В мире энергетики и промышленности совершено открытие, способное перевернуть представления об эффективности теплообмена. Ученые из Института механики МГУ им. М.В. Ломоносова обнаружили, что кардинально улучшить работу теплообменников можно не увеличением мощности насосов, а простым и элегантным изменением формы их каналов. Речь идет о переходе от привычных прямых труб к плавно расширяющимся каналам, известным как безотрывные диффузоры.
Новое исследование раскрыло потенциал этой технологии. С помощью сложного компьютерного моделирования специалисты сравнили, как тепло передается в круглых и плоских диффузорах. Традиционные методы интенсификации теплообмена, такие как нанесение на внутреннюю поверхность труб ребер или спиральных канавок, работают по «силовому» принципу: они создают искусственные вихри, которые, хоть и усиливают теплоотдачу, но в еще большей степени повышают сопротивление потоку. Заставить жидкость или газ течь по такому каналу — все равно что проехать на автомобиле по ухабистой грунтовой дороге вместо асфальта: мотор работает на износ.
Российские ученые предлагают иной, «умный» путь. Их расчеты демонстрируют, что плавное расширение канала само по себе мягко турбулизирует поток и значительно интенсифицирует теплообмен по сравнению с прямой трубой. При этом «цена» этого улучшения — возросшее гидравлическое сопротивление — оказывается неожиданно низкой. Ключевым показателем здесь выступает фактор аналогии Рейнольдса (RAF), который можно назвать «коэффициентом полезного действия» для теплообмена. Если этот фактор больше единицы, значит, прирост теплоотдачи опережает рост затрат на прокачку. В диффузорах этот показатель не просто превышает единицу — он значительно растет с увеличением угла расширения.
Любопытная деталь: круглые диффузоры показали себя более «талантливыми» в теплоотдаче, чем плоские с тем же углом раскрытия. Правда, у круглых каналов и сопротивление потоку чуть выше, но в итоговом зачете их совокупный «КПД» все равно оказывается выше. Это делает круглую форму крайне перспективной для инженеров-конструкторов.
Важно, что эта эффективность практически не зависит от скорости потока, что делает технологию универсальной для разных задач и сред, а наибольшую выгоду сулит при работе с газами, например, в системах вентиляции.
Это открытие прокладывает путь к новому поколению энергоэффективного оборудования. Пластинчатые теплообменники, системы «труба в трубе» и многие другие аппараты могут стать значительно компактнее и производительнее без увеличения энергопотребления. В перспективе это означает миллионы рублей сэкономленной на электростанциях и заводах энергии, более экологичные производственные процессы и тихую революцию в инженерных системах, которые окружают нас в повседневной жизни. Наука в очередной раз доказывает, что самые гениальные решения часто оказываются и самыми изящными.
Исследование опубликовано в журнале «Физико-химическая кинетика в газовой динамике»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
