2.2. Охлаждающие среды

Ранее было отмечено, что в качестве охлаждающих сред в электрических машинах применяются нетвёрдые тела, а именно жидкие тела с малой вязкостью (жидкости) и жидкие газообразные тела (газы). В отличие от твёрдых тел для жидкостей и газов характерно, что в них не деформация, а скорость деформации пропорциональна прилагаемым усилиям.

Рассмотрим основные физические свойства жидкостей.

Плотность жидкости – это масса единицы объема

, (2.2)

где m – масса, кГ;V – объём жидкости, м³.

Удельный вес жидкости – это вес единицы объема

(2.3)

(2.4)

где G – вес жидкости, Н; g – ускорение свободного падения (g=9,8 м/с²).

Удельный объём жидкости – это объем единицы массы

(2.5)

где ρ – плотность жидкости.

Многочисленные исследования показывают, что плотность жидкости в точке есть функция давления и температуры . Эту зависимость называют уравнением состояния. Плотность капельных жидкостей с ростом давления изменяется очень мало. Сжимаемость жидкостей характеризуется коэффициентом сжимаемости, под которым понимают относительное изменение объёма жидкости, возникающее при изменении давления на единицу (1/Па)

(2.6)

где ΔV – уменьшение объёма жидкости V при увеличении давления на Δр.

При невысоких давлениях (до 500 000 Па) сжимаемостью такой жидкости как вода можно пренебречь. Например, для уменьшения объёма воды на 0,5 % необходимо повысить внешнее давление до 10 МПа.

Для нефти и нефтепродуктов справедлива формула Менделеева

(2.7)

где ₁₅ – плотность при t = 15 C;  – коэффициент объемного расширения.

Из-за большой сжимаемости газов их плотность, удельный вес и удельный объём в значительной степени зависят от температуры и давления.

Вязкость среды

Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу слоёв жидкости по отношению друг к другу.

Вязкость жидкости и газов проявляется как мера внутреннего трения при движении.

Рис. 2.1. Распределение скорости жидкости в канале между

неподвижной и движущейся пластинами

При ламинарном течении (без перемешивания) скорость жидкости в потоке между пластинами меняется по линейному закону от нуля на неподвижной пластине, до υ₀ на движущейся. Чтобы перемещать верхнюю пластину с постоянной скоростью υ₀ необходимо приложить к ней некоторую силу F_т уравновешиваемую силой внутреннего трения.

Как показывает опыт, эта сила равна

, (2.8)

где S – площадь пластины, м²; V₀ – скорость пластины, м/с;

μ – коэффициент пропорциональности.

Для большего уточнения этой зависимости её следует отнести к бесконечно малому расстоянию между слоями жидкости, тогда

, (2.9)

где V – относительная скорость движения соседних слоев;

y – расстояние между ними.

Или в пределе

, (2.10)

Выражение (2.10) представляет закон Ньютона для внутреннего трения. Так как отношение

, (2.11)

есть касательное напряжение сдвига, то закон Ньютона можно записать в более удобном виде

, (2.12)

Касательное напряжение, возникающее в жидкости, пропорционально градиенту скорости в направлении n, перпендикулярном вектору скорости V, к площадке, по которой оно действует.

Коэффициент пропорциональности  называется динамической вязкостью.