Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Интересно отметить, что во всем рассмотренном диапазоне параметров пт толщина унесенного слоя Я(т ) составляет чуть больше половины соответствующего значения суммарной толщины Л(т ). Итак, если первоначальная толщина образца больше величины, рассчитанной по формуле (3-35), то процесс нестационарного разрушения всех слоев, удаленных от начальной поверхности на расстояние, превышающее Л(т ), будет подобен во времени. С другой стороны, термопара, углубленная на расстояние Л(т ) от первоначальной поверхности, будет фиксировать режим квазистационарного разрушения.
Это важное обстоятельство приходится иметь в виду при обработке результатов нестационарных экспериментов, когда тепловой поток и другие внешние параметры непрерывно меняются во времени. В частности, важно установить ту минимальную толщину теплозащитного покрытия, к которой еще можно применять критерии квазистационарного разрушения (например, использовать понятие эффективной энтальпии). Эта оценка производится с помощью двух формул: формулы (3-34), дающей время установления квазистационарного режима разрушения, и соотношения (3-35) для минимальной толщины квазистационарного прогрева. Полное время эксперимента должно быть значительно больше т„а толщина теплозащитного покрытия должна превышать Л(те).
При этом как при расчете т„так и при оценке Л(те) необходимо использовать вместо о„максимальное значение скорости разрушения внешней поверхности о, достигнутое при данном испытании. 3-4. Влияние переменности физических свойств на температурное поле внутри теплозащитного покрытия Простейшее уравнение теплопроводности с учетом граничного условия на разрушающейся поверхности позволяет получить представление о многих качественных сторонах процесса переноса тела внутри покрытия (например, о квазистационарном режиме прогрева) и даже произвести некоторые количественные оценки. Заметим, однако, что в основе любых оценок нестационарного прогрева заложены те или иные предположения о зависимости теплофизических свойств от температуры.
74 Вииииие перемеииости физических с Для разрушающихся теплозащитных материалов характерны высокий уровень рабочих температур и существенное изменение структуры материала, Оба этих фактора сильно отражаются на теплофизических свойствах вещества. Однако если учесть степень влияния изменений различных свойств на температурное поле в материале, то прежде всего следует выделить коэффициент теплопроводности. Изменениями других теплофизических параметров в инженерной практике часто пренебрегают.
Так, хотя плотность может уменьшиться почти вдвое по мере роста температуры и разложения части компонент композиционного материала, на температурное поле влияет не она сама, а произведение плотности на теплоемкость. У большинства же реальных теплозащитных материалов теплоемкость с увеличением температуры возрастает (см. приложение), и изменение произведения рс, входящего в уравнение теплопроводности, оказывается в итоге ограниченным.
Как правило, оно отклоняется от первоначального значения менее чем в 2 раза. Намного шире возможный диапазон изменения коэффициента теплопроводности. Это связано как с изменением фазового состояния отдельных компонент и сильным влиянием температуры на теплопроводность каждой фазы, так и с появлением при больших температурах дополнительной, радиационной составляющей теплопроводности внутри пор. Отдельные составляющие твердой фазы теплозащитного материала могут находиться в кристаллическом либо в аморфном состоянии. Механизм переноса тепла в этих состояниях резко отличен.
В свою очередь кристаллы подразделяются на проводники и диэлектрики в зависимости от того, что является основным носителем тепловой энергии: электроны или колебания кристаллической решетки — фононы. В последнем случае проводимость определяется длиной свободного пробега, т. е. расстоянием, на котором сохраняется правильная структура кристаллической решетки или так называемый дальний порядок. Аморфные диэлектрики, у которых зерна кристаллов расположены хаотично, имеют меньший коэффициент теплопроводности по сравнению с кристаллическими диэлектриками, у которых структура более упорядочена.
При 50 К коэффициент теплопроводности кристаллического кварца в 150 раз выше, чем у аморфного кварцевого стекла. В задачу этого раздела не входит детальный анализ зависимости коэффициента теплопроводности от температуры для различных тепло- защитных материалов, поэтому мы ограничимся лишь общими схематическими представлениями. Для сравнения будут использованы также общие'сведения из теории переноса тепла в жидкостях и газах. Обычно у твердых непористых материалов различают три участка в зависимости коэффициента теплопроводности от температуры (рис.
3-12). В диапазоне очень низких температур Х. резко увеличивается с ростом температуры, начиная с нулевого значения при Т=0 К, а затем начинает падать. Второй участок простирается от максимума теплопроводности до дебаевской температуры Тэ и характеризуется Перенос тепла внутри теплозащитиого покрытия тпя тксп высокими значениями коэффициента теплопроводности кристаллических веществ.
Обычно дебаевская температура близка к комнатной, однако есть целый ряд отклонений. Так, у бериллия она составляет 1160 (ч, а для алмаза дебаевская температура Тп равна 1850 К. Для теплозащитных материалов наиболее важен третий участок области твердого состояния материала — диапазон высоких температур, который простирается от температуры Дебая до температуры плавления или сублимации данного вещества. В соответствии с данными рис, 3-12 для большинства чистых веществ — проводников электричества (в основном это металлы) можно принять, что коэффициент теплопроводности в этом диапазоне практически не изменяется с температурой (кривая 3). У кристаллических диэлектриков, например окислов А12О„2Т02 и т, д., теплопроводность в этой области падает обратно пропорционально температуре (кривая 2). У большинства аморфных материалов (стекло, некоторые полимеры) заметно некоторое увеличение коэффициента теплопроводиости с ростом температуры (крввая 1).
Интересно отметить, что разность между теплопроводностью кристаллических и аморфных диэлектриков быстро убывает с ростом температу- ры и в точке плавления исчезает сонно. 3-12. Общмй хаРактеР зависимости козф. ВСЕМ. ЧИСТЫЕ МЕТаЛЛЫ ИМЕЮТ Маиенфиииепта тепнопроводиостн А от температуры Т у твеРдых, жидких н газообразных веществ. Малы!ЫЕ 31ШЧЕНИЯ ),а. 1 — тверлая фаза; и — жидкость; 111 — газ; Жидкость является промежуточ- 1 — аМОРфМЫЕ ВЕЩЕСтаа; 2 — «РветаЛЛИЧЕСКИС иои фазои между тверд1,1м и газо дизлектрнки; 3 — металлы; 4 — жидкости; 5 — газы; ТО, Тпл, Тя п — температуры Дебан, ОбРаЗНЫМ СОСТОЯНИЯМИ, УПОРЯДОЧЕН- плавления и испарения соответственно; НОСТЬ МОЛЕКУЛ В жИдКОСтИ МЕНЬШЕ, — — — аномальный ход Л1.
чем в твердом веществе, но неизмеримо выше, чем у газов. Поэтому при плавлении материалов их теплопроводность должна падать. С ростом температуры упорядоченность строения уменьшается и