Сотрудники Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН разработали модель расчета тепломассопереноса испаряющихся капель — она позволяет существенно повысить точность расчёта изменения температуры и размеров мелких (около десятков и единиц микрон) капель в воздушном потоке по сравнению с классической моделью. Статья об этом опубликована в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer.
«Работа посвящена классической задаче испарения капель в свободном потоке. Процессы испарения капель наблюдаются в различном оборудовании, например, в двигателях и в системах охлаждения, поэтому эта тема нас интересовала достаточно давно», — объясняет заведующий лабораторией проблем энергосбережения ИТ СО РАН доктор технических наук Михаил Иванович Низовцев.
Обычно для расчета испарения капель используется классическая диффузионная модель, но ученые ИТ СО РАН разработали эмиссионно-диффузионную. «Оказалось, такой подход дает более точные характеристики как по охлаждению капли в процессе испарения, так и по времени ее испарения», — рассказывает Михаил Низовцев.
Экспериментальные исследования подтверждают расчеты физиков: в практических опытах используют технику инфракрасных измерений — с помощью ИК-камер ученые определяют температуру поверхности капли. Это важно, потому что скорость испарения определяется разностью температур между ее поверхностью и окружающей средой. Кроме того, исследователи фиксируют с помощью быстродействующих камер изменения формы и размеров капель в процессе испарения.
Разработанная учеными модель играет важную роль при расчетах процессов конденсации и испарения, происходящих в различных технологических процессах и аппаратах — в частности, в новых регенеративных теплообменниках для вентиляции помещений, которые разрабатываются и исследуются в ИТ СО РАН. Задача регенеративных аппаратов вентиляции в том, чтобы максимально сократить затраты энергии на нагрев или охлаждение воздуха, поступающего в помещение с улицы. В отличие от традиционных систем приточно-вытяжной вентиляции, регенеративные теплообменники зимой возвращают уходящее с воздухом тепло обратно в помещение, а летом препятствуют нагреву внутреннего воздуха, сохраняя прохладу в помещении. Это экономит до 50 % энергии, которая тратится на отопление и кондиционирование жилых и производственных зданий.
Характерная для старых построек естественная вентиляция предполагала инфильтрацию наружного воздуха через неплотности окон и стен, однако «ограждающие конструкции современных зданий становятся все более утепленными и менее воздухопроницаемыми, и теперь вопросы энергосберегающей приточно-вытяжной вентиляции становятся особенно актуальными, как с точки зрения энергосбережения, так и обеспечения комфортности внутренних помещений», — говорит Михаил Иванович.
Регенеративные и рекуперативные вентиляционные устройства получают все более широкое распространение в Европе, однако применение их в сибирском климате осложняется более низкой зимней температурой. Поэтому ученые лаборатории проблем энергосбережения ИТ СО РАН совершенствуют такие аппараты и разрабатывают новые конструкции, подходящие для сурового сибирского климата. Для прогнозирования влагопереноса в регенеративных вентиляционных аппаратах служит разработанная исследователями эмиссионно-диффузионная модель испарения капель. Когда теплый и влажный воздух движется по каналам теплообменника происходит конденсация влаги, как на стенках каналов, так и непосредственно в воздушном потоке. Предложенная физиками модель позволяет рассчитать количество конденсируемой и впоследствии испаряемой влаги.
Проект по изучению теплофизических процессов при испарении капель поддерживает Российский фонд фундаментальных исследований, в дальнейшем ученые планируют применить разработанную модель к испарению капель на поверхностях различных материалов.
«Наука в Сибири»
Фото предоставлены Михаилом Низовцевым
