Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Температура стенки ниже или равна температуре испарения. Площадь защищаемой пленкой поверхности увеличивается с ростом расхода охладителя. Однако длина пленки за счет расхода жидкости не может увеличиваться беспредельно. Расход ее через щель целесообразно увеличивать только до тех пор, пока пленка движется без отрыва от стенки и пока не начнется унос неиспаренных капель с поверхности пленки. Опыты показали, что существует критическая выходная скорость, после достижения которой струя отделяется от охлаждаемой поверхности и может вернуться к ней на некотором расстоянии за щелью нли совсем ие попадает на нее.
Критическая скорость увеличивается с ростом скорости горячего газа, с уменьшением ширины щели 6 и угла между вектором скорости выходящей из щели жидкости и поверхностью. При угле меньше 15' струя вообще не отделяется от стенки. В результате взаимодействия газового потока с пленкой жидкости на поверхности пленки возникают волны, которые могут привести к потере устойчивости пленки, характеризующейся уносом капель неиспаренной жидкости газовым потоком. Опытное изучение условий движения пленки показало, что ее устойчивость зависит от числа Кеь=и,Ь/т, и соотношения динамических вязкостей газа и охлаДителЯ 1ьЬ/1ь, (иь — скоРость жиДкости на выходе из щели; б †шири щели). Критическое значение Кеь возрастает с увеличением 1ьь/1ь,. При опытном изучении пленочного охлаждения с использованием воды было найдено, что при Кеь ††=300 пленка еще устойчива. Для гладкой незагрязненной поверхности дополнительные потери жидкости из-за неустойчивости пленки при Кеь=400 составили 2ь/ь, при Кеь=600 — 13%, при Кеь=1000 — 24%.
Эффективность пленочного охлаждения зависит от числа щелей на единицу поверхности. При увеличении числа щелей температурное поле стенки становится более равномерным. При устойчивом движении пленки без отрыва от поверхности, ширина которой Ь и длина 1, тепловой баланс определится фор- мулой — (И,— И )И=а,дй„ (17.15) езм где сгз — массовый расход охладителя через щель; Ай,=сй1+г— изменение энтальпии охладителя в системе. Баланс теплоты (17.15) может служить основой для определения длины поверхности 1, которая защищается одной щелью. Пленочное охлаждение используется как средство защиты камеры сгорания и сопла жидкостного ракетного двигателя. $17.6. ЗАГРАДИТЕЛЬНОЕ И КОМБИНИРОВАННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ При заградительном охлаждении стенка защищается от горячего потока слоем холодного газа, который подводится к поверхности через щель или через пористую вставку в поверхности теплообмеиа.
Слой холодного газа может быть также создан путем интенсивного охлаждения основного потока на участке стенки, предшествующем защищаемой поверхности. Эту разновидность заградительного охлаждеияя часто называют тепловой завесой. Газ-охладитель желательно вдувать по касательной к охлаждаемой поверхности, хотя подвод газа под углом до 30' практически не ухудшает качества заградительной системы охлаждения. Рассмотрим характер изменения скорости около охлаждаемой стенки на различном расстоянии от места подачи холодного газа через тангенциальную щель (рис.
17.4). В выходном сечении (х=О) охладитель имеет равномерное поле скоростей. Выходящий из щели газ-охладитель взаимодействует со стенкой, на кото- а) рой образуется гидродинамиче- Юор ский пограничный слой, и с потоком горячего газа, скорость которого гн отличается от скорости иа охладителя на выходе из щели. из 6 На границе раздела охладителя р и горячего газа возникает область «ь турбулентного перемешивания. з) В зависимости от формы ско- т ростного поля можно выделить две характерные области течения. начальный участок, на котором в б потоке охладителя сохраняется р ядро с постоянной скоростью (зо- 7,, г Гы на ОАВ), и основной участок, где распределение скоростей опреде- Рис. 17.4 ляется турбулентным смешением и взаимодействием потока со стенкой (в пристенной области).
Для начального участка значение хо зависит от высоты щели 466 Ь и соотношения скоростей и,/гв . При одинаковой природе основ- ного и охлаждающего газов ко можно определить из теории сво- бодной затопленной струи. При и,(гэ — "" =(0,10У+0,ОЗУ вЂ” "') ь Ю/ЮИ„ (17.16) Гидродинамические условия течения охладнтеля около защищаемой стенки определяют характер температурного поля в различных сечениях потока. Для теплоизолированной стенки на начальном участке сохраняется ядро охладителя с постоянной температурой.
