Методология научных исследований в университетах и промышленных компаниях

A. H. Макаров




        МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В УНИВЕРСИТЕТАХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПАНИЯХ

Учебное пособие

Издание 2-е, переработанное и дополненное














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.18:001.8
ББК 31.31+87.25
     М15



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, Президент ОАО «ВТИ», член-корреспондент РАН Г. Г. Ольховский;
кандидат технических наук, доцент, научный руководитель ГК «ОРИЕН ТЕХНОЛОДЖИ», лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники Г. А. Дорофеев




     Макаров, А. Н.

М15 Методология научных исследований в университетах и промышленных компаниях : учебное пособие / А. Н. Макаров. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 276 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1424-1

            Изложены краткая история университетского образования в промышленноразвитых странах (ПРС) и России, методология фундаментальных научно-исследовательских работ (НИР) в университетах, прикладных НИР в промышленных компаниях. Даны рекомендации по реализации прикладных НИР в компаниях. Приведены примеры научного открытия фундаментальных законов физики и разработки на их основе современной теории и практического использования открытия и теории в металлургии, энергетике, различных отраслях промышленности, оборонно-промышленном комплексе.
            Для студентов и преподавателей вузов направления «Электро- и теплоэнергетика», а также других направлений по дисциплинам «Научно-исследовательская работа (НИР)», «История и методология НИР», «Инжиниринговая работа», «Инновационная работа», «Сервисная работа в промышленных компаниях». Может быть полезно широкому кругу читателей, а также руководителям и специалистам министерств промышленности и экономического развития России и регионов, менеджерам, специалистам промышленных компаний, депутатам департаментов науки и промышленности законодательных собраний всех уровней, заинтересованных в развитии высококонкурентоспособной промышленности в России.

УДК 621.18:001.8
                                                                ББК 31.31+87.25








ISBN 978-5-9729-1424-1

     © Макаров А. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                                    В 1996-2001 гт. открыты фундаментальные законы физики - законы теплового излучения газовых объемов. Научное открытие фундаментальных законов физики - редкое событие в истории человечества и происходит оно один раз в 60-80 лет. Автор научного открытия фундаментальных законов физики посвящает его России и народам, в ней проживающим.
                                  Доктор технических наук, профессор, почётный работник ВПО РФ, автор научного открытия.
А. Н. Макаров


        ПРЕДИСЛОВИЕ

   Автор учебного пособия провел многолетний сбор и анализ прикладной научно-исследовательской деятельности промышленных компаний России и промышленно развитых стран (ПРС), обобщил их опыт, часто конфиденциальный, охраняемый государством, и изложил в данном учебном пособии.
   В учебном пособии изложены результаты анализа структуры и эффективности работы российских и зарубежных промышленных компаний за период 1900-2022 годов, приведены изменения структуры компаний за этот период. Несмотря на одинаковое столетнее поступательное развитие российских промышленных компаний и компаний промышленно развитых стран, к концу XX века они пришли с различными структурами и результатами. Приведены структуры российских промышленных компаний и компаний ПРС. В компаниях ПРС созданы крупные научно-исследовательские, инжиниринговые, аналитические, сервисные подразделения, центры (НИИАЦ), обеспечивающие постоянное обновление и выпуск инновационной конкурентоспособной продукции. Информация об этих подразделениях отсутствует, их структура, функции, работа являются секретами, охраняемыми службами безопасности компаний и государством. Многолетними исследованиями, проведенными автором учебного пособия, доказано, что в зависимости от отрасли компании научноисследовательским, инжиниринговым, проектно-конструкторским, аналитическим, сервисным обслуживанием производства продукции занято около 20-40 % персонала компаний ПРС.
   В большинстве российских промышленных компаний НИИАЦ, работающие над совершенствованием, созданием инновационной продукции, отсутствуют, поэтому их продукция в настоящее время неконкурентоспособна. Доказана необходимость структурных изменений в российских промышленных компаниях для повышения их эффективности и конкурентоспособности. В российских

