Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 89
Текст из файла (страница 89)
В этом случае масса системы охлаждения не зависит от времени ее эксплуатации. Одной нз разновидностей р а з о м к н у т о й с и с т е м ы является испарительное охлаждение, где теплота поглощается вследствие испарения жидкости. При такой схеме охлаждения пар отделяется от жидкости в сепараторе и выбрасывается в окружающую среду. Для уменьшения расхода охладителя желательно, чтобы он имел высокую теплоту испарения. Наиболее пригодными 454 для этих целей жидкостями являются вода (г=2260 кДж1кг), метиловый (г=1120 кДж1кг) и этиловый (г=853 кДж/кг) спирты е. При высоких допустимых температурах стенки для охлаждения с испарением могут применяться расплавленные металлы, которые обладают большой теплотой испарения, например литий (г=20500 кДж/кг; при нормальном атмосферном давлении температура его плавления 182'С, температура кипения 1320'С).
Оценку температурного состояния охлаждаемой стенки можно сделать по расчетным соотношениям теплопередачи (см. гл. 3), а расчет теплообменника — цо методике, рассмотренной в предыдущей главе. Для охлаждения жидкостных ракетных двигателей используется система разомкнутого типа: использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру двигателя и там сгорает. Для охлаждения лопаток газотурбинного двигателя используется разомкнутая воздушная система. Для охлаждения радиоаппаратуры можно также применять . разомкнутую воздушную си. стему или конвективное испарительное охлаждение.
й 17ДС ТУГОПЛАВКИЕ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ Слой теплоизоляциониого материала, нанесенный на защищаемую стенку со стороны горячего газа, в нестационарных условиях нагрева приводит к снижению температуры стенки. В стационарных условиях теплоязоляция приводит к желаемому эффекту только пря наличии системы конвективного охлаждения. Влияние слоя теплоизолятора на температурное состояние стенки при стационарном режиме теплообмена иллюстрируется рис.
17.1. Введение теплоизоляционного слоя при неизменных температурах сред и коэффициентах теплообмена с обеих сторон стенки увеличивает внутреннее термическое сопротивление и уменьшает тепловой поток. Вследствие этого повышается температура на наружной поверхности теплоизоляции по сравнению с температурой поверхности незащищенной стенки, уменьшается температурный градиент в защищаемой стенке 3 и понижается температура на ее внутренней поверхности.
Рост Ф температуры наружной поверхности увеличивает ее излучение, что приводит к дополнительному уменьшению коэффициента тепло- передачи и теплового потока. Для стационарных тепловых режимов качество изоляции улуч- Рис. 17.1 " Теплота испарения г дана при нормальном атмосферном давлении и температуре кипения, 4оо шается с уменьшением ее теплопроводности, а для нестационарных — с уменьшением температуропроводности. Важными качествами таких покрытий являются высокая температура плавления, способность противостоять термическим напряжениям, которые возникают при больших температурных градиентах, хорошая сцепляемость (адгезия) с материалом защищаемой стенки.
В качестве материалов для покрытий используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам и др.), металлокерамика (оксиды, карбиды, нитриды металлов), графит. Температура плавления или разложения этих материалов 2000...3500'С. Следует заметить, что благодаря химическому взаимодействию материала покрытия с горячей средой его поверхность разрушается, но процесс этот протекает медленно.
Так, скорость уноса покрытия, выполненного из вольфрама, при взаимодействии его с атмосферой углекислого газа при температуре 1900 К составляет 10-' мм/с. Температурное состояние стенки с теплоизолирующим покрытием в стационарных условиях определяется расчетными соотношениями теплопередачи. Однако чаще эту задачу приходится решать для нестационарных условий. В этом случае задача расчета состоит в том, чтобы выбрать такую толщину покрытия, которая при известном времени работы конструкции не допустит перегрева рабочей стенки. Эту задачу можно решать в одномерной постановке, применив дифференциальное уравнение (4.10) к стенке и слою теплоизоляции с учетом того, что в месте соприкосновения в любой момент времени их температуры и плотности теплового потока одинаковы. Разработана упрощенная методика определения температуры в месте соприкосновения стенки с покрытием (!„), основанная на предположении о том, что тепловым сопротивлением стенки по сравнению с тепловым сопротивлением покрытия можно пренебречь (т.
е. принять Х.;+.ао). Полученное на основе этой предпосылки аналитическое решение оказалось сложным и не приемлемым для практических расчетов. С помощью безразмерного комплекса !"= — +-. + —. ! ! ! (17.1) В! К' !4 В! это решение удалось заменить приближенным выражением, результаты расчетов по которому аппроксимированы формулой !д6=0,0212 — ' ' Ро, (17.2) И+О,4 где К=р,сб„/(р. с Ьст); 0=(!! !ст)/(!! !сто), а числа Го и В1 подсчитываются по параметрам теплоизолирующего слоя. При !х=0,2...20 погрешность при вычислении О, обусловленная аппроксимацией, не превышает 2а/а. Тугоплавкие покрытия применяются для защиты таких элементов конструкции, которые в процессе работы не должны изменять своей формы и размеров.
