Высокопористый ячеистый теплообменник с микропорами

Настоящая полезная модель относится к эффективному теплообменнику, обеспечивающему высокую интенсивность тепловых процессов, и может использоваться в энергетике, в частности в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения, кондиционирования и холодильной технике.
Известен пластинчатый теплообменник, который может использоваться в энергетике, в частности в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения, кондиционирования и холодильной технике, представляющий собой пластинчатый теплообменник, содержащий пластины с отверстиями и межпластинчатые каналы для прохода теплоносителей, базовую и нажимную плиты, стягивающие винты и штуцеры для подвода и отвода рабочих сред, в каналах, образованных гладкими пластинами, размещаются пористые вставки с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса и малыми значениями эквивалентных диаметров внутренних каналов, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена рабочих сред [Патент RU 2478891, F28D 9/00, от 10.04.2013].
Известен малоинерционный теплообменный элемент на основе углеродных нанотрубок, касающийся эффективных теплообменных элементов, обеспечивающих высокую скорость тепловых процессов и способный работать в критических условиях при широком диапазоне температур и большом перепаде давлений рабочих сред [Патент RU 157243, F28F 21/00, В82В 3/00, от 27.11.2015]. Полезная модель содержит по меньшей мере один канал теплоносителя, организованный газонепроницаемой стенкой и плотно заполненный углеродными нанотрубками. В одном из частных случаев газонепроницаемая стенка выполнена прозрачной для электромагнитного излучения инфракрасного и видимого диапазона. В другом частном случае технические задачи решены в виде рекуперативного элемента на основе углеродных нанотрубок, в котором имеются по меньшей мере два канала теплоносителя («трубка в трубке» и т.п.). Каналы плотно заполнены углеродными нанотрубками и разделены друг от друга тонкостенными газонепроницаемыми теплопроводящими перегородками. Так же рассмотрен случай рекуперативного элемента, где технические задачи решаются за счет того, что углеродные нанотрубки расположены не хаотично, а ориентированы в направлении основных потоков тепла (от одной среды к другой), что существенно увеличивает интенсивность теплообменных процессов в этом направлении вследствие анизотропных свойств углеродных нанотрубок.
Недостатками перечисленных аналогов являются сложность конструкции теплообменника и теплообменного элемента.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является теплообменник, включающий в себя множество расположенных в стопку слоев пластин, причем каждая пластина имеет повторяющийся рисунок сгибов, множество расположенных в стопку слоев пластин образует множество повторяющихся смещенных ячеистых структур, первый канал хладагента и второй канал хладагента, присоединенные к периферийным пластинам во множестве расположенных в стопку слоев пластин [Патент RU 146883, F28D 1/03, F28F 3/02, от 20.10.2014]. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся смещенные ячеистые структуры.
Недостатком данной полезной модели является то, что такая структура теплообменника не способствует перемешиванию потока и, следовательно, интенсификации теплообменных процессов.
Задачей полезной модели является разработка высокопористого ячеистого теплообменника с микропорами, в котором устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является снижение гидросопротивления и интенсификация теплообмена.
Технический результат достигается тем, что теплообменник включает в себя множество расположенных в стопку слоев высокопористого ячеистого материала с диаметром ячеек 4 мм и с микропорами диаметром 0,9 мм, первый канал теплоносителя и второй канал теплоносителя, присоединенные к периферийным слоям высокопористого ячеистого материала. Теплообменник дополнительно включает в себя вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся слои высокопористого ячеистого материала.
При этом поток воздуха через повторяющиеся слои высокопористого ячеистого материала является изотропно турбулентным.
я
мик
Для теплообменника была создана модель высокопористого ячеистого материала с пористостью ε=0,81 и диаметром ячеек d=4 мм, в перегородки которого добавлены микропоры диаметром d=0,9 мм. Теплообменник также включает в себя первый канал теплоносителя и второй канал теплоносителя, присоединенные к периферийным слоям высокопористого ячеистого материала, и дополнительно вентилятор, направляющий воздух через повторяющиеся слои высокопористого ячеистого материала.
Численные параметрические расчеты показали, что данные диаметры ячеек и микропор являются наиболее оптимальными.
Параметры созданной модели пористой структуры представлены в таблице 1.
Значение пористости высокопористого ячеистого материала определялось по формуле [Heidig Т., Zeiser Т., Freund Н. Influence of resolution of rastehzed geometries on porosity and specific surface area exemplified for model geometries of porous media //Transport in Porous Media. - 2017. - T. 120. - №. 1. - C. 207-225.]:
1
tot
где V - объем пустотности кубика единичного размера, V - общий объем кубика, h - размер взаимопроникновения ячеек, R - радиус сферы.
Теплообменник сделан многослойным, то есть высокопористый ячеистый материал в нем разделен на слои, слои повернуты друг относительно друга. Это усложняет передвижение воздуха внутри и тем самым интенсифицирует процесс теплообмена.
На фиг. 1 показан образец модели структуры с микропорами. При добавлении микропор в перегородки высокопористого ячеистого материала наблюдается уменьшение перепада давления.
На фиг. 2 представлен образец температурного поля в продольном сечении модели с микропорами, по которому можем визуально отследить, как происходит нагрев воздуха, проходящего через пористые структуры.
Структура с микропорами демонстрирует наибольшее значение температуры воздуха на выходе. Это связано с расширением площади поверхности благодаря дополнительным каналам, образованным микропорами. Следует отметить, что с увеличением пористости при условии сохранения диаметра ячейки площадь поверхности уменьшается. Таким образом, наибольший прирост по температуре обеспечивается при изначально малой пористости.
Высокопористый ячеистый материал, содержащий микропоры, обеспечивает максимальный тепловой поток, что объясняется большой площадью поверхности.
Наибольшей плотностью теплового потока обладает структура без микропор, а наименьшая плотность соответствует структуре с микропорами. Это объясняется большим «скачком» площади поверхности при небольшой разнице в тепловом потоке, то есть увеличение площади поверхности намного больше увеличения теплового потока.
Достоинством предлагаемой полезной модели является высокопористый ячеистый материал с микропорами, способствующий легкому прохождению газа, перемешиванию потока внутри пор и, следовательно, интенсификации теплообменных процессов, повышению энергоэффективности.
Таким образом, можно сделать вывод, что добавление микропор в перегородки пористого материала с низкой пористостью увеличивает общую пористость структуры; наблюдается увеличение температуры воздуха на выходе, возрастание теплового потока и снижение гидросопротивления. Также заметно уменьшается перепад давления, увеличивается площадь поверхности и, как результат, интенсифицируется теплообмен. Чем ниже пористость исходной структуры, тем большего эффекта можно добиться.
Благодаря большой площади поверхности по отношению к занимаемому объему высокопористый ячеистый теплообменник с микропорами эффективнее, чем гладкие теплообменники и высокопористые ячеистые теплообменники.