В работе исследуются процессы теплопереноса в промышленных силовых трансформаторах, основанных на барботировании трансформаторного масла пузырьками элегаза. Большое значение коэффициента теплового расширения элегаза способствует образованию конвективных потоков, перераспределяющих неоднородности теплового поля в объеме трансформаторного масла [4–6]. В среде с конвективными ячейками возникает сложное поле скоростей, которое приводит к возрастанию эффективного коэффициента теплопроводности. При определенных условиях величина эффективного коэффициента теплопроводности может на несколько порядков превышать молекулярный коэффициент теплопроводности, поэтому исследование механизма переноса тепла в объеме трансформаторного масла с конвективными ячейками имеет важное практическое значение для повышения эффективности системы охлаждения силовых трансформаторов [7–15].
В работе также рассмотрены явления теплопереноса, инициированные акустическим полем в среде. Магнитопровод трансформатора является основным и важным источником шума. Шум сердечника зависит от магнитных свойств материала, из которого он изготовлен, и от плотности магнитного потока. Магнитные силы, формируемые в сердечнике, вызывают вибрацию и шум. Шумы, вызываемые сердечником и обмотками, находятся, в основном, в полосе частот 100–600 Hz. Частотный диапазон шума, вызванного вентиляторами охлаждения, как правило, имеет более широкий диапазон частот. Факторами, влияющими на общий шум вентиляторов, являются скорость вращения, структура лопастей, количество вентиляторов и расположение радиаторов.
Экспериментально установлено [1], что при воздействии волновых полей в сложных средах возрастают значения коэффициентов переноса. Физический механизм этого явления, достаточно сложен, и до настоящего времени нет полной теории этого явления. Одним из механизмов, объясняющих явление возрастания коэффициентов переноса, является так называемый трансцилляторный [2–7]. Суть этого механизма проявляется в увеличении потока за счет относительного смещения участков среды, вызываемого волновыми полями. Трансцилляторный теплоперенос относится к диффузионно-конвективным процессам, возникающим при колебательном относительном перемещении участков или частей среды [5]. Теория явления трансцилляторного переноса приводит к уравнениям в частных производных второго порядка с переменными коэффициентами.
Рассмотрим простейший случай однородной среды, находящейся под воздействием плоской монохроматической или немонохроматической волны. Уравнение, описывающее эволюцию температуры T в однородной изотропной среде, представляется в виде
(1)
Оно учитывает диффузионные и конвективные процессы, возникающие за счет смещений в волновой зоне. Здесь а – диффузный коэффициент, 
– поле скоростей в волновой зоне.
Получение аналитических решений уравнения (1) для волновых полей затруднено вследствие сложной зависимости скорости колебаний от координат и времени [1]. Решим задачу методом редукции к эквивалентному интегральному уравнению, не требующий построения точного аналитического решения. Для простоты предположим, что волна является поперечной и распространяется вдоль оси Ox со скоростью υ, а отличной от нуля является координата скорости колебаний среды Uy(x, t). Начальное температурное предполагается заданным 
. Считаем также, что составляющая градиента скалярного поля Гy является постоянной. Построение математической модели при этих предположениях сводится к отысканию решений вида
. (2)
Рассмотрим случай монохроматической волны с частотой ω. Для плоской упругой поперечной волны, распространяющейся вдоль оси Ox, с плоскостью колебаний, параллельной оси Oy, имеем
(3)
Для соответствующего уравнения относительно T’(x, t)
, (4)
где q(x, y, t) – эквивалентный источник тепла, с однородным начальным условием
. (5)
Эквивалентное исходной задаче интегро-дифференциальное уравнение с учетом того, что Гy >> ∂T’/∂y и используя формулы Эйлера, получим:
(6)
Для достаточно больших времен 
из (6) получим
. (7)
Поток вдоль оси Oy складывается из диффузионного и конвективного:
(8)
Осредненная конвективная составляющая потока по периоду колебаний для потока имеет следующий вид:
(9)
Соответствующий коэффициент переноса
(10)
называется трансцилляторным. Трансцилляторный перенос возникает за счет диффузного обмена между слоями среды, участвующими в колебательном относительном перемещении. Он отличается от чисто конвективного, поскольку регулярного переноса среды в этом случае нет.