3

промышленных компаниях с целью выпуска конкурентоспособной продукции, расширения присутствия на российском рынке и завоевания рынков зарубежных стран, необходимо создание научно-исследовательских, инжиниринговых, аналитических, сервисных центров и фирм. Приведена структура и описаны функции НИИАЦ.
   Изложены краткая история университетского образования в промышленно развитых странах и России, методология фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ (НИР) в университетах, академических институтах, промышленных компаниях. Изложены закономерности фундаментального научного познания, включающего в себя процесс открытия неизвестных физических законов, создания новых теорий, методов, выявления и оформления изобретений и практического прикладного использования фундаментальных НИР в промышленных компаниях. Приведены структуры промышленных компаний для реализации в производстве фундаментальных и прикладных НИР и создания высококонкурентоспособной продукции. Приведены примеры научного открытия фундаментальных законов физики и разработки на их основе современной теории теплообмена в электродуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок и практического использования открытия и теории в металлургии, энергетике, различных отраслях промышленности, оборонно-промышленном комплексе.
   Видеопрезентации научного открытия, фундаментальных и прикладных НИР в университетах и промышленных компаниях находятся по адресу: http://www.youtube.com/channel/UCoa369Ee3tZoEyeHXpJjchw.
   Автор убежден, что использование изложенного в учебном пособии материала поможет российским промышленным компаниям вытеснить компании ПРС с российского рынка и осуществить диверсификацию международного рынка, получить значительную прибыль, укрепить свое финансовое положение, улучшить жизнь персонала компаний, жителей регионов.
   Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей высших учебных заведений технических направлений подготовки, а также для руководителей и специалистов министерств промышленности и экономического развития России и регионов, менеджеров, руководителей и специалистов промышленных компаний, депутатов департаментов науки и промышленности законодательных собраний всех уровней, заинтересованных в развитии высококонкурентоспособной промышленности в России. Может быть полезно широкому кругу читателей, интересующихся историей российского государства, университетского образования, научных исследований и развитием фундаментальных и прикладных НИР, и их практическим использованием в России и ПРС.

4

        ВВЕДЕНИЕ


   Учебное пособие посвящено методологии проведения фундаментальных и прикладных НИР в университетах и промышленных компаниях. Автор учебного пособия Макаров Анатолий Николаевич имеет большой многолетний опыт выполнения фундаментальных НИР в университетах и прикладных НИР в промышленных компаниях. При выполнении НИР он открыл фундаментальные законы физики и разработал новые теории и методики расчета.
   Макаров Анатолий Николаевич закончил в 1978 г. вечерний факультет Калининского политехнического института по специальности «Электрификация и автоматизация горных работ», в 1982 г. - аспирантуру Московского энергетического института с защитой кандидатской диссертации. В ТвГТУ работает с 1974 г., с 1995 г., после защиты докторской диссертации в СПбГЭТУ, работает профессором и с 1996 г. заведующим кафедрой электроснабжения и электротехники (ЭСиЭ).
   Крупный ученый, известный в России и за рубежом в области электрометаллургии, энергетики, автор научного открытия фундаментальных законов теплового излучения газовых объёмов электрических дуг и факелов металлургических печей и энергетических установок (рис. В.1), автор 490 научных трудов, 10 монографий, 10 учебников, имеет 35 патентов на изобретения. Руководит госбюджетными научно-исследовательскими работами на проведение фундаментальных исследований и хоздоговорными работами по энергосбережению.


а                                   б

Рис. В.1. Дуговая сталеплавильная печь вместимостью 6 тонн металла (а), тепловая электрическая станция (б)

   По результатам НИР ежегодно публикует 12-14 статей, 3-4 из которых в англоязычных журналах, входящих в систему цитирования «Scopus» и «Web of Science», получает 1-2 патента на изобретения, участвует в 2-3 международных и российских конференциях с 2-3 докладами, один раз в три года издает монографию или учебник. Результаты научно-исследовательских работ широко используются им при чтении лекционных курсов, проведении лабораторных и практических занятий со студентами, аспирантами.


