CC BY
36
ЭНЕРГЕТИКА POWER ENGINEERING
УДК 536.24 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-35-39
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
INVESTIGATION OF ELECTRO CONVECTIVE HEAT TRANSFER IN A MAGNETIC FLUID AND PROSPECTS OF ITS APPLICATION FOR TRANSFORMER COOLING
© 2015 г. А.Ф. Шаталов, Е.С. Борисов, Н.А. Шаталов
Шаталов Андрей Федорович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Теоретические основы электротехники», Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь, Россия. Тел. (865)-2-56-77-60. E-mail: afs777@mail.ru
Борисов Евгений Сергеевич - ассистент, кафедра «Электроснабжение и эксплуатация электрооборудования», аспирант, кафедра «Теоретические основы электротехники», Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь, Россия. Тел. (865)-2-71-72-01. E-mail: evgenij.borisov @mail.ru
Шаталов Николай Андреевич - лаборант, кафедра «Теоретические основы электротехники», Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь, Россия. Тел. (865)-2-71-72-01.
Shatalov Audrey Fedorovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Theory of Electrical Engineering», Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russia. Ph. 865)-2-56-77-60. E-mail: afs777@mail.ru
Borisov Evgeuiy Sergeevich - assistant professor, department «Electricity and Maintenance of Electrical Equipment», postgraduate student, department «Theory of Electrical Engineering», Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russia. Ph. (865)-2-71-72-01. E-mail: evgenij.borisov@mail.ru
Shatalov Nikolay Audreevich - assistant, department «Theory of Electrical Engineering», Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russia. Ph. (865)-2-71-72-01.
Экспериментально исследованы процессы теплообмена в электрическом и магнитом полях в магнитной нанодисперсной системе типа магнетит в керосине. Получены зависимости коэффициента теплоотдачи от напряженности электрического и магнитного полей, показано значительное превосходство интенсивности электроконвекции в магнитной жидкости над термомагнитной конвекцией, обусловленное электромеханическими эффектами. На основе полученных зависимостей показана перспективность использования магнитных нанодисперсных систем в качестве охлаждающей среды в силовых трансформаторах ввиду значительно большей интенсивности электроконвективных явлений в сравнении с чистыми диэлектрическими жидкостями. Проведен расчет толщины приэлектродного слоя повышенной концентрации магнетита, позволяющей не только интенсифицировать, но и подавлять теплообмен посредством электрического поля.
Ключевые слова: магнитная жидкость; электроконвекция; тепловой поток; коэффициент теплоотдачи.
We've experimentally investigated the processes of heat transfer in the electric and magnetic fields in magnetic nano-dispersed system of magnetite in kerosene type. We've got the heat transfer coefficient depending on the electric and magnetic fields, shown a significant superiority of the intensity of the magnetic fluid in electroconvection of thermomagnetic convection due to electromechanical effects. On the basis of the dependences we've shown promising use of nano-dispersed systems as a cooling medium in power transformers because of much greater intensity of electric convection phenomena in comparison with the pure dielectric fluids, allowing to regulate the heat exchange in a wide range. We've calculated the thickness of the sheath of high concentrations of magnetite which can not only intensify, but inhibit heat transfer through the electric field.
Keywords: magnetic fluid electroconvection; heat flow; heat transfer coefficient.
В электроэнергетике широко применяются силовые трансформаторы как наиболее эффективное преобразующее электрическую энергию устройство. В наше время известны тысячи разнообразных конструкций трансформаторов, в том числе сухие и масляные.
Применение масла обусловливается двумя причинами - изоляция и охлаждение, так как при работе трансформатора происходит нагрев обмоток за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения.
Современные силовые масляные трансформаторы, в особенности большой мощности и высокого напряжения, охлаждаются с использованием вынужденной конвекции, создаваемой специальными насосами. Для эффективного охлаждения масло должно быть легким в нагретом состоянии и свободно проникать в каналы, которые делаются между витками обмоток и во внешние радиаторы. Тепло обмоток и железа в первую очередь передается маслу, обладающему значительной теплоемкостью. Оборудование, используемое для интенсификации теплообмена, требует дополнительных энергозатрат, имеет ограниченный ресурс и нуждается в дополнительном обслуживании.
Учитывая наличие современных наноматериалов и электротехнологий, решить вопрос о регулировании процессов переноса тепла в масляных трансформаторах и обеспечить тем самым снижение потерь на нагрев, достигающих огромных величин, по нашему мнению, может применение электрической конвекции в магнитной жидкости в системах охлаждения трансформаторов.
