Эффективен ли теплообмен без применения принудительной вентиляции: мнение исследователей

Можно ли повысить эффективность промышленного охлаждения без использования вентиляторов? Ученые из России и Беларуси нашли ответ, изменив всего лишь один конструктивный параметр.Большинство технологических процессов сопровождаются выделением тепла. При его избытке требуется отвод. Принудительное воздушное или жидкостное охлаждение обычно решает эту задачу, но не всегда является технически целесообразным или экономически оправданным. В таких случаях приходится рассматривать варианты пассивного теплообмена.Источник: РНФ

Пассивные системы охлаждения, не использующие вентиляторы, характеризуются низким потреблением энергии и практически бесшумной работой. Тем не менее, они до сих пор значительно уступали системам с принудительным обдувом по эффективности теплоотведения. Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого и Института тепло- и массообмена имени Лыкова Национальной академии наук Беларуси продемонстрировали, что этот недостаток можно существенно уменьшить за счет оптимизации геометрии теплообменника.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.

Не вентилятор, а расстояние между трубами

Авторы работы проанализировали аппараты воздушного охлаждения, использующие естественную конвекцию. С помощью трехмерного численного моделирования они определили, как расстояние между горизонтальными оребренными трубами влияет на поток нагретого воздуха и эффективность теплоотведения.

Выяснилось, что при слишком плотном расположении труб формируется нестационарный тепловой факел. Это приводит к нестабильности процесса охлаждения: интенсивность теплосъема колеблется примерно на 20%, а отдельные трубы могут охлаждаться хуже или лучше, чем соседние, на более чем 20%.

Расчеты помогли определить оптимальное расстояние между трубами. После его достижения дальнейшее увеличение зазора почти не улучшает теплообмен, но приводит к увеличению размеров конструкции. При этом простая корректировка геометрии может повысить теплосъем более чем на 30%, что напрямую сказывается на экономической эффективности оборудования.

Тысячи расчетов на суперкомпьютере и новые задачи для машинного обучения

Корректность созданной модели была подтверждена экспериментальными данными, полученными белорусскими специалистами. Исследователи также установили, что для таких расчетов не следует использовать классическое приближение Буссинеска: воздух необходимо рассматривать как сжимаемый газ, иначе точность моделирования снижается.

Все вычисления проводились на суперкомпьютере «Политехнический». В процессе работы ученые получили несколько тысяч расчетных решений для различных сочетаний параметров.