5

   Выпускники руководимой Макаровым А. Н. кафедры по направлению «Электроэнергетика» (ЭЛЭ) в 2015-2017 годах заняли 3-е-4-е места в Российском конкурсе профессионального мастерства выпускников технических университетов, в 2018-22 гг. аналогичные результаты показали на Федеральном интернет-экзамене по направлению ЭЛЭ, что говорит о высоком качестве подготовки бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика» на кафедре ЭСиЭ в ТвГТУ. За время работы в ТвГТУ Макаров А. Н. в составе кафедры ЭСиЭ участвовал в подготовке для Тверской области и России около трех тысяч специалистов по электроснабжению, подготовил 30 магистров и 7 кандидатов технических наук, которые успешно развивают энергетику и промышленность Тверской области и России.
   В настоящее время в мире около 40 % стали выплавляют в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Проведенные в 1970-1977 годах ВНИИ электротермического оборудования экспериментальные исследования ДСП показали, что 90-96 % подведенной к электрической дуге электрической мощности выделяется в ней в виде потока теплового излучения. До 1978 года электрическая дуга в ДСП представляла собой «черный ящик», неисследованный излучающий ионизированный газовый объем. Не было расчетных формул и, соответственно, возможностей для расчета и организации рационального теплообмена в ДСП с максимальным КПД дуг, при котором снижается расход электроэнергии. В 1978-1982 годах Макаров А. Н. открыл, математически вывел первый закон теплового излучения газового объёма, электрической дуги и на его основе разработал геометрическую, физическую, математическую модель дуги как источника теплового излучения. Модель электрической дуги в виде источника теплового излучения была защищена им в НИУ МЭИ в 1982 году в виде кандидатской диссертации. На основе научного открытия Макаров А. Н. в 1983-92 годах разработал пионерскую теорию теплового излучения ионизированных газовых объемов, теорию теплообмена излучением в ДСП. Теория включает решение интегральных уравнений теплообмена излучением в ДСП и вывод 16 расчетных формул, позволяющих рассчитать теплообмен при любом пространственном положении электрической дуги и поверхности нагрева. В 1983-1992 годах автор пионерской теории проводил опытно-экспериментальные исследования на металлургических заводах России Северсталь, Челябинском, Орско-Халилов-ском, Оскольском электрометаллургическом и других. Экспериментальные исследования подтвердили истинность разработанной теории. Расчетные данные теплообмена в ДСП и экспериментальные данные о теплообмене в ДСП имеют высокую сходимость: расчетные и экспериментальные данные не отличаются более чем на 10 %. Теория и результаты экспериментальных исследований защищены Макаровым А. Н. в 1995 году в СПбГЭТУ в виде докторской диссертации, ранее в 1992 году изданы в издательстве «Энергоатомиздат» в виде монографии «Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей» (рис. В.2, а). Монография в 1990-е годы являлась основной настольной книгой по теплообмену в ДСП у российских металлургов, а также у преподавателей, студентов металлургических кафедр университетов.

6

     ЭЛЕКТРОТЕРМИСТ*




   ИКШЛ1 пятикш


     ОПТИМАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ













* II. млклгов



             ТЕПЛООБМЕН
             в электродуговых
             и факельных
             металлургических печах
             и энергетических
             установках




б












ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ И ФАКЕЛЬНЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ. ТОПКАХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ. КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК













Рис. В.2. Титульные листы монографии 1992 г. (а), учебника 2014 г. издания (б), монографии 2022 г. издания (в)

7

   Более 35 лет разработанная Макаровым А. Н. теория теплообмена в ДСП используется для обучения студентов-металлургов в НИТУ МИСиС и других университетах металлургического профиля и на металлургических кафедрах технических университетов России, и в университетах русскоязычных стран зарубежья. Теория используется на металлургических предприятиях России для расчета и выбора рациональных энерготехнологических режимов работы ДСП. Результаты сорокалетнего теоретического и экспериментального исследования теплового излучения ионизированных и неионизированных газовых объемов, теплообмена в дуговых и факельных металлургических печах, топках, камерах сгорания изложены Макаровым А. Н. в монографии «Теплообмен в электро-дуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок. Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2022 г. 450 с.» и в учебном пособии «Макаров А. Н. Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках. Санкт-Петербург, издательство «Лань», 2014 г. 384 с.» [1] (рис. В.2, б, в). Учебное пособие Макарова А. Н. является основным учебником по теплообмену в ДСП и рекомендован УМО по образованию в области металлургии Минобрнауки РФ для студентов университетов. Учебник используется в университетах металлургического профиля и на металлургических кафедрах технических университетов, а также в металлургических компаниях России. Учебник используется для обучения студентов на некоторых кафедрах энергетического профиля и в энергетических компаниях России.
   В России в металлургических компаниях установлено свыше 50 стотонных дуговых сталеплавильных печей, мощностью 90 МВт, производительностью 1 млн тонн каждая. В конце 1980-х годов в этих печах удельное потребление электроэнергии составляло 450-460 кВт-ч/т. общее потребление 450-460 млн кВт-ч одной печью. К 2015 году за счет технологических факторов и правильной организации теплообмена в этих печах снизилось удельное потребление электроэнергии до 350-360 кВт-ч/т, общее до 350-360 млн кВт-ч в год одной печью. Экономия электроэнергии составляет 100 млн кВт-ч на одну печь. Заслуга в этом сотрудников металлургических компаний и научно-педагогического состава университетов, которые готовят высококвалифицированных специалистов для металлургии. Определенная заслуга в экономии электроэнергии в металлургических компаниях принадлежит Макарову А. Н., разработчику теории теплообмена в ДСП и использования ее сотрудниками компаний России для организации рационального теплообмена в дуговых сталеплавильных печах. Признанием этого факта является награждение автора научного открытия Серебряной медалью Международной выставки «Металл-Экспо 2018», в работе которой приняли участие 550 российских и иностранных компаний, руководители которых входили в Наградной комитет. Золотую медаль получил научно-педагогический состав НИТУ МИСиС. Разработка теории теплообмена в ДСП относится к фундаментальным НИР, использование теории в металлургических компаниях для расчета и организации и рационального теплообмена, снижения потребления электроэнергии в ДСП относится к прикладным НИР. За разработку инновационных электродуговых и факельных печей, топок, камер сгорания автор научного от-