На основании изложенного выше в данной работе ставилась цель обосновать возможность применения электроконвекции и магнитных нанодисперсных систем в системах охлаждения трансформаторов и иных электротехнических устройств, охлаждаемых жидкими диэлектриками, а также изучить основные закономерности электроконвективного теплообмена и, по возможности, дать математическое описание обнаруженных закономерностей.
Силовой трансформатор выбран в качестве основного объекта ввиду того, что хотя бы на одной из его обмоток имеется высокое напряжение (6 кВ и более), которое возможно использовать для создания электрического поля и электроконвективного течения. Иные электротехнические устройства, охлаждаемые трансформаторным маслом, работающие при более низких напряжениях, потребуют введения дополнительных устройств высокого напряжения.
В настоящей работе для проведения опытов использована магнитная нанодисперсная система типа магнетит в керосине со стабилизатором олеиновой кислотой, так называемая магнитная жидкость. Она сочетает не только диэлектрические, но и сильно выраженные магнитные свойства. Такая жидкость широ-
ко распространена как наиболее устойчивая, однако существуют магнитные жидкости на основе воды и трансформаторного масла.
Явление электроконвективного течения диэлектрических жидкостей известно достаточно давно и в настоящее время находит все большее применение в различных отраслях техники, например при интенсификации технологических процессов, теплообмена, а также при очистке жидких диэлектриков от посторонних механических включений [1 - 3].
При проведении экспериментов и их анализе использованы стандартные методики [4]. Температура нагревателя измерялась методом термометра сопротивления, тепловой поток определяли по мощности тока в нагревателе. В опытах для разогрева использовался постоянный электрический ток, что облегчало тепловые измерения. Характер разогревающего тока не должен, по нашему мнению, оказывать существенного влияния на результаты, так как реальные охлаждаемые электротехнические объекты обладают значительной тепловой инерцией.
Эксперименты первой серии проведены на моделях с проволочными медными нагревателями различных диаметров. Электрическое поле создавалось подведением постоянного регулируемого напряжения к нагревателю и различным противоэлектродам. В качестве последних использовались плоские медные пластины, параллельные нагревателю, и цилиндры, коаксиальные нагревателю. Магнитное поле создавалось электромагнитом с профильными наконечниками, между которыми помещался теплообменный сосуд.
Результаты наших опытов, проведенных совместно с А.А. Поповым и В.М. Кожевниковым, показали общую тенденцию роста коэффициента теплоотдачи при увеличении напряженности электрического поля [5, 6]. Эта тенденция сохранялась при цилиндрических противоэлектродах, а также при плоских, располагаемых снизу, сверху и сбоку от проволочного нагревателя.
Однако, как видно из рис. 1, при малой напряженности электрическое поле приводило к уменьшению коэффициента теплоотдачи а. Возрастание коэффициента а начиналось лишь с определенной пороговой напряженности электрического поля Е0 (определяемой концентрацией магнетита) и происходило согласно эмпирической зависимости вида
а=а0+ A{E - E0 )n, (1)
где а0 - коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции; А - константа, определяемая тепловым потоком, Е0 - величина пороговой напряженности, начиная с которой растет коэффициент теплоотдачи, по нашим данным Е0 » 105 В/м; n - показатель степени, зависящий от концентрации магнетита [4]. Величина n линейно меняется от 2 при концентрации с = 0,1 об. % до 1,92 при с = 15 об. %, Для чистого керосина аналогичный показатель степени n составляет 1,5.
а, кВт/(м К) 4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3,0
л
//
Ух
X X
0 20 40 60 80 Е, В/м Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи а в магнитной жидкости от напряженности электрического поля у поверхности проволочного нагревателя. Условия экспериментов: д = 150 кВт/м2, плоский противоэлектрод сверху от нагревателя - кривая о, снизу - кривая х, концентрация магнетита с = 6,3 об. %
Зависимость а(Е) согласно (1) наблюдается до напряженности порядка 107 В/м, это свидетельствует, что магнитная жидкость может считаться в этих условиях идеальным диэлектриком [1 - 3]. С дальнейшим ростом напряженности зависимость от него коэффициента теплоотдачи ослабевает, приближаясь к линейной, а затем к экспоненциальной. По всей вероятности, в этом случае начинает проявляться электрохимическая инжекция зарядов с поверхности электродов, а магнитную жидкость при высокой напряженности электрического поля следует рассматривать как слабопроводящую. Стремление кривых а(П) к «насыщению» свидетельствует также о приближении объемного электрического заряда к максимально возможному значению, прямо зависящему от концентрации магнетита.