К таким элементам относится, например, горловина сопла ракетного двигателя. $17.3. АБЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ Широкое применение в технике получили теплозащитные материалы, которые разруюаются в процессе их взаимодействия с горячим газовым потоком. При нагреве поверхность теплозащитного покрытия может оплавляться, сублимировать, разлагаться с образованием газообразных продуктов разложения и твердого обугленного слоя.
Внутренние слои теплозащитного покрытия также прогреваются, в них могут образоваться газообразные вещества, способные реагировать с внешним потоком. Продукты разрушения теплозащитного покрытия уносятся с поверхности горячим газовым потоком, поэтому поверхность теплообмена в процессе работы перемещается в глубь покрытия со скоростью и. Совокупность процессов, протекающих в разрушающемся покрытии в процессе его работы, называется абляц пей. Важная особенность работы аблирующих теплозащитных покрытий состоит в том, что основная доля теплоты, которая от газа подводится к поверхности теплообмена, расходуется на фазовые и химические превращения и только часть ее отводится внутрь конструкции.
При этом вдувание паров и газообразных продуктов разложения покрытия в пограничный слой горячего газа приводит к уменьшению теплового потока к поверхности теплообмена. Аблирующие покрытия обладают свойством саморегулируемости — увеличение подвода теплоты сопровождается увеличением скорости разрушения покрытия.
Они могут применяться практически при неограниченной мощности теплового потока. Одной из важных характеристик аблирующего покрытия является теплота абляг4ии г„которая представляет собой теплоту, поглощенную единицей массы унесенного вещества. Если за единицу времени к единице поверхности, находящейся .при температуре абляции, от горячего газа конвективным путем подводится теплота д, а отводится за пределы покрытия д„,„излучением* и гуан — теплопРоводностью и пРи этом с повеРхности УноситсЯ данг/(м'с)) теплозащитного вещества, то формула для г, имеет вид г,=(д — 䄄— ~у,„)/д,. 117.3) Величина г, отражает свойство аблирующего покрытия поглощать теплоту, но не учитывает защитного эффекта, обусловленно- ч Результирующий поток знергии излучения может иметь и обратное направление, 457 го вдуванием продуктов разрушения покрытия в пограничный слой горячего газа.
Поэтому для сравнительной оценки покрытий удобнее использовать эффективную теплоту абляции * Гвф = (Ча — тизл — Чааууа. (17.4) где да — плотность конвективного теплового потока от горячего газа к поверхности, находящейся при температуре абляции, но в условиях, когда абляции нет. Если в процессе абляции паро- и газообразных продуктов не получается, то г,э=та. Следует заметить, что эффективная теплота абляции влияет на скорость уноса материала, но она не определяет однозначно качество аблирующего покрытия. Не менее важной характеристикой такого покрытия является его теплопроводность.
При большой теплопроводности покрытия большие потоки теплоты передаются в конструкцию, что приведет к быстрому ее разогреву. Теплообмен разрушающегося покрытия с горячим газом протекает в нестационариых условиях, но если рассматривать процесс в подвижных координатах, связанных с разрушающейся поверхностью, то при и=сопя( температура покрытия в различных точках не будет изменяться во времени. Такой процесс будем называть кваэистационарным. Скорость уноса покрытия и и определяемая ею плотность массового потока аблирующего вещества д,=раи зависят от изменения температуры по толщине покрытия, которое, в свою очередь, зависит от вида и интенсивности протекающих в веществе покрытия физико-химических процессов и свойств этого вещества.
Поэтому расчет скорости уноса покрытия даже в квазистационарных условиях представляет собой сложную задачу. Задача значительно упрощается, если фазовые и химические превращения происходят на поверхности покрытия в слое пренебрежимо малой толщины„а изменением физических свойств по толщине покрытия можно пренебречь. В этом случае при одномерной постановке задачи температурное поле покрытия определяется уравнением (4.10).
Рассмотрим решение этой задачи для сублимирующего покрытия. Введем подвижную систему координат, которая перемещается в глубь покрытия со скоростью уноса и. В этой системе нормальная к поверхности координата $ определяется выражением Е=х — ит. (17.5) Из этого выражения легко найти д1 да дж дат — =1 — = — и дх д а дха д1а дг да' д1 дг — и да д$ да д1 ч Предполагается, что аоляцяя яа яамеяяет величину дчаа. Подставив эти выражения в (4.10), получим ди дг а„— = — и —.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
