Ученые Политеха рассчитали, как повысить эффективность теплообменников, работающих в условиях свободной конвекции

Аппараты воздушного охлаждения окружают нас повсюду – от крупных промышленных установок и электростанций до бытовой техники. Их задача в том, чтобы отвести избыточное тепло от нагретой среды и передать его окружающему воздуху. При этом чаще всего охлаждаемая среда проходит через трубы с внешнем оребрением: множество тонких пластин многократно увеличивают площадь поверхности, с которой снимается тепло, подобно ребрам на радиаторе автомобиля или мотоцикла.

Обычно трубы обдуваются воздухом принудительно с помощью вентиляторов. Это самый производительный, но и самый неэкономичный режим: он требует электроэнергии, создает шум и нуждается в постоянном контроле, чтобы избежать аварийных ситуаций. В режиме пассивного охлаждения принудительная тяга вентиляторов не требуется, естественная конвекция происходит за счет того, что нагретый воздух легче холодного и поднимается вверх. Такой режим бесшумен, экологичен и почти не потребляет энергии, но вместе с тем имеет меньшую интенсивность теплоотдачи.

На эффективность пассивного охлаждения напрямую влияет геометрия поверхности: насколько плотно расположены трубы в пучке, какой шаг оребрения, как пучок ориентирован относительно направления силы тяжести. Для поиска оптимальной формы охлаждающей поверхности ученые СПбПУ и Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси (ИТМО НАН Беларуси) провели совместное расчетно-экспериментальное исследование свободной конвекции и теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения. Для трехмерной вычислительной модели однорядного пучка из шести оребренных труб решались полные уравнения движения и теплопереноса для воздуха, что позволило «заглянуть» внутрь пучка так, как это крайне сложно сделать в реальном эксперименте.

Было выявлено, что над пучком с плотной компоновкой формируется нестационарный тепловой факел: развиваются крупномасштабные колебания воздушного потока, из-за которых теплосъем меняется со временем в пределах 20% от среднего. Ученые рассчитали необходимое и достаточное расстояние между трубами системы охлаждения, при котором тепловой факел формируется локально над каждой трубкой и дальнейшее увеличение расстояния не влияет на общую эффективность охлаждения. Кроме того, были оценены краевые эффекты. Оказалось, что при тесной компоновке пучка разница в теплосъеме от различных труб может превышать 20%.

«В промышленности теплообменные аппараты нередко вынужденно переходят в свободноконвективный режим – например, при поломке основного нагнетательного оборудования, – и здесь важно заранее знать, как получить от пассивного охлаждения максимальную эффективность,

– поясняет руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, доцент Высшей школы прикладной математики и вычислительной физики (ВШПМиВФ) СПбПУ Марина Александровна ЗАСИМОВА.

По сути мы создаем цифровой двойник теплообменного аппарата: численное моделирование позволяет увидеть детали течения и теплообмена, которые почти невозможно измерить напрямую. Наши исследования показывают, что при определенных условиях несложными преобразованиями геометрии можно повысить теплосъем более чем на 30% – а значит, примерно на столько же вырастает и экономическая эффективность аппарата».

Еще один важный методический результат работы – обоснование того, что для таких задач нельзя ограничиваться классическим приближением Буссинеска, широко применяемым при моделировании свободной конвекции. При больших перепадах температуры между поверхностью труб и окружающим воздухом это приближение дает значительную погрешность, поэтому воздух здесь корректно рассматривать как сжимаемый газ с переменными физическими свойствами. Достоверность модели подтверждена сопоставлением с экспериментальными данными белорусских коллег.

Опубликованная статья лишь один из результатов масштабного международного проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда № 24-49-10003 в рамках совместного конкурса РНФ и Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (БРФФИ). Проект посвящен созданию научных основ проектирования энергоэффективных теплообменных аппаратов воздушного охлаждения, работающих при доминирующих эффектах свободной конвекции, и объединяет две сильные исследовательские группы.

Расчетную часть ведет Научно-исследовательская лаборатория гидроаэродинамики Физико-механического института СПбПУ: научный руководитель лаборатории – профессор ВШПМиВФ, доктор физико-математических наук Евгений Михайлович СМИРНОВ, известный специалист в области механики жидкости, газа и плазмы. За применение методов машинного обучения отвечает доцент ВШПМиВФ, кандидат физико-математических наук Алексей Геннадьевич АБРАМОВ.

Экспериментальную часть выполняет группа молодых исследователей из Минска под руководством кандидата технических наук Галины Сергеевны МАРШАЛОВОЙ, заведующей кафедрой энергосбережения, гидравлики и теплотехники Белорусского государственного технологического университета, научного сотрудника Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси. Именно такое тесное партнерство расчетчиков и экспериментаторов, по словам исследователей, стало ключом к успеху: это редкая возможность получить надежные, детально задокументированные опытные данные для валидации численных моделей.

Многовариантные расчеты, позволившие получить несколько тысяч решений для различных наборов определяющих параметров, выполнены с использованием ресурсов Суперкомпьютерного центра «Политехнический». Накопленные данные легли в основу отдельного направления проекта: с помощью методов машинного обучения коллектив ищет универсальные зависимости, связывающие интенсивность теплоотдачи с режимными и геометрическими параметрами аппарата. Для свободноконвективных режимов таких универсальных формул до сих пор не существует, и их поиск – одна из фундаментальных задач проекта.

Результаты работы регулярно проходят апробацию на всероссийских и международных конференциях. Так, недавно исполнители проекта представили три доклада на 18-м Минском международном форуме по тепломассообмену – одном из крупнейших профильных научных событий. Также руководитель проекта Марина Александровна ЗАСИМОВА выступила с докладом на Томском международном энергетическом форуме и планирует представить результаты на масштабной конференции по тепломассообмену IHTC (International Heat Transfer Conference), которая проводится раз в четыре года и в этом году состоится в августе в Рио-де-Жанейро (Бразилия).

Впереди у коллектива – новый этап: поиск нестандартных способов интенсификации теплообмена в пассивных аппаратах, в том числе за счет целенаправленной дестабилизации течения и добавления вихрегенераторов, создающих вторичные потоки у теплоотдающих поверхностей.

Подготовлено по материалам сайта СПбПУ

Материал в «Российской газете»
Материал на сайте Российского научного фонда