Разложим (10) в степенной ряд и, удерживая два члена, получим
,
где 
– число Маха.
Рассмотрим далее случай плоской немонохроматической волны, бегущей вдоль оси Oy. Представив соответствующую координату скорости смещения среды в виде интеграла Фурье, получим выражение для нахождения коэффициента трансцилляторного переноса в волновой зоне.
(11)
Практическое значение этой формулы заключается в возможности вычисления коэффициента переноса, если известны спектральные компоненты поля скорости в волновой зоне. Для произвольных периодических колебаний представим поле скорости в виде экспоненциального ряда:
(12)
Для заданных коэффициентов Фурье смещений Am и Bm в волновом поле имеем следующее выражение для КТП:
(13)
Полученное выражение свидетельствует об аддитивности КТП относительно гармоник Фурье. Для монохроматических колебаний A1 = A и Am = 0 при m ≠ 1, Bm = 0 из (13) получим выражение, совпадающее с (10). Следовательно, это позволяет констатировать, что коэффициент трансцилляторного переноса пропорционален квадрату амплитуды колебаний. При увеличении частоты ω0 коэффициент монотонно возрастает, стремясь к предельному значению 
.
Таким образом, при распространении поперечной акустической волны в среде возникает дополнительный перенос тепла (трансцилляторный). Коэффициент теплопроводности получает максимальное приращение в плоскости колебаний. Изотропная среда в акустическом поле приобретает анизотропию по отношению к коэффициентам переноса. Трансцилляторный перенос обуславливает дополнительную необратимость процессов переноса.
С целью проверки полученных теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования на разработанном лабораторном стенде.
Лабораторный стенд состоит из реактора, нагревательного элемента, микрокомпрессора, измерительных устройств, сопряженных с компьютером. В качестве реактора использована ёмкость радиусом 12,5 см и высотой 30 см, заполненная трансформаторным маслом, на оси которого по центру закреплен нагревательный элемент. Газовые пузырьки создаются с помощью микрокомпрессора, осуществляющего впрыск газа через специальные керамические распределители, расположенные в нижней части реактора. Регулирование интенсивности нагрева трансформаторного масла происходило с помощью лабораторного автотрансформатора, подключённого к нагревательному элементу. Для регистрации температурного поля в объеме емкости размещены термопары, сигналы с которых поступают на вход аналогово-цифрового преобразователя ADAM4018. Далее сигналы направляются в компьютер, который позволяет управлять, регистрировать и обрабатывать информацию, с помощью специально разработанной программы [15].
Выводы
Результаты исследований показали, что при пропускании элегазовых пузырьков через трансформаторное масло коэффициент эффективной теплопроводности возрастает в 27 раз [13]. Фактически это означает, что при этом механизм трансцилляторного переноса тепла становится преобладающим.
Механизм теплообмена следующий: основной теплосъём с нагревающегося масла в трансформаторе осуществляется за счёт циркуляции барботируемого элегаза, обладающего большим коэффициентом теплового расширения, в масле образуется конвективный поток, эффективно уносящий тепло. После всплытия пузырьков, элегаз проходит через систему фильтров, удерживающих частицы масла, захваченные всплывающими пузырьками, и далее, пройдя систему очистки и охлаждения, возвращаются обратно в работу для повторения рабочего цикла. Предложенный способ интенсификации системы охлаждения позволяет повысить эффективность системы охлаждения силовых трансформаторов за счёт барботирования масла элегазом, что значительно повышает коэффициент эффективной теплопроводности.