Специалисты КНИТУ-КАИ им. А. Н. Туполева создали и запатентовали инновационную теплообменную поверхность. Благодаря применению 3D-моделирования им удалось разработать конструкцию с безотрывными выемками, которые обеспечивают ламинарное (плавное) течение теплоносителя с минимальным гидравлическим сопротивлением. Как отмечают в университете, это не только повышает надежность энергетического оборудования, но и позволяет существенно уменьшить габариты самих теплообменников. Производить новые поверхности можно как традиционными методами, так и с помощью 3D-печати.
В чем же заключается ноу-хау казанских ученых? Как пояснили в Минобрнауки РФ, главный секрет скрыт в микрорельефе. Поверхность нового теплообменника покрыта выемками особой формы — сферической или диффузорной. Именно такая геометрия позволяет убить двух зайцев сразу: улучшить передачу тепла и одновременно снизить сопротивление потоку жидкости или газа.
«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 энергией, передаваемой в виде теплоты (разница в три-пять раз), уменьшение гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей является актуальной задачей», — рассказал профессор кафедры теплотехники и энергетического машиностроения КНИТУ-КАИ Игорь Попов.
Эффективность новой разработки напрямую зависит от того, как именно поток омывает выемки. Как объясняют ученые, при небольших скоростях и малой глубине выемок поток остается ламинарным — то есть течет плавно, без завихрений и перемешивания. Чтобы усилить теплообмен, исследователи поставили амбициозную задачу: «собрать» тепло сразу с двух поверхностей — и с внутренней стороны каплевидных углублений, и с гладких промежутков между ними. Расчет строился на том, что если разместить выемки максимально плотно, можно получить сразу двойную выгоду: создать компактный, но мощный теплообменник и эффективную систему охлаждения для энергоустановок.
Ученые КНИТУ-КАИ не просто создали выемки наугад — они математически рассчитали их идеальные форму и размеры. С помощью моделирования они изучили, как газ будет огибать новую поверхность. В итоге родилась конструкция, которую назвали диффузорной безотрывной выемкой. Она имеет каплевидный профиль с переменной кривизной: у нее особая вогнутая донная часть, которая состоит из трех плавно соединенных участков — входного, среднего и выходного. Такая геометрия позволяет газу обтекать поверхность без резких завихрений.
Чтобы новую разработку было легко внедрить в производство, ученые КНИТУ-КАИ предложили упрощенный подход. Они рекомендуют делать все выемки — и основные каплевидные, и дополнительные сферические — в пределах одной матрицы одинаковыми по форме и размеру. Это снижает сложность изготовления. При этом максимальная плотность расположения элементов дает двойной эффект: выемки начинают влиять друг на друга, что дополнительно усиливает теплообмен и одновременно снижает гидравлические потери.
Разработка казанских ученых уже получила официальное признание: Федеральная служба по интеллектуальной собственности выдала команде КНИТУ-КАИ патент RU 2848571 C1 на изобретение «Теплообменная поверхность». Но главное — у технологии есть конкретный экономический потенциал. По оценкам исследователей, внедрение новых поверхностей может дать экономический эффект на уровне 15–20%.
Более подробно про услугу 3д-печати вы можете почитать на нашем сайте https://fokadoka.ru/3d-pechat/.