Ученые КНИТУ-КАИ с помощью 3D-моделирования создали усовершенствованную теплообменную поверхность, которая позволяет добиться большей надежности работы энергетического оборудования и значительно уменьшить габариты теплообменника. Секрет в «идеальной» (улучшенной) форме выемок, которыми покрыта поверхность теплообменника.
Дело в том, что теплообменные поверхности обычно изготавливают с особым рельефом. Довольно давно на практике было доказано, что выемки сферической или диффузорной формы усиливают теплообмен и уменьшают гидравлическое сопротивление при движении теплоносителя.
Отметим, что гидравлическое сопротивление – неизбежный спутник процессов теплообмена. Когда теплоноситель (например, вода) проходит через каналы и трубы или другие элементы теплообменного оборудования, возникает сила трения. Нельзя сбрасывать со счетов и турбулентность потока жидкости. Все это в совокупности создает гидравлическое сопротивление, требующее установки мощных циркуляционных насосов. Как следствие, высокие капитальные и операционные расходы.
«Для эффективной работы теплообменников в различных средах необходимо обеспечить интенсификацию теплообмена при равноценном или отстающем росте гидравлического сопротивления, – поясняет профессор кафедры теплотехники и энергетического машиностроения КНИТУ-КАИ Игорь Попов. – Обеспечение этого баланса особенно важно в теплообменниках, работающих на газе, где затраты механической энергии на преодоление силы трения достаточно легко могут вырасти до величины, сопоставимой с количеством энергии, передаваемой в виде теплоты. Учитывая высокую стоимость механической энергии по сравнению с эквивалентной ей энергией, передаваемой в виде теплоты (разница в 3-5 раз), уменьшение гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей является актуальной задачей».
Выемки, регулярно расположенные по поверхности теплообменника, как раз и обеспечивают интенсификацию теплообмена (выполняют роль интенсификаторов). Интенсификация теплообмена зависит от режима обтекания выемки очень сильно. При малых скоростях для относительно неглубоких выемок обтекание происходит ламинарным (упорядоченным, без перемешивания слоев) потоком без отрыва потока («безотрывные» выемки).
Ученым хорошо известна матрица «безотрывных» сферических выемок, используемых для интенсификации теплообменной поверхности. Ее рассчитали коллеги казанских ученых несколько десятилетий назад. Однако сегодня признается ее низкая эффективность и недостаточное использование поверхности внутренней полости сферической выемки матрицы.
На самом деле, в последние годы целый ряд исследований российских ученых был посвящен совершенствованию геометрии выемок. Исследователи из КНИТУ-КАИ приняли за прототип одну из созданных коллегами матриц (патент РФ №2610636 С1). Однако казанские ученые пошли дальше, поставив цель нарастить теплоотдачу как на внутренней поверхности выемок каплевидной формы, так и на гладкой поверхности между ними. При этом предположили, что при максимальной плотности расположения выемок на теплообменной поверхности можно создать высокоэффективное, компактное теплообменное устройство и эффективную систему охлаждения теплоэнергетической установки.
Совершенствование геометрии выемок было направлено на преодоление очевидных для исследователей недостатков. Так, конструктивные особенности «безотрывных» диффузорных выемок прототипа, когда боковые стенки выемок выполнялись по линейному закону, не позволяли возникать продольным микровихрям, интенсифицирующим теплоотдачу на внутренней поверхности выемок. А наличие скругления выходного участка приводило к снижению теплоотдачи на выходном участке.
Исследователи КНИТУ-КАИ рассчитали, какими должны быть выемки по очертаниям и размеру. Так, новаторские диффузорные «безотрывные» выемки обладают каплевидной формой с переменной кривизной донной части и боковых стенок. Донная часть выемок выполнена вогнутой и образована тремя плавно соединяющимися между собой входным, средним и выходным участками.
Ученые описали гидродинамические процессы, которые происходят при обтекании теплообменной поверхности основным потоком газообразного теплоносителя. Так, вогнуто-выпуклая форма внутренней полости выходного участка выемки позволяет обтекать его безотрывно, с плавным выходом на гладкую поверхность. Такая форма внутренней полости выходного участка позволяет существенно снизить опасность возникновения отрывных явлений и уменьшить гидравлические потери. Границы всех участков выемок плавно очерчены – это способствует снижению гидравлических потерь и плавному сопряжению всех участков «безотрывных» каплевидных выемок.
Для упрощения технологии изготовления теплообменной поверхности казанские ученые предлагают в пределах одной матрицы основные каплевидные и дополнительные сферические безотрывные выемки выполнять одинаковыми по форме и размеру. Максимальная плотность расположения основных каплевидных и дополнительных сферических «безотрывных» выемок, оказывающих взаимное влияние друг на друга, повышает интенсивность процессов теплообмена и эффективность гидродинамических процессов, обеспечивающих снижение гидравлических потерь. Безотрывные выемки могут быть выполнены с применением традиционных технологических способов изготовления (штамповкой, выдавливанием) или с применением аддитивных технологий.
Экономический эффект от внедрения новой технологии оценивается на уровне 15-20%.
Учеными КНИТУ-КАИ был получен патент RU 2848571 C1 Федеральной службы по интеллектуальной собственности на изобретение «Теплообменная поверхность».
Источник: Минобрнауки России