Особо следует сказать о пороговой напряженности поля Е0. Как следует из графических зависимостей, при этой напряженности в магнитной жидкости наблюдается максимальное подавление теплообмена, достигающее 15 - 17 % (рис. 1), в экспериментах с керосином такое подавление не превышало 3 - 4 %. При изменении направления вектора напряженности электрического поля и его градиента подавление коэффициента теплоотдачи сохранялось. Авторы работы [1] объясняли уменьшение коэффициента теплоотдачи в чистых диэлектриках электрострикционным эффектом и перегруппировкой потоков жидкости, определяемых суммой скоростей гравитационного и электроконвективного течений, в их опытах наблюдалось уменьшение коэффициента а приблизительно на 2 - 5 %.
Предполагается, что в магнитной жидкости снижение коэффициента теплоотдачи происходит по этим же причинам, а также из-за образования устойчивого приэлектродного слоя магнитной жидкости повышенной концентрации. Передача тепла в этом слое осуществляется теплопроводностью.
Формирование такого слоя подтверждается также исследованиями [5], показавшими экстремальный рост электрической емкости плоских тонких ячеек, заполненных магнитной жидкостью при воздействии электрического поля напряженности, близкой по значению к пороговой величине Е0. Образование приэлектродных структур с объемной концентрацией порядка 30 об. % зафиксировал и В.В. Чеканов с сотрудниками при изучении отражения света от слоя магнитной жидкости, находящейся в электрическом поле.
Общие физические соображения показывают, что устойчивый приэлектродный слой сформируется при условии, когда тепловая энергия частицы магнетита меньше электрической: кТ<ШЭл. Принимая температуру слоя равной температуре нагревателя (в опытах не более 125 °С), учитывая зафиксированную величину пороговой напряженности поля Е0 и 105 В/м, заряд частицы магнетита 2е, легко показать выполнение сформулированного выше условия для слоя МЖ толщиной порядка двух микрометров, что хорошо согласуется с оптическими данными.
Определив коэффициент теплопроводности высококонцентрированной (25 - 30 об. %) магнитной жидкости согласно Берковскому и полагая, что перенос тепла в приэлектродном слое осуществляется теплопроводностью, находим, что температурный перепад в нем должен составлять порядка 10 °С. Расчетная толщина теплового пограничного слоя в аналогичных условиях 80 мкм, температурный перепад в нем 70 °С.
Таким образом, при низкой (около Е0) напряженности электрического поля в МЖ необходимо учитывать не только электрострикционный эффект, взаимодействие электроконвективных и гравитационных потоков, но и формирование концентрационных слоев, являющихся результатом взаимодействия частиц магнетита между собой и теплообменной поверхностью.
Графики рис. 2 иллюстрируют результаты исследования теплообмена в электрическом поле при различных тепловых потоках. а, кВт/(м2К) 3000
2000
1000
7,5
15,0 22,5 30,0
д, кВт/(м2 К)
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи а в магнитной жидкости (с = 0,5 об. %) от величины удельного теплового потока д. Кривые на графике соответствуют: свободная конвекция - о, межэлектродное напряжение 450 В - Ф, межэлектродное напряжение 1000 В - х
0
В отличие от чистого керосина, где прибавка к коэффициенту а возрастает вместе с тепловым потоком, степень интенсификации теплообмена в магнитной жидкости электрическим полем практически не зависит от теплового потока - кривые а(Т) в электрическом поле подобны кривой свободной конвекции. Это указывает, что в магнитной жидкости преобладает электромеханический механизм, роль же электротермического механизма не является определяющей.
На рис. 3 представлены фотографии тепловых электроконвективных потоков слабоконцентрированной магнитной жидкости (с = 0,05 об. %) вокруг проволочного нагревателя, в зависимости от полярности его потенциала. Коэффициент теплоотдачи при разной полярности отличается на 6 - 8 %. ■ ■■
Рис. 3. Фотографии электроконвективных потоков. Верхний снимок - потенциал нагревателя положителен, на нижнем снимке потенциал нагревателя отрицательный.
Противоэлектрод расположен сверху от нагревателя
Изучение теплообмена при совместном воздействии магнитного и электрического полей проведено на модели типа «цилиндрический конденсатор».
