CC BY
17
УДК: 532.5:537+536.24:537
РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ ЭЛЕКТРОКОНВЕКЦИИ В УГЛЕВОДОРОДНЫХ СРЕДАХ
К.В. АЛТУНИН
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, г. Казань
Статья посвящена проблеме интенсификации теплообмена под действием электрических полей. Рассмотрен вид конвекции - электрическая конвекция. Предложены новые критерии подобия электроконвекции.
Ключевые слова: электрическая конвекция, диэлектрик, электрическое поле, электрический ветер, критерий подобия, углеводородное горючее (охладитель).
Электрической конвекцией принято называть макроскопическое движение жидкостей и газов под воздействием внешнего электрического поля [1]. Она является аналогом свободной конвекции в гравитационном поле. Если первопричиной свободной конвекции является пространственная неоднородность жидкой или газообразной среды по плотности, то источник электроконвекции - неоднородность среды по электрическим параметрам (диэлектрической проницаемости, электропроводности, плотности объёмных зарядов) [2].
Электроконвекция используется с целью интенсификации процесса теплообмена [1-4]. Классическим примером электроконвекции может служить электрический ветер в воздухе, возникающий в окрестностях заряженных до достаточно высокого потенциала острий, тонких проволок и т.п. Электрический ветер специфичен не только для коронного разряда, он наблюдается и в газах [2, 3, 5, 6], и в различных жидкостях [2, 3,
7].
При электротермической конвекции в идеальных жидких диэлектриках определяющие числа подобия характеризуют, во-первых, возможность конвекции лишь в неоднородном поле. При этом неоднородность обуславливается как геометрией электродов, так и неизотермичностью среды. Во-вторых, электроконвекции сопутствуют возмущения температурного и электрического полей; определяющие числа подобия отражают роль наиболее существенных факторов в движении жидкости [2]. Известны критерии подобия электроконвекции, которые применяются для обобщения экспериментальных данных в неоднородном и однородном электрических полях, характеризующие роль пондеромоторной силы, включающие значения дипольного момента молекул, электрической восприимчивости, молекулярного веса и т.п. [2, 8-11].
Однако при эксплуатации различных сред и при реальном использовании электроконвекции в энергоустановках (ЭУ), техносистемах, технических устройствах может оказаться весьма затруднительным точное определение текущих значений электрической восприимчивости, дипольных моментов молекул, находящихся в хаотическом движении, а также некоторых других параметров. С целью более простого и быстрого получения сведений о процессах теплообмена и значениях коэффициента
© К.В. Алтунин Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
168
теплоотдачи в условиях электроконвекции автором данной статьи разработаны безразмерные критерии подобия.
Необходимо отметить, что предпосылкой создания критериев подобия электроконвекции являлась научно-исследовательская работа по проблеме осадкообразования на нагретых стенках теплообменных каналов ЭУ на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) [12, 13]. Процесс осадкообразования - опасное явление, которое может привести к резкому снижению надёжности, долговечности, ресурса и безопасности различных ЭУ. К примеру, частичное закоксовывание форсунок приводит к частичной потере тяги, к нерасчётному струйному распылу горючего, к прогару жаровой трубы, к возникновению пожара и взрыва ЭУ, летательного аппарата, космического летательного аппарата или техносистемы. То же самое происходит в топливоподводящих и охлаждающих каналах. Осадкообразование зависит от многих факторов, включая температуру стенки канала и среды, давление, шероховатость стенки, наличие присадок в топливе, число циклов (время) эксплуатации и др. На сегодняшний день существуют способы борьбы с этим негативным явлением, однако наибольший интерес представляют перспективные способы, одним из которых является применение электростатических полей. В ходе проведения экспериментов с керосином марки ТС-1 установлено, что электростатические поля могут эффективно предотвращать появление углеродистых отложений. При использовании рабочих участков типа «игла-игла» обнаружено, что осадок на нагретой пластине не образуется в зоне прохождения силовых линий электростатического поля (при соблюдении всех необходимых условий). Применение экспериментальной оптической установки Теплера позволило получить динамику влияния электрического ветра в ТС-1 на тепловые процессы в условиях естественной конвекции. Эксперименты показали, что а) защита рабочей пластины от осадкообразования зависит от расстояния между соосными иглами, от расстояния между соседними иглами и от подаваемого на них электростатического напряжения (без каких-либо выключений, смены полярностей и т.п.); б) большую роль на изменение коэффициента теплоотдачи оказывает плотность теплового потока д, т.к. существует граница применимости полей в жидких и газообразных УВГ (УВО) при максимально возможных значениях д; в) существуют границы применимости электростатических полей в условиях вынужденной конвекции
[3, 12].
На основе анализа литературы и проведённых экспериментальных исследований разработано несколько критериев подобия электроконвекции в углеводородных средах. Так, используя уравнение для расчёта теплоотдачи на основе формулы Ньютона и уравнение для подсчёта джоулева тепла при прохождении тока через материал, получено следующее число подобия:
и2
А1 = --, (1)
кр уд
где и - напряжение тока (разность потенциалов на электродах), В; к - расстояние между электродами, м; ру - удельное электрическое сопротивление рабочей среды
(диэлектрика), Ом-м; д - плотность теплового потока, Вт/м2.
