Российско-белорусский исследовательский коллектив выяснил, как выжать максимум из теплообменников без единого вентилятора. Секрет - в геометрии пучков оребрённых труб и в том, что «правильное» расстояние между ними меняет всё.
Зачем вообще нужно пассивное охлаждение
Аппараты воздушного охлаждения работают повсюду: на электростанциях, нефтехимических заводах, в промышленных компрессорных установках. Обычно трубы обдуваются принудительно - с помощью мощных вентиляторов. Это надёжно, но затратно: шум, постоянный расход электроэнергии и риск аварии при поломке оборудования. Когда вентиляторы отказывают, система автоматически переходит в пассивный режим - охлаждение идёт только за счёт естественного подъёма нагретого воздуха. И вот здесь начинаются сюрпризы.
Именно поведение таких систем в пассивном режиме изучили учёные Санкт-Петербургского политехнического университета совместно с коллегами из Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси. Работа поддержана грантом Российского научного фонда и опубликована в журнале Applied Thermal Engineering.
Что показала модель
Исследователи построили трёхмерную вычислительную модель однорядного пучка из шести оребрённых труб и решили полные уравнения движения и теплопереноса для воздуха. Такой подход позволяет увидеть внутреннюю картину потока - то, что практически невозможно зафиксировать прямым измерением в реальной установке.
Обнаруженное поведение оказалось неожиданным. При плотной компоновке пучка над трубами возникает нестационарный тепловой факел: воздушный поток начинает колебаться, и теплосъём скачет в пределах 20% от среднего значения. При этом крайние и центральные трубы работают совершенно по-разному - разница в интенсивности теплоотдачи между ними тоже превышает 20%.
Ключевой практический результат - нахождение оптимального расстояния между трубами. Исследователи определили точку, при которой тепловой факел формируется локально над каждой отдельной трубой. Дальнейшее увеличение зазора уже не даёт прироста. Зато правильно подобранная геометрия способна поднять теплосъём более чем на 30%.
Методический прорыв: классика здесь не работает
Важный побочный результат работы - разоблачение популярного упрощения. В моделировании свободной конвекции традиционно используется так называемое приближение Буссинеска: воздух считается несжимаемым, а его свойства - постоянными. При малых перепадах температуры это допущение работает. Но в реальных теплообменниках разница температур между поверхностью труб и окружающим воздухом бывает весьма значительной - и тогда ошибка становится существенной. Воздух необходимо рассматривать как сжимаемый газ с переменными физическими свойствами. Это принципиально меняет картину расчёта.
Достоверность численной модели подтверждена экспериментальными данными белорусских коллег из Минска - сопоставление расчётов и опытных измерений показало хорошее совпадение.
Цифровой двойник вместо дорогостоящих прототипов
По словам руководителя проекта, доцента СПбПУ Марины Засимовой, суть подхода - в создании цифрового двойника теплообменного аппарата: «Численное моделирование позволяет увидеть детали течения и теплообмена, которые почти невозможно измерить напрямую». Тысячи вариантных расчётов выполнены на мощностях Суперкомпьютерного центра «Политехнический», а накопленные данные теперь используются для обучения нейросетей - чтобы в итоге получить универсальные формулы для проектирования. Таких формул для свободноконвективных режимов до сих пор не существует.
- Оптимальный зазор между трубами увеличивает теплосъём более чем на 30%
- При плотной компоновке колебания теплоотдачи достигают 20% от среднего
- Разброс между крайними и центральными трубами - свыше 20%
- Классическое приближение Буссинеска даёт значительную погрешность при больших перепадах температур
- Проект объединяет расчётчиков СПбПУ и экспериментаторов из Минска
Впереди - поиск нестандартных способов интенсификации теплообмена: добавление вихрегенераторов и намеренная дестабилизация потока у теплоотдающих поверхностей. Результаты уже представлены на нескольких международных форумах и скоро прозвучат на конференции IHTC в Рио-де-Жанейро.
