Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена электрическим ветром

    

    Рис. 19. а)-гребенка игл и струйки электрического ветра (вид сверху), b) – гребенка игл и нагреватель (вид сбоку, симметрия вдоль OZ) 

    С целью определения оптимального расположения гребенки игл напротив вертикально расположенного нагревателя была проведена серия экспериментов при постоянной рассеиваемой мощности W=5,04 Вт и постоянном напряжении высоковольтного источника U=6,0 кВ. Температура окружающей среды T₀=297,9 К. Была проведена расшифровка теневых картин и получение с их помощью распределений температуры.

    Стационарная  температура в случае отсутствия ветра была определена методом аппроксимации  и экстраполяции экспериментальной  зависимости перегрева нагревателя от времени, снятой по семи начальным точкам. T_stac=330.6 К. При охлаждении нагревателя электрическим ветром, установление стационарной температуры происходит в течение 15 минут. После этого изменение температуры нагревателя за последующие 5 минут составляет 0,2 К.

      Восстановление распределения температуры при помощи теневых картин в данной серии экспериментов практической пользы не принесло. Толщина теплового пристеночного слоя сильно уменьшается в той точке возле пластины, куда направлено движение среды при данной конфигурации электродов и в некоторой ее окрестности, величина которой сильно зависит от скорости электрического ветра. Значение градиента температуры в данной области при этом возрастает. В связи с тем, что значение градиента разрешено на этом участке с малой точностью, численное интегрирование этой величины от окружающей среды к нагревателю делает значения температуры на поверхности нагревателя заниженным.  

    

    Рис.20 Поле температуры, восстановленное в эксперименте с ветром. 

    На  рис. 20 приведено распределение температуры, восстановленное при помощи теневой картины, в данном случае струя ветра направлена в центр перпендикулярно поверхности пластины. Контурный график температуры в этом случае может служить лишь для получения качественных данных о тепловой структуре вихря, образующегося в нижней части пластины. Количественные данные о поле температуры в данном случае корректно определены только в той области, где толщина пристеночного факела не меньше 3 мм.

      В случае возникновения необходимости восстановления температуры при охлаждении нагревателя электрическим ветром в последующих исследованиях нужно использовать камеру с большим разрешением. 
 

    Таблица 2. Изменение расположения игл по вертикали.

Распределение градиента температуры	Ттерм., К	Iветра, мкА	α, %	Положение игл, мм
	321,7	0,68	27	2,2
	320,1	0,66	32	20,7
	318,7	0,72	36	37,7
	320,6	0,71	30,5	56,3
	322,8	0,57	24	71,2

    Положение игл, приведенное здесь, означает координату у на соответствующем графике. Камера установлена таким образом, что происходит срезание изображения пластины на 1-3 мм от верхнего и нижнего края нагревателя.

    Коэффициент интенсификации теплообмена, приведенный в таблице 2, был рассчитан в терминах перегрева по формуле:

     ,  (18)

    где - температура нагревателя, охлажденного при помощи электрического ветра; T₀ –температура окружающей среды.

    Зависимость коэффициента от положения активного электрода приведена на рис. 21.  

    

    Рис. 21 Экспериментальная зависимость коэффициента

от положения игл 

    Заметно, что зависимость имеет несимметричный характер, значение коэффициента в  двух крайних точках отличаются на 12%, при этом минимальным является значение в верхнем положении игл. Значение коэффициента для случая, когда гребенка игла расположена напротив верхней части пластина на 50% меньше значения для случая, когда иглы расположены напротив центра пластины. Максимум эффективности охлаждения нагревателя при расположении игл в координате 37,7 мм обусловлен наибольшим охлаждением пластины в этом случае.

    В данном эксперименте напряжение между  электродами было фиксировано, однако для различных положений активного  электрода, как видно из таблицы 2, значение тока в цепи менялось. Это  обусловлено тем, что изменение положения игл ведет к изменению электрического поля в межэлектродном промежутке. То есть перемещение игл в верхнее положение приводит к уменьшению количества линий напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке и уменьшению значений напряженности в нем. Исследования, проведенные в работах [1] и [2] показали, что скорость электрического ветра пропорциональна корню из силы тока в цепи. Таким образом, в нашем случае скорость ветра при расположении игл сверху на 12% ниже скорости ветра при расположении игл в центре, что является одним из факторов, объясняющих такое распределение коэффициента интенсификации. Однако видно, что при этом коэффициент меняется значительно сильнее, то есть решающую роль в данном случае все же играют другие процессы. Одним из них может быть образование вихря внизу пластины, что мы  и попытаемся проверить.

    Таким образом, серия проведенных экспериментов по исследованию зависимости интенсификации охлаждения нагревателя электрическим ветром при различных положениях активного электрода показала, что разрушение теплового пристеночного факела наибольшей толщины, расположенного в верхней части пластины не дает улучшения теплообмена с окружающей средой. 

    Эксперимент 2. Исследование зависимости интенсификации теплообмена нагревателя с окружающей средой при различных значениях рассеиваемой мощности. 

    Была  проведена серия опытов по изучению влияния интенсификации теплообмена  для различных значений мощности, подводимой к нагревателю. В течение  всех опытов положение активного электрода не менялось, и было установлено напротив центральной части пластины. Напряжение, подаваемое высоковольтным источником, также оставалось фиксированным U=6,0 кВ. Температура окружающей среды T₀=299 К.

