Экспериментальное исследование теплообмена поверхности с ребром, при электроконвекции проведены в теплоизолированной кювете для исключения возможности передачи тепла через боковые стенки, полагали, что тепловой поток поступал наружу через поверхность с ребром, выполненным из алюминиевого сплава [1].
Температурные измерения проведены по стандартной методике [2].
Результаты моделирования электрического поля в теплоносителе (для статического режима) программой FEMM представлены на рисунке 1.
Проведена оценка эффективности ребра, т.е. относительного количества теплоты, отводимого с его поверхности по формуле [3]:
Для ребра длиной 12 мм для различных тепловых потоков зависимость коэффициента теплоотдачи (получено совместно с Войтко Е.А.) от межэлектродного напряжения приведена на рисунке 2. С ростом межэлектродного напряжения возрастает интенсивность электроконвективных потоков, что и приводит к интенсификации теплообмена в системе, величина удельного теплового потока при этом не влияет на функциональную зависимость α(U).
Рисунок 2. Зависимость относительного коэффициента теплоотдачи от напряжения при различных тепловых потоках: ◊ – q = 3,8 кВт/м2, □ – q = 6,9 кВт/м2 , Δ – q = 10,1 кВт/м2 [4]
С увеличением межэлектродного напряжения U, приложенного между плоским электродом и оребренной поверхностью в диапазоне от 0 до 15 кВ наблюдается уменьшение коэффициента использования ребра (эффективности) , резко выраженное в диапазоне 2,5-6 кВ [4].
Дальнейшие опыты при фиксированных тепловом потоке и напряжении показали фальную зависимость эффективности ребра от его длины. График этой зависимости представлен на рисунке 3.
Рисунок 3. Зависимость эффективности от длины ребра.
◊ – U = 0 кВ, □ – U = 5,5 кВ, Δ – U = 9,5 кВ, × – U = 15 кВ [3,4]
Подача высокого потенциала на электродную систему во всех случаях приводила к увеличению коэффициента теплоотдачи ввиду появления электроконвективных потоков вихревого характера.
Уменьшение эффективности ребра при теплообмене в электрическом поле обуславливает возможность уменьшения его высоты, и соответственно габаритов всей системы с сохранением интенсивности теплообмена на прежнем уровне. Что касается зависимости эффективности от высоты самого ребра, то здесь определенную роль играет возрастание его теплового сопротивления, но и, по нашему мнению, характер формирования электроконвективных потоков, у его поверхности, в целом интенсифицирующих передачу тепла ребру. Как известно область локализации ЭГД потоков – это области с высоким градиентом напряженности поля. В нашем случае это вершина ребра. Так как потоки имеют вихревой характер, и их размер напрямую зависит от расстояния между электродами, то становится понятно, что с увеличением высоты ребра сам межэлектродный промежуток уменьшается, вызывая уменьшение поперечного размера вихря, соответственно области подверженной течению. Ввиду этого обстоятельства снижается эффективность использования.
Физические механизмы наблюдаемых нами закономерностей представляются следующими: удлинение ребра ведет к увеличению площади поверхности контактирующей с маслом и увеличению коэффициента теплоотдачи, но при этом рост коэффициента теплоотдачи не будет линейной функцией длины ребра, т.к. его материал имеет конечную теплопроводность, а это приводит к возрастанию общего теплового сопротивления и плотности теплового потока через сечение ребра у его основания. В результате этого, начиная с определенной длины ребра, коэффициент не растет вовсе, а эффективность использования ребра падает [6,7].
С практической точки зрения, описанные эффекты представляют интерес, т.к. позволяют рассчитать уменьшение длины ребра при воздействии на жидкий диэлектрик электрического поля, с сохранением эффективности на прежнем уровне.
Использованные источники:
- Шаталов А.Ф. Теплообмен оребренной поверхности при электроконвекции. В сб. Методы и технические средства повышения использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. 74 научно-практическая конференция электроэнергетического факультета СтГАУ. 2010. С. 389-390.
- Nesis S.E., Shatalov A.F. A new type of self-excited termomechanical occillation // Journal of Enjeneering Phisics and Thermofisics/ 1991/ T.60. № 5. С.623-625.
- Луканин В.Н., Шатров М.Г. Камфер Г.М. Теплотехника: Учеб. для вузов, — 3-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002. – 671 с.: ил.
- Шаталов А.Ф., Хащенко А.А., Воротников И.Н. Влияние геометрии электродов на теплообмен при электроконвекции// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013 г. № 1(170). С. 28-32.
- Войтко Е.А., Шаталов А.Ф.,. Теплообмен плоской поверхности при возникновении электроконвекии в различных системах электродов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т.4. № 2. С.140-143.
- Шаталов А.Ф. Теплообмен и электроконвекция в магнитной жидкости // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2004 год, № 4. С. 28-30.
- Шаталов А.Ф., Попов А.А., Кожевников В.М. Электроконвективные потоки диэлектрических жидкостей, охлаждающих тонкий нагреватель. Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 1999. № 3. С. 66.[schema type=»book» name=»ТЕПЛООБМЕН ОРЕБРЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ» description=»Экспериментально исследован теплообмен поверхности с ребром, при электроконвекции. Получены зависимости относительного коэффициента теплоотдачи и эффективности использования от напряжения при различных тепловых потоках и длинах ребра. Обнаружено уменьшение эффективности использования ребра при воздействии электрического поля, что обуславливает возможность уменьшения его высоты с сохранением интенсивности теплообмена.» author=»Шаталов Андрей Федорович, Борисов Евгений Сергеевич, Шаталов Николай Андреевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]