Казанские ученые создали усовершенствованную теплообменную поверхность для энергетического оборудования
Ученые Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ) с помощью 3D-моделирования разработали и запатентовали усовершенствованную теплообменную поверхность, которая позволяет добиться большей надежности работы энергетического оборудования и значительно уменьшить габариты теплообменника. Секрет — в улучшенной форме выемок, которыми покрыта поверхность теплообменника.
Известно, что выемки сферической или диффузорной формы на теплообменной поверхности усиливают теплообмен и уменьшают гидравлическое сопротивление при движении теплоносителя.
«Для эффективной работы теплообменников в различных средах необходимо обеспечить интенсификацию теплообмена при равноценном или отстающем росте гидравлического сопротивления. 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», — рассказал один из авторов исследования, профессор кафедры теплотехники и энергетического машиностроения КНИТУ-КАИ Игорь Попов.
Известно, что интенсификация теплообмена очень сильно зависит от режима обтекания выемки. При малых скоростях для относительно неглубоких выемок обтекание происходит ламинарным (упорядоченным, без перемешивания слоев) потоком без отрыва потока («безотрывные» выемки).
Авторы поставили 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.
Исследователи КНИТУ-КАИ рассчитали, какими должны быть выемки по очертаниям и размеру и описали гидродинамические процессы, которые происходят при обтекании теплообменной поверхности основным потоком газообразного теплоносителя. Предложенные ими 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.
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.
Напомним, что 2022–2031 годы в Российской Федерации объявлены Десятилетием науки и технологий. Это было установлено Указом Президента Российской Федерации от 25.04.2022 г. №231.
Основные задачи проведения Десятилетия науки и технологий - это привлечение талантливой молодёжи в сферу исследований и разработок, содействие вовлечению исследователей и разработчиков в решение важнейших задач развития общества и страны и повышение доступности информации о достижениях и перспективах российской науки для граждан Российской Федерации.