CC BY
41
УДК 536.24
ТЕПЛООБМЕН И ЭЛЕКТРОКОНВЕКЦИЯ В МАГНИТНОИ ЖИДКОСТИ
© 2004 г. А.Ф. Шаталов
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].
В настоящей работе изложены результаты экспериментального изучения теплообмена и электроконвекции в магнитной жидкости, сочетающей не только диэлектрические, но и сильно выраженные магнитные свойства. Использована жидкость типа «магнетит» в керосине с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора как наиболее устойчивая. Тепловые измерения и анализ погрешностей проведены по стандартным методикам. Температуру нагревателя определяли методом термометра сопротивления, тепловой поток -по мощности тока в нагревателе.
Эксперименты первой серии осуществлены на моделях с проволочными медными нагревателями различных диаметров. Электрическое поле создавалось подведением постоянного регулируемого напряжения к нагревателю и 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 опытов, проведенных совместно с А. А. Поповым и В.М. Кожевниковым, показали общую тенденцию роста коэффициента теплоотдачи при увеличении напряженности электрического поля [2, 3]. 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
линейно меняется от 2 при концентрации с = 0,1 % и до 1,92 при с = 15 %, Для чистого керосина аналогичный показатель степени п составляет 1,5.
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, п - показатель степени, зависящий от концентрации магнетита [2]. Величина п
а, 4,5 кВт/(м2-К)
4,2
3,9 3,6
3,3 3,0
/
у //
Ух
X X
Е, В/м
0 20 40 60 80
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 %
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]. С дальнейшим ростом напряженности зависимость 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 слабопро-водящую. 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 явствует 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, являющихся суммой гравитационного и электроконвективного течений, в их опытах коэффициент а уменьшался на 2 - 5 %.
Предполагается, что в магнитной жидкости уменьшение 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 [3], показавшими экстремальный рост электрической емкости плоских тонких ячеек, заполненных магнитной жидкостью при воздействии электрического поля напряженности, близкой по значению к пороговой величине Е0. Образование приэлек-тродных 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: kT<WЭЛ. Принимая температуру слоя равной температуре нагревателя (в опытах не более 125 °С), учитывая зафиксированную величину пороговой напряженности поля Е0=105В/м и заряд частицы магнетита 2-е, 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 %) 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.
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.
а, 3000 Вт/(м2-К)
2000
1000
3000 у* .0' Ж . О
0
, кВт/м2
7,5
15
22,5
30
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи а в магнитной жидкости (с = 0,5 %) от величины удельного теплового потока q. Обозначения: о - свободная конвекция, ◊ - межэлектродное напряжение 450 В, х - межэлектродное напряжение 1000 В
На рис. 3 представлены фотографии тепловых электроконвективных потоков слабоконцентрированной магнитной жидкости (с = 0,05 об. %) вокруг проволочного нагревателя, зависящих от полярности его потенциала. Коэффициент теплоотдачи при разной полярности отличается на 6 - 8 %, подтверждая уни-полярность электрокинетических явлений в магнитной жидкости и наличие избыточного отрицательного
заряда частицы магнетита [4].
-"■ ■ ■ ■
Рис. 3. Электроконвективные потоки на верхнем снимке -потенциал нагревателя положителен, на нижнем - отрицателен. 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 электрического 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 [5].
q
0
0
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи в магнитной жидкости концентрацией с = 6 об. % от напряженности электрического (у поверхности нагревателя) и магнитного полей
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, несомненно, должно повлиять на коэффициент теплоотдачи [6].
магнетита между собой и охлаждаемой поверхностью, приводящее к образованию приэлектродных слоев повышенной концентрации магнетита.
Рис. 5. Гидродинамические потоки в тонком слое магнитной жидкости. Межэлектродное напряжение 150 В, диаметр игольчатого электрода, расположенного сверху, 0,05мм. Левый снимок - без магнитного поля, правый - при воздействии внешнего магнитного поля напряженностью 8000А/м
В заключение следует отметить, что магнитная жидкость является средой, в которой можно эффективно управлять теплообменом посредством электрического и магнитного полей. Такая возможность обусловливается термомагнитной и электрической конвекцией. Последняя протекает по электромеханическому типу и обнаруживает униполярность. Кроме этого необходимо учитывать взаимодействие частиц
Литература
1. Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. Кишинев, 1977.
2. Шаталов А.Ф., Кожевников В.М., Попов А.А. Теплопередача к магнитной жидкости при электроконвекции в магнитном поле // Физико-химические и прикладные проблемы магнитных жидкостей: Сб. науч. тр. Ставрополь, 1997. С. 236-237.
3. Кожевников В.М., Морозова Т.Ф., Шаталов А.Ф. Электрические свойства тонкого слоя магнитной жидкости при воздействии температуры // Актуальные проблемы современной науки: Сб. науч. тр. Ставрополь, 1997. С. 238 - 239.
4. 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, 2000. Т. 2. С. 270 - 273.
5. 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.
6. Шаталов А.Ф., Кожевников В.М., Попов А.А. Электроконвективные потоки диэлектрических жидкостей, охлаждающих тонкий нагреватель // Сб. науч. тр. / Сев.-Кавк. ГТУ. Ставрополь,1999. Вып. 3. С. 66 - 70.
Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь
13 апреля 2004 г.