Однако в некоторых случаях более удобным является использование температуры вместо значений удельного теплового потока д (значения д, как правило, применяются в уравнениях, описывающих кипение жидкостей). На основе анализа
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
169
размерностей и индуктивного обобщения величин, влияющих на теплоотдачу, получены критерии подобия [14]:
А1 = (2)
р /кХ/Тсрх /
и 4/
А1 = , / \Е , (3)
р/1гХ/ТСрХ /
где / - определяющий размер, м; АТ - тепловой эффект от воздействия электростатического поля, К; WE - скорость электрического ветра, м/с; X/ -
коэффициент теплопроводности рабочей среды, Вт/(м-К); Тср - средняя температура
рабочей среды, К; V/ - коэффициент кинематической вязкости рабочей среды, м2/с.
На основе уравнения для работы электрического поля, закона Кулона и математического выражения закона Фурье, а также при помощи метода анализа размерностей получен следующий критерий подобия:
А1 = (4)
х/0 , ( )
где ед - электрическая постоянная, Ф/м; е - относительная диэлектрическая проницаемость; Е - напряженность электрического поля, В/м; и - напряжение тока, В; WE - скорость электрического ветра, м/с; 0 - разница температур (стенки и окружающей среды), К.
Для случая переменного электрического поля в диэлектрике разработано следующее число подобия:
и4 • /
А1 =-=-=-2, (5)
• р^2 -X/ •к ^02
где - тангенс угла диэлектрических потерь;
Значение можно найти по формуле [15]
=-1-, (6)
гаедер/
где га - угловая частота, 1/с; ед - электрическая постоянная, Ф/м; е - относительная
диэлектрическая проницаемость; р / - удельное активное электрическое
сопротивление рабочей среды между электродами, Ом-м.
Полученные числа подобия А1 необходимо использовать с другими критериями подобия, включая число Грасгофа вг, число Рейнольдса Яе, число Прандтля Рг и др., для построения различных критериальных уравнений.
Summary
The article highlights the problem of heat transfer intensification by use of electric fields. Electric convection is described as a kind of convection. The new dimensionless similarity criterions are offered by an author.
Keywords: electric convection, dielectric, electric field, electric wind, similarity criterion, hydrocarbon fuel (coolant).
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
170
Литература
1. Остроумов Г.А. Электрическая конвекция (обзор) // ИФЖ. 1966. 10, №5. С. 683-695.
2. Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен / Под. ред. проф. Г.А. Остроумова. Кишинёв: Штиинца, 1977. 320 с.
3. Алтунин В.А. Исследование влияния электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям. Книга вторая. Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2006. 230 с.
4. Алтунин К.В. Применение электростатических полей с целью интенсификации теплоотдачи в газотурбинных установках на жидком углеводородном горючем // Матер. докл. V Междунар. молод. науч. конф. «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. Т. 3. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2010. С. 142-143.
5. Попков В. И. К теории коронного разряда в газе при постоянном напряжении // Известия АН СССР, ОТН. 1953. №5. С. 664-674.
6. Семенов К.Н., Гросу Ф.П., Болога М.К. Теплоотдача газов в условиях естественной конвекции при коронном разряде // Электронная обработка материалов, 1974. №5. С. 57-60.
7. Болога М.К., Семенов К.Н., Бурбуля Ю.Т. Теплообмен при вынужденном движении жидкостей в электрическом поле. - В кн.: Тепло- и массоперенос, т.1., ч.1. Минск, 1972. С. 307-311.
8. Kronig R., Schwarz N. On the theory of heat transfer from a wire in an electric field. Appl. Sci. Res., A1, 35-46, 1947.
9. Мотулевич В.П., Петров Ю.Н., Макаренко И.Н. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена в электрических полях. - В кн.: Физическая газодинамика, теплообмен и термодинамика газов высоких температур. М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 243-250.
10. Senftleben H., Bultman E. Z. Phys., 136, 389, 1953.
11. Ashmann G., Kronig R. The influence of electric fields on the convective heat transfer in liquids. Appl. Sci. Res., A2, №3, 235, 1950; A3, №1, 83, 1951.
12. Алтунин К.В. Применение электростатических полей для предотвращения осадкообразования в энергетических установках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. Т.8. Молодежная секция. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 40-43.
13. Алтунин К.В, Гортышов Ю.Ф., Галимов Ф.М. и др. Проблемы осадкообразования в энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях // Энергетика Татарстана. №2. 2010. С. 10-17.
14. Алтунин К.В. Разработка критерия подобия электротермической конвекции // Матер. докл. XXIII Всеросс. межвуз. научно-технич. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Секция №6: «Внутрикамерные процессы в наземных и аэрокосмических энергоустановках многоразового использования». Казань: Отечество, часть 2, 2011. С. 93.
15. Электротехнический справочник: в 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под. общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова и др. 7 изд., испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 488 с.
Поступила в редакцию 13 сентября 2011 г.
Алтунин Константин Витальевич - аспирант кафедры «Теоретические основы теплотехники» (ТОТ) Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева -КАИ. Тел.: 8 (843) 279-69-37. E-mail: [email protected].
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
171