8

крытия награжден Серебряной медалью Международной выставки изобретений «EXPOPRIORITY 2013» (рис. В.3). Российские металлургические компании работают устойчиво, успешно развиваются, реализуют продукцию как в России, так и в зарубежье, промышленно развитых странах Евросоюза, США.

б

Рис. В.3. Диплом (а), Серебряная медаль «Металл-Экспо 2018» (б), Серебряная медаль «EXPOPRIORITY 2013» (в), полученные автором Макаровым А. Н.

в

Рис. В.4. Факельная печь для обжига кирпича (а), газотурбинная установка, мощностью 295 МВт (б), камера сгорания ГТУ (в), геометрическая модель факела в виде цилиндрических газовых объемов (г): 1 - факел; 2 - продукты горения; 3 - цилиндрические газовые объемы разного диаметра

9

   Второе направление научно-исследовательской деятельности Макарова А. Н. - газовые объемы, факелы, образующиеся при сжигании газообразного, жидкого, пылевидного топлива в факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания (КС) газотурбинных установок (ГТУ) электростанций (рис. В.4). Результаты исследований и анализа теплообмена в факельных печах, топках, камерах сгорания, выполненных несколькими десятками российских и зарубежных научных коллективов в 1920-2000 годы, одинаковы: 90-95 % мощности факелов при сгорании топлива выделяется в них в виде потока теплового излучения, а на долю конвективного потока и тепло-водности приходятся 5-10 % мощности факелов.
   В XIX - начале XX веков в печах, топках на решетках сжигали твердое топливо: уголь, торф, сланцы, дрова. Из учебников физики для учащихся школ и студентов вузов известно, что к этому периоду времени относится открытие Стефаном (1879 г.), Больцманом (1884), Планком (1900), Вином (1893) фундаментальных законов физики, законов теплового излучении абсолютно черного тела (АЧТ), твердых тел, поверхностей тел. Законы излучения АЧТ с целью соблюдения многовековых научных традиций и авторского права названы законами Стефана-Больцмана, Планка, Вина. Законы излучения АЧТ адекватно отражают процессы излучения твердых тел в печах, топках, камерах сгорания. Согласно закону Стефана-Больцмана, результат теплообмена излучением между излучающей поверхностью F1 и облучаемой поверхностью F2 зависит от температур этих поверхностей в четвертой степени.
   Так как твердые тела излучают поверхностью, то для расчетов их излучения использовались двухмерные модели. В XIX-XX веках решение двойных интегралов дифференциальных уравнений, отписывающих излучение тел поверхностью, было найдено, получены аналитические выражения, формулы, позволяющие рассчитать угловые коэффициенты излучения и теплообмен излучением одной поверхности на другую при их произвольных пространственных положениях. С использованием фундаментальных законов физики, законов теплового излучения твердых тел Стефана-Больцмана, Планка, Вина при выполнении прикладных НИР, расчетах и конструировании твердотопливных топок коэффициент полезного действия топок паровых котлов повысили с 20-25 % до 80-85 %, то есть в 3-4 раза, что позволило сократить в 3-4 раза расход топлива на выработки 1 кВт-ч электроэнергии на тепловых электрических станциях и сэкономить млн тонн топлива. За открытие законов излучения твердых тел Вину в 1911 году, Планку в 1918 году присуждена Нобелевская премия по физике.
   В XX-XXI веках широкое распространение получило факельное сжигание в топках, печах, камерах сгорания газообразного, жидкого, пылевидного топлива. Для факельного сжигания топлива характерно объемное излучение, трехмерная модель излучения. В факеле излучают квадриллионы (10¹⁵-10⁴⁵) частиц, атомов. Излучение каждой частицы, атома на расчетную площадку необходимо учесть. Для расчета теплового излучения на расчетную площадку всех атомов, составляющих газовый объем, факел, необходимо решение трехкратных интегральных уравнений. В XX-XXI столетиях во всех странах мира не решены трехкратные интегральные уравнения для определения средней длины пути лучей

10