Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 90
Текст из файла (страница 90)
дЕз дЕ (17.6) В принятой системе координат температура не зависит от времени, поэтому уравнение (17.6) можно записать в полных производных: дп и 64 — + — — =О. дЕз ип дЕ (17.7) Решение этого уравнения имеет вид ~=С,+С,д "'~'и. (17.8) При а=со 1=1 о, следовательно, С1=1 о, 'при 5=0 1=1 и потому Сз=1 — 1 о. Здесь 1 — температура аблирующей поверхности; 1 и — первоначальная температура стенки.
Подстановка констант интегрирования в выражение (17.8) дает — =1г — 1 )е ~п~~. Температурный градиент на аблнрующей поверхности (17.9) ~)= дГЕ и — ) = — (г.— г.,). дЕ д-с и„ (17.10) Тепловой поток, отводящийся внутрь покрытия, / дт З Е 4-0 (17.11) Эта теплота расходуется на подогрев материала покрытия до температуры сублимации 1 (принято д,„=О).
Если в процессе сублимации поглощается теплота г„то баланс теплоты на испаряющейся поверхности покрытия с учетом равенства и,=рии запишется в виде — "(О,— О.) —.„,С, [(~") — ( — ')'1=д,г„(17.12) где г,=г,+сп(А — 1 а); а=~(д,). Равновесная температура поверхности определяется графическим решением уравнения (17.12) по методике, рассмотренной в $13.4.
На основе этого решения определяется 1, концентрация паров у поверхности С и коэффициент массоотдачи рс, а следовательно, расход аблирующего вещества д, по формуле (13.20) и скорость уноса и. Значительной теплотой сублимации обладают некоторые органические вещества (нафталин, камфора), минеральные соли и др. 459 Например, хлористый аммоний имеет теплоту сублимации 4159 кДж/кг. В общем случае газифицируется только часть аблирующего вещества: У=9Ка~ (17.13) где ~р — степень газификации, равная отношению расхода пара или газа к общему расходу вещества покрытия.
Для различных механизмов абляции ~у=0...1. В качестве оплавляющихся покрытий наибольший иптерес представляют стекловидные вещества, которые не имеют строго определенной температуры плавления. При повышении температуры эти вещества размягчаются, их вязкость постепенно уменьшается, что ведет к существенному перегреву пленки расплава относительно температуры начала размягчения покрытия.
Перегрев пленки способствует увеличению энтальпни уносимого покрытия и ее частичному испарению; все это ведет к увеличению г,ь. Стекловидные материалы имеют хорошие термоупругие характеристики, небольшую теплопроводность в жидком состоянии, большую вязкость и теплоту испарения (скрытой теплоты плавления эти материалы не имеют). В качестве разрушающихся теплозащитных материалов используются также полимеры (полиэтилен, тефлон и др.). Взаимодействие такого покрытия с горячим газовым потоком приводит к термической деструкции, представляющей собой совокупность химических реакций с поглощением теплоты и выделением газообразных продуктов разложения. Скорость разложения полимера определяется скоростью химических реакций, зависящей от температуры покрытия. Широкое применение в качестве теплозащитных покрытий нашли композиционные материалы, состоящие из тугоплавкого наполннтеля и органического связующего (например, кварцевое стекло и смола). Разложение связующего сопровождается поглощением теплоты и выделением большого количества газообразных веществ.
Защитный эффект может быть также основан на обугливании поверхностного слоя материала покрытия. Обугленный слой выполняет роль теплоизолятора, через который в пограничный слой горячего газа вдуваются газообразные продукты химических реакций, протекающих на внутренней стороне обугленного слоя. Обугленный слой состоит в основном из углерода, который при низких давлениях может сублимировать. Таким образом, кроме теплонзолирующего эффекта самого слоя происходит уменьшение теплоподвода к поверхности вследствие вдувания газа в пограничный слой.
При высокой температуре на поверхности покрытия может 460 возникнуть процесс горения. При этом тепловые эффекты окислнтельных реакций уменьшают теплоту абляции, но при этом уменьшается теплоподвод от внешнего потока . как за счет повышения температуры поверхности, так и за счет вдува продуктов сгорания в пограничный слой внешнего потока, а также увеличивается поток теплоты излучением с поверхности, что повышает эффективность работы покрытия. Тугоплавкие, оплавля1ощиеся, сублимирующие и газифнцирующиеся покрытия находят широкое применение в ракетной технике для защиты наружных поверхностей ракет от разрушения при входе их в плотные слои атмосферы.
Эти покрытия применяются также для защиты внутренних поверхностей ракетного двигателя твердого топлива. $17.4. СИСТЕМА ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ При использовании системы пористого охлаждения омываемая горячим газом стенка выполняется из пористого материала; через нее в направлении горячего газа продавливается охладитель — газ или жидкость. При использовании газа в качестве охладителя охлаждение называют эффузионпым*, а при использовании жидкости — конденсатным.
Проходя через поры, газ-охладитель получает теплоту от стенки, а выйдя на поверхность, ухудшает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Таким образом, с одной стороны, затРУднЯютсЯ УсловиЯ пе- п1 рехода теплоты от горячего газа к поверхности стенки, с другой — получаемая стенкой теплота выносится охладителем обратно в поток. Оба эти фактора ведут к снижению темпегн м ратуры стенки. Температурное поле в пористой стенке показано на рис. 17.2, а.