Было установлено, что постоянное, однородное магнитное поле уменьшает коэффициент теплоотдачи и приводит к росту пороговой напряженности элек-
а, кВт/(м2К) 3500
3000
2500
2000
о - II 11= =0 А/м 1ЁШ. А/м
о
* • * о о • ф о. 0 • * о о • • о • ф
4 5 Е108, В/м
трического поля, начиная с которой обнаруживается рост коэффициента а (рис. 4). Ориентация силовых линий магнитного поля практически не влияла на результаты. Наблюдаемое мы объясняем взаимодействием трех потоков: электроконвективных, гравитационных и обусловленных термомагнитной конвекцией [7].
Фотографии потоков магнитной жидкости вблизи нагретого игольчатого электрода показали, что при воздействии магнитного поля, кроме изменений концентрации магнетита, возникают дополнительные вихревые потоки (рис. 5), что и влияет на коэффициент теплоотдачи [8].
Подводя итог, можно сделать выводы, что магнитная жидкость имеет огромные перспективы использования в силовых масляных трансформаторах в качестве охлаждающей среды. Данная перспективность обусловливается следующими причинами:
- магнитная жидкость является средой, в которой можно эффективно управлять теплообменом посредством электрического и магнитного полей;
- несмотря на наличие сильных магнитных полей вокруг трансформатора в магнитной жидкости, основной вклад в течение вносит именно электрическая конвекция. Графические зависимости коэффициента теплоотдачи, приведенные на рис. 2, позволяют сравнить величину коэффициента теплоотдачи в условиях свободной конвекции и при воздействии поля на теплоноситель (в условиях электрической конвекции), из них следует, что коэффициент теплоотдачи уже при напряжении 6 кВ выше коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции на 50 - 70 %;
- в магнитной жидкости электроконвективные явления протекают по электромеханическому типу и обеспечивают более интенсивное и стабильное течение в сравнении с чистыми диэлектриками;
- при использовании электроконвекции магнитной жидкости при управлении теплообменом возможно не только усиливать, но и ослаблять его интенсивность путем изменения межэлектродного напряжения [8 - 10].
а, кВт/(м2К) 3500
3000
2500
2000
о-Е= •- Ü ■■0 В/м 4 6 1 08 I /м
' • * i ) о о с ф о оо ф о ® ® в
0,5
1,0
1,5 2,0 Н104, А/м
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи в магнитной жидкости концентрацией с = 6 об. % от напряженности электрического (у поверхности нагревателя) и магнитного полей
0
1
2
3
0
Рис. 5. Фотографии гидродинамических потоков в тонком слое магнитной жидкости. Межэлектродное напряжение 150 В, диаметр игольчатого электрода, расположенного сверху, 0,05 мм. Левый снимок - без магнитного поля, правый снимок при воздействии внешнего магнитного поля напряженностью 8000 А/м
Литература
1. Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. Кишинев: Штиинца, 1977. 320 с.
2. Остроумов Г.А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей. М.: Физматгиз, 1972. 292 с.
3 Стишков Ю.К., Остапенко А.А. Электрогидродинамические течения в жидких диэлектриках. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 172 с.
4. Несис Е.И., Шаталов А.Ф., Кармацкий Н.П. Зависимость коэффициента теплоотдачи от амплитуды и частоты вибрации вертикального тонкого нагревателя // Инженерно-физический журн. 1994. Т. 67, № 1-3. С. 20.
5. Войтко Е.А., Шаталов А.Ф. Теплообмен плоской поверхности при возникновении электроконвекции в различных системах электродов // Вестн. Воронежского гос. техн. ун-та. 2008. Т. 4, № 2. С. 140 - 143.
6. Кожевников В.М., Шаталов А.Ф., Попов А.А. Интенсивность теплопередачи и направление потоков при электроконвекции в магнитных жидкостях // 9-я Междунар. Плесская конф. по магнитным жидкостям / Сб. науч. тр.: Плесс, Россия, 2000, т. 2, С. 270 - 273.
7. Попов А.А., Шаталов А.Ф., Кожевников В.М. Влияние магнитного поля на электроконвективный теплообмен в магнитной жидкости // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. тр. Ставрополь, 2001. С. 317 - 319.
