenic vacuum objects // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Metal Hydrides. – 2002; 41-47.

24. . Gusev, A. L., Jabbarov, T. G., Mamedov, Sh. G., Malikov, R., Hajibalaev, N. M. et al. Production of hydrogen and carbon in the petrochemical industry by cracking of hydrocarbons in the process of heat utilization in steel production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023; 48(40):14954-14963.

25. . Nechaev, Y. S., Gusev, A. L., Gupta, B. K., Srivastava, O. N. & Veziroglu, T. N. On the experimental and theoretical basis developing a «super» hydrogen adsorbent. Transactions of the International Conference «Solid State Hydrogen Storage». – 2005; 40.

26. . Ufa, A. S., Malkova, Y. Y., Gusev, A. L., Ruban, N. Y. & Vasilev, A. S. Algorithm for optimal pairing of RES and hydrogen energy storage systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021; 33659-33669.

27. . Ufa, A. S., Vasilev, A. S., Gusev, A. L., Malkova, Y. Y. et al. Analysis of the influence of the current-voltage characteristics of voltage rectifiers on the static characteristics of hydrogen electrolyzer load // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021; 33670-33678.

28. . Zhiznin, S. Z., Timokhov, V. M. & Gusev, A. L. Economic aspects of nuclear and hydrogen energy in the world and Russia // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020; 45(56):31353-31366.

29. . Zhiznin, S. Z., Vassilev, S. & Gusev, A. L. Economics of secondary renewable energy sources with hydrogen generation // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019; 44(23):11385-11393.

30. . Zhiznin, S. Z., Timokhov, V. M. & Gusev, A. L. Economics of hydrogen energy of green transition in the world and Russia. Part I // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023; 48(57):21544-21567.

31. . Gusev, A. L. & Kazaryan, M. A. Hydrogen storage // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2007; 4.

32. . Goltsov, V. A., Veziroglu, T. N., Goltsova, L. F. & Gusev, A. L. Up-to-day status of hydrogen economy and hydrogen vehicles: economy, techniques, infrastructure // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2003; 18-19.

33. . Shalimov, Yu. N., Korol’kova, V. I., Budnik, A. P. & Gusev, A. L. Analysis of patents for airplane power units // Vestnik Mashinostroeniya. – 2019; 81-88.