Перед поступлением вгг" з х стенку охладитель получает от Рис. 172 нее некоторое количество теплоты путем теплоотдачи. Проходя через стенку, охладитель соприкасается с ней по большой поверхности и его температура приближается к температуре стенки. Чем больше толщина и коэффициент теплоотдачи внутри пористой стенки, тем меньше разница температур между стенкой и охладителем в выходном сечении. В общем случае нельзя отождествлять температуру охладителя на выходе и температуру пристеночного слоя газа. Охлади- тель, выходящий из пор под углом к основному потоку газа, взаи' Эффузия — процесс течения газа через пористую стенку, 461 модействует с пограничным слоем этого потока, получая от него теплоту и частично перемешиваясь с ним. Поэтому пристеночный слой газа имеет температуру более высокую, чем температура охладителя в выходном сечении.
Температурный градиент в пограничном слое определяется конвективным тепловым потоком от горячего газа к стенке. Кроме того, теплота подводится к стенке или отводится от нее путем излучения. При использовании жидкости в качестве охладителя возможны различные режимы охлаждения. Когда расход жидкости небольшой, она будет кипеть в порах, прн этом только часть охлаждаемой поверхности покрыта пленкой жидкости, и охлаждение неустойчиво. При чрезмерно больших расходах охладителя часть жидкости уносится газовым потоком без испарения на поверхности.
Большие, чем для газа, коэффициенты теплоотдачи между жидкостью и внутренней поверхностью пористой стенки (особенно, когда жидкость доведена до температуры кипения) способствуют сближению температуры стенки и температуры охладителя на выходе нз нее. При конденсатном охлаждении часть подведенной к стенке теплоты поглощается в процессе испарения. Пористое охлаждение уменьшает сопротивление трения высокотемпературного газового потока о стенку примерно в такой же мере, как уменьшается коэффициент теплоотдачи. Наиболее часто в системах пористого охлаждения используются газы, причем чем больше теплоемкость газа и меньше его молярная масса, тем выше его защитные свойства (см. ф 8.4).
Важную роль могут играть также антикоррозионные качества охладителя. Так, аммиак, выполняя роль охладителя, одновременно связывает кислород, содержащийся в горячем газе, и предотвращает окисление поверхности теплообмена. При кратковременной работе системы пористого охлаждения в среде высокотемпературного газа охладитель, который при низких температурах находится в твердом состоянии, размещают непосредственно в порах стенки.
После достижения высокой температуры охладитель плавится, а затем разлагается или испаряется; при этом охладитель отбирает теплоту от пористой стенки, а пары или продукты разложения уменьшают тепловой поток от горячего газа к стенке. Такая система, например, может быть выполнена нз пористого вольфрама с использованием в качестве охладителя цинка или других материалов. Связь температуры горячей поверхности пористой стенки 1„ с расходом охладителя я (кг((м'с)] для стационарных условий определяется тепловым балансом * ч Поток теплоты излучением может иметь и противоположное направление, — (̈́— Н ) — а„рСо[( ) ( )~=й АЬ ° (1714) где тай,=й,— гг,п — изменение энтальпии охладителя в системе; Н вЂ” полная энтальпия горячего газа.
Если пренебречь разницей в температурах г, и 1, т. е. положить 0=0 (см. рис. 17.2, а), то из этого уравнения получается однозначная зависимость между температурой стенки и плотностью массового потока охладителя и Температуру 1, а также изменение температуры по толщине стенки можно рассчитать и без введения упрощающей предпосылки о равенстве температур 1, и 1, но при этом необходимо иметь сведении об объемном коэффициенте теплоотдачи внутри пор и эффективной теплопроводности пористой стенки. При конденсатном охлаждении коэффициенты теплоотдачв внутри стенки имеют ббльшие значения, чем при эффузионном, поэтому температура охладителя может достичь температуры стенки еще до выхода его на поверхность.
Температурное поле стенки при конденсатном охлаждении показано на рис. 17.2, б. Температура горячей поверхности стенки при коиденсатном охлаждении ограничена температурой кипения жидкости, т. е. 1„(1ы Баланс теплоты для конденсатного охлаждения определяется уравнением (17.14). При полном испарении жидкости с поверхности теплообмена гзгт,=с(1 — 1,)+г, где г — теплота испарения жидкости. По расходу охладителя на каждый квадратный метр защищаемой поверхности пористое охлаждение более эффективно, чем конвективное (разомкнутая система), пленочное или заградительное'.
Но его применение ограничено сложностью изготовления пористых стенок. Кроме того, при эксплуатации такой системы необходимо принимать меры для очистки охладителя, чтобы избежать засорения пор. Пористое охлаждение можно использовать для защиты отдельных элементов летательных аппаратов или жидкостных ракетных двигателей. $ ЕЕБ. ПЛЕНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ При пленочном охлаждении защищаемая стенка покрывается пленкой жидкости, которая подается через одну или несколько щелей, выполненных на некотором расстоянии друг от друга, и растекается по поверхности. Для подачи жидкости охлаждаемая стенка может иметь пористые вставки. Схематично пленочное охлаждение стенки с подачей жидкости ч Два последних вида охлаждения рассматриваются в последуюпгих пара.
графах, 4бб Ряс. 17.3 464 через одну щель показано на рис. 17.3. Растекающаяся пленка жидкости-охладителя испаряется и толщина ее при этом уменьшается. Отделяющийся от поверхности пленки пар поступает в пограничный слой горячего газа и ~- - у уменьшает тепловой поток от газа ,с)': -~ „я) к поверхности испарения. На некотором расстоянии от щели пленка исчезает. Поэтому прн Е большой длине защищаемой стенки необходимо иметь несколько щелей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