8. Шаталов А.Ф., Кожевников В.М., Попов А.А. Электроконвективные потоки диэлектрических жидкостей, охлаждающих тонкий нагреватель // Сб. науч. тр. Ставрополь, СевКавГТУ, 1999. Вып. 3. С. 66 - 70.
9. Шаталов А.Ф., Борисов Е.С. Теплообменные процессы в магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве // 78-я науч.-практ. конф. СтГАУ; Сб. науч. тр. Ставрополь, 2014. С. 241 - 242.
10. Шаталов А.Ф., Боровлев И.И., Шаталов Н.А., Воротников И.Н. Модель влияния электрического поля низкой напряженности на теплообмен в магнитной жидкости // Сб. науч. статей по материалам IV Междунар. науч.-практ. конф. «Моделирование производственных процессов и развитие информационных систем. Ставрополь/ СтГАУ, 28 - 29 сентября 2012 г. Ставрополь, 2012. С. 245 - 248.
References
1. Bologa M.K., Grosu F.P., Kozhukhar' I.A. Elektrokonvektsiya i teploobmen [Electroconvection and heat exchange]. Chisinau, Shtiintsa Publ., 1977, 320 p.
2. Ostroumov G.A. Vzaimodeistvie elektricheskikh i gidrodinamicheskikh polei [Interaction of electric and hydrodynamic fields]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1972, 292 p.
3 Stishkov Yu.K., Ostapenko A.A. Elektrogidrodinamicheskie techeniya v zhidkikh dielektrikakh [Electrohydrodynamic currents in liquid dielectrics]. Leningrad, Izd-vo LGU, 1989, 172 p.
4. Nesis E.I., Shatalov A.F., Karmatskii N.P. Zavisimost' koeffitsienta teplootdachi ot amplitudy i chastoty vibratsii vertikal'nogo tonkogo nagrevatelya [Dependence of coefficient of a thermolysis on amplitude and frequency of vibration of the vertical thin heater]. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal, 1994, vol. 67, no. 1-3, p. 20. [In Russ.]
5. Voitko E.A., Shatalov A.F. Teploobmen ploskoi poverkhnosti pri vozniknovenii elektrokonvektsii v razlichnykh sistemakh el-ektrodov[Heat exchange of a flat surface at emergence of electroconvection in various systems of electrodes]. Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2008, vol. 4, no. 2, pp. 140-143. [In Russ.]
6. Kozhevnikov V.M., Shatalov A.F., Popov A.A. [Intensity of a heat transfer and the direction of streams at electroconvection in magnetic liquids]. 9 Mezhdunarodnaya Plesskaya konferentsiya po magnitnym zhidkostyam [9 International Plessky conference on magnetic liquids]. Russia, Pless, 2000, vol. 2, pp. 270-273. [In Russ.]
7. Popov A.A., Shatalov A.F., Kozhevnikov V.M. [Influence of a magnetic field on electroconvective heat exchange in magnetic liquid]. Sbornik nauchnykh trudov «Fiziko-tekhnicheskie problemy sozdaniya novykh tekhnologii v agropromyshlennom kom-plekse» [Collection of scientific works «Physics and Technology Problems of Creation of New Technologies in Agro-industrial Complex»]. Stavropol, 2001, pp. 317-319. [In Russ.]
8. Shatalov A.F., Kozhevnikov V.M., Popov A.A. [Electroconvective streams of the dielectric liquids cooling the thin heater]. Sbornik nauchnykh trudov SevKavGTU, Stavropol, 1999, vol. 3, pp. 66-70. [In Russ.]
9. Shatalov A.F., Borisov E.S. [Heatexchange processes in magnetic liquid in electric and magnetic fields ]. Sbornik nauchnykh trudov «Metody i tekhnicheskie sredstva povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya elektrooborudovaniya v promyshlennosti i sel'skom khozyaistve» [Collection of scientific works «Metody i tekhnicheskie sredstva povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya elektrooborudovaniya v promyshlennosti i sel'skom khozyaistve»]. Stavropol, 2014, pp.241-242. [In Russ.]
10. Shatalov A.F., Borovlev I.I., Shatalov N.A., Vorotnikov I.N. [Model of influence of electric field of low intensity on heat exchange in magnetic liquid ]. Sbornik nauchnykh trudov «Modelirovanie proizvodstvennykh protsessov i razvitie informatsionnykh sistem» [Collection of scientific works « Modeling of productions and development of information systems»]. Stavropol, 2012, pp. 245-248. [In Russ.]
Поступила в редакцию
17 июля 2015 г.