Так как стенка теплоизолирована, то температура по толщине пристенной области не изменяется. Если пренебречь распространением теплоты теплопроводностью вдоль защищаемой стенки, то на начальном участке температуру стенки можно считать постоянной и равной начальной температуре охладителя. В действительности температура стенки при удалении от щели несколько возрастает.
На основном участке температура стенки увеличивается по мере удаления от места подачи охладителя, причем ее значение определяется температурой зоны смешения в пристенной области. Заградительное охлаждение может использоваться одновременно с конвективным. При этом стенка омывается охлаждаемым газом с обеих сторон. Такое охлаждение называют комбинированным. В этом случае на основном участке смешения температура стенки со стороны горячего газа выше температуры охладителя. Поэтому через охлаждаемую стенку передается теплота и температура стенки ниже, чем в случае использования только заградительного охлаждения. Разновидностью комбинированного охлаждения является система заградительного охлаждения, выполненная с использованием проницаемых вафельных материалов, в которой газ-охладитель сначала используется для конвективного охлаждения стенки, а затем поступает на поверхность, взаимодействующую с горячим газом.
В этом случае защищаемая стенка выполняется из нескольких пластин (обычно двух-трех), в которых до сборки с помощью перфораций, выштамповок или электрохимической обработки создается система каналов и отверстий, обеспечивающая высокую интенсивность теплообмена охладителя со стенкой с последующим выходом его на защищаемую поверхность. При этом легко создать конструкцию, в которой угол выхода газа-охладителя на защищаемую поверхность будет меньше 30'. Как отмечалось выше, при заградительном охлаждении температура теплоизолированной стенки с небольшой теплопроводностью практически совпадает с температурой пристенного слоя газа.
В этом случае объективной характеристикой качества системы заградительного охлаждения является ее эффективность, ко- 466 торая определяется выражением Ь=(Т',— Т )(Т,'— Т'), (17.17) где Т вЂ” температура стенки на расстоянии х от выхода охлаждающего газа; Т~* — температура торможения, которая при малых скоростях движения основного потока заменяется термодинамической температурой Т~., Т' — температура стенки в начале защищаемого участка, которую обычно принимают равной температуре газа-охладителя.
Эффективность заградительного охлаждения уменьшается с увеличением расстояния от места подачи охладителя и существенно зависит от соотношения скоростей охладителя и основного потока. Чем меньше разница между этими скоростями, тем меньше основной поток возмущает газовую завесу и тем выше эффективность заградительного охлаждения. Для расчета эффективности заградительного охлаждения с подачей охлаждающего газа через тангенциальную щель при турбулентном пограничном слое предложен ряд формул. Так, при одинаковых свойствах основного и охлаждающего потоков и х) )х, С. С.
Кутателадзе и А. И* Леонтьевым предложена теоретическая формула 0 (1+О 24 цепль,~ (17.18) где мед=и,Ь!ч. При гэ х/(и,Ь) )60 эта формула удовлетворительно согласуется с опытными данными, а прн гэ х/(и,Ь) (60 дает несколько заниженные результаты. Если защищаемая стенка не изолирована в тепловом отношении (например, при комбинированной системе охлаждения), то для оценки ее температурного состояния необходимо знать коэффициент теплоотдачи в процессе взаимодействия стенки с газовой завесой. При одинаковых скоростях горячего и холодного потоков коэффициент теплоотдачи можно рассчитывать по обычным формулам для плоской стенки. При отсутствии вынужденного течения горячего газа теоретическое решение задачи с использованием закономерности изменения скорости потока по длине стенки, известной из теории свободной струи, привело к расчетной формуле 74п„= 0,12 це„" (Ь/х)'Ф Рг' а (17.19) 467 где Хп =ах/$„; ме,=и,х/ч,. Аналогичное решение с использованием опытной закономерности изменения скорости в пристенном слое по длине стенки при р,и,/(рш ) =3...9 позволило получить расчетную формулу Мп„=0,113 леал(Ь(х)'ла Ргк4 ' (17.20) Заградительное и комбинированное охлаждение широко используется для защиты стенок камер сгорания и реактивных сопл воздушно-реактивных двигателей.
Эту систему охлаждения можно также использовать в газотурбинных двигателях для защиты лопаток и в ракетных двигателях твердого топлива для защиты внутренних поверхностей реактивного сопла. В последнем случае необходимый для защиты газ получается при горении специального топлива с низкой температурой сгорания, небольшое количество которого размещается перед входом в сопла. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
