Можно ли сделать промышленное охлаждение эффективнее без вентиляторов? Российские и белорусские ученые нашли решение, изменив всего один конструктивный параметр.
Пассивные системы охлаждения, работающие без вентиляторов, отличаются низким энергопотреблением и практически бесшумны. Однако до сих пор они заметно уступали установкам с принудительным обдувом по эффективности отвода тепла. Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого и Института тепло- и массообмена имени Лыкова Национальной академии наук Беларуси показали, что этот недостаток можно существенно сократить за счет правильной геометрии теплообменника.
Исследование опубликовано в журнале Applied Thermal Engineering.
Авторы работы изучили аппараты воздушного охлаждения, использующие естественную конвекцию. С помощью трехмерного численного моделирования они выяснили, как расстояние между горизонтальными оребренными трубами влияет на движение нагретого воздуха и интенсивность теплоотдачи.
Оказалось, что при слишком плотном расположении труб над пучком формируется нестационарный тепловой факел. Из-за него процесс охлаждения становится нестабильным: интенсивность теплосъема во времени изменяется примерно на 20%, а отдельные трубы охлаждаются более чем на 20% хуже или лучше соседних.
Расчеты позволили определить оптимальный зазор между трубами. После достижения этого значения дальнейшее увеличение расстояния практически не улучшает теплообмен, зато приводит к росту размеров конструкции. При этом простая корректировка геометрии способна увеличить теплосъем более чем на 30%, что напрямую отражается на экономической эффективности оборудования.
Корректность разработанной модели подтвердили экспериментальные данные, полученные белорусскими специалистами. Исследователи также установили, что для подобных расчетов нельзя применять классическое приближение Буссинеска: воздух необходимо рассматривать как сжимаемый газ, иначе точность моделирования снижается.
Все вычисления выполнялись на суперкомпьютере «Политехнический». В ходе работы ученые получили несколько тысяч расчетных решений для различных сочетаний параметров.
Сейчас коллектив разрабатывает универсальные расчетные зависимости для режимов свободной конвекции с использованием методов машинного обучения. В дальнейшем исследователи намерены повысить эффективность охлаждения еще сильнее за счет управляемой дестабилизации воздушного потока и применения вихрегенераторов, создающих вторичные течения возле теплоотдающих поверхностей.
Результаты проекта уже представлены на российских и международных научных форумах. В частности, исследователи выступили с тремя докладами на XVIII Минском международном форуме по тепломассообмену, а также представили работу на Томском международном энергетическом форуме. Следующим этапом станет участие в International Heat Transfer Conference (IHTC), которая в 2026 году пройдет в Рио-де-Жанейро.
Естественная конвекция используется там, где важно исключить энергопотребление и шум: в системах охлаждения трансформаторов, солнечных электростанциях, электронном оборудовании и пассивных системах безопасности.
По данным Международного энергетического агентства (IEA), повышение эффективности теплообмена считается одним из наиболее доступных способов снизить энергопотребление промышленных предприятий без серьезной модернизации оборудования.