    Расшифровка теневых картин для данного набора опытов не проводилась, так как в диапазон измеряемых перегревов входят значения, при которых достоверная расшифровка теневых картин невозможна при ширине входной щели, установленной на данном теневом приборе. Изучение интенсификации теплообмена производилась при помощи показаний термисторов. Использованная в работе экспериментальная установка не позволяет получить данные о значениях перегрева при наличии ветра более 90 К. Зависимость стационарной величины перегрева нагревателя от рассеиваемой мощности в отсутствие ветра была получена для значений до 40 К.

    

    Рис. 22. Зависимость перегрева пластины от подаваемой мощности.

    Красным цветом отмечены экспериментальные  точки. 

    Экспериментальная зависимость аппроксимирована и  экстраполирована в область больших мощностей.

    Получение зависимости коэффициента от рассеиваемой мощности при неизменном положении электродов и постоянном напряжении высоковольтного источника является одной из первостепенных задач. Иначе говоря, с возрастанием температуры нагревателя, значения градиента температуры в пристеночном факеле увеличивается, и отдача тепла, обусловленная теплопроводностью должна возрастать при условии постоянства скорости электрического ветра. Как было отмечено в работе [4], скорость электрического ветра в центральной струе пропорциональна напряжению между электродами, таким образом, фиксировав его в течение всего эксперимента, мы можем говорить о постоянной скорости ветра. Однако влияние нагрева пластины, ионизации воздуха в межэлектродном промежутке может сказываться на значении тока в цепи с высоким напряжением, поэтому для дополнительного контроля скорости, при помощи АЦП были сняты значения тока в цепи, который и определяет скорость электрического ветра. Среднее значение силы тока в цепи составило 0.75 мкА. Среднеквадратичное отклонение значений измеренной величины составило 0.03 мкА, что позволяет утверждать, что значение скорости ветра оставалось постоянным в течение всего эксперимента.

    Таким образом, были получены зависимости  перегревов пластины от подаваемой мощности в двух случаях: естественная конвекция и охлаждение электрическим ветром.

    

    Рис. 23. Экспериментальные данные 

    На  приведенном графике видно, что  с увеличением подаваемой на нагреватель  мощности, разница перегревов в этих двух случаях возрастает. 

    

Рис. 24. Зависимость коэффициента

, рассчитанного по формуле (18) от мощности, подводимой к нагревателю 

    Спад  графика разности перегревов при  наличии ветра и в его отсутствие, отнесенной к перегреву в отсутствие ветра обусловлен увеличением теплового потока переносимого естественной конвекцией и теплопроводностью. То есть для случая больших мощностей, решающую роль в теплообмене с окружающей средой при малых скоростях ветра играет естественная конвекция.  

    Эксперимент 3. Исследование интенсификации теплообмена электрическим  ветром при различных  напряжениях высоковольтного  источника. 

    Описанные эксперименты были проведены при минимальном напряжении высоковольтного источника таком, что теневая установка фиксировала движение среды под действием электрических сил, то есть напряжение 6,0 кВ близко к порогу возникновения электрического ветра в данной системе электродов.

    Было  установлено, что образующийся в  нижней части пластины вихрь ухудшает охлаждение нагревателя, так как поток воздуха в вихре, нагреваясь возле пластины, не успевает охлаждаться окружающей средой (рис. 26)

    

    Рис. 25. Вихрь в нижней части пластины 

    Это связано тем, что после прохождения  воздухом центральной струи электрического ветра, его скорость начинает уменьшаться и в некоторый момент достигает значения малого настолько, что начинает двигаться только под действием естественной конвекции. Увеличение напряжения между электродами приведет к увеличению скорости воздуха в центральной струе, из-за чего радиус вихря увеличится и воздух, проходящий в области, где происходит его охлаждение, будет успевать отдать больше тепла окружающей среде. Иными словами, для интенсификации теплообмена пластины с окружающей средой необходимым является устранение влияния вихря в нижней области.

      В эксперименте 3 напряжение между  электродами изменялось от значения 6,0 кВ до 17, 2 кВ. Верхняя граница  определена максимальным значением  напряжения, допустимым при работе  с данной установкой. Было проведено две серии измерений: при расположении активного электрода напротив верхней части пластины и напротив ее центра. Рассеиваемая мощность фиксирована и принимает значение W_max.=14.2 Вт, являющееся максимальным значением мощности, использованным в эксперименте 2.

    Сравнение интенсификации охлаждения пластины электрическим ветром для двух случаев расположения игл приведено в таблице 3. 

    Таблица 3. Теневые картины при различных напряжениях.

Uветра, кВ	Верхнее положение  игл	Центральное положение  игл
6,0	ΔТ=64,1 К Iветра=0,54 мкА	ΔТ=52 К Iветра=0,75 мкА
7,7	ΔТ=54,2 К Iветра=3,35 мкА	ΔТ=41,1 К Iветра=4,57 мкА
9,5	ΔТ=45,2 К Iветра=8,16 мкА	ΔТ=33,8 К Iветра=10,11 мкА
12,2	ΔТ=35,9 К Iветра=17,74 мкА	ΔТ=24,1 К Iветра=23,12 мкА
14,8	ΔТ=26,7 К Iветра=30,48 мкА	ΔТ=18,4 К Iветра=39,16 мкА
15,7	ΔТ=25,1 К Iветра=36,73	ΔТ=17,3 К Iветра=45,7 мкА
17,2	ΔТ=22,8 К Iветра=46,02	ΔТ=15,8 К Iветра=56,53 мкА