Производительные теплообменники со спекшимися пористыми материалами

Пористый материал в теплообменной трубке снижает тепловое сопротивление теплообменника

Несмотря на кажущуюся простоту теплопередачи от одной среды к другой, работа машин очень сильно зависит от теплообменников. Количество переданного тепла между двумя жидкими средами зависит от материала теплообменной поверхности, площади контакта и свойств жидкостей. Чтобы повысить производительность теплопередачи между газообразными средами требуется увеличить площадь поверхности теплообмена.

Существуют технологии, в которых пористые материалы, увеличивают теплопередачу теплообменной трубки. Они представляют собой гранулированные, вспененные и волокнистые структуры. Материалы не прикрепляются к теплообменной трубке, а только заполняют ее. Поэтому при таком подходе менять существующую конструкцию элементов теплообменника не требуется.

В дополнение к этому методу замечено, что спекание теплообменной трубки и пористой среды улучшает их контакт между собой: уменьшается тепловое сопротивление и повышается теплообмен. Но как сильно улучшаются характеристики теплопередачи?

В работе, опубликованной в журнале Applied Thermal Engineering [1], исследователи из Университета электрокоммуникаций и Токийского аграрно-технического университета, Япония, сравнили характеристики теплопередачи обычных теплообменных трубок и тех, которые спекли с волокнистым пористым материалом.

Чтобы оценить производительность теплопередачи, измерили температуру воздуха на выходе из теплообменника. «Внутренний диаметр трубки составляет около 10-20 мм, а ее длина - 150 мм. Сухой воздух при 200 ⁰C проходит через трубку, а внешняя ее часть охлаждается изобутаном при температуре насыщения 2 ⁰C».

У обычной теплообменной трубки (без пористого алюминиевого волокна) температура воздуха на выходе составляла около 130 ⁰C. Когда трубку заполнили и спекли с пористым материалом, температура выходящего воздуха значительно снизилась. Длина наполнителя составила 50 мм, и воздух, покидающий трубку, приблизился к температуре насыщения изобутана (2 ⁰C).

Из разницы температур входящего и выходящего воздуха, исследователи определили теплопередачу трубок, и обнаружили, что образцы со спекшимся наполнителем передают тепло в двадцать раз лучше, чем обычные.

Такая способность материала передавать тепло - это путь к рекуперации энергии от источников, которые при существующих технологиях считаются непрактичными или низкопроизводительными. «Поскольку теплопередача газов очень низкая, тепло на заводах при температуре ниже 200 ⁰C сбрасывается в атмосферу по экономическим причинам. Теплообменные трубки с улучшенным в 20 раз коэффициентом теплопередачи по сравнению с обычными позволяют утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117284

Источник: The University of Electro-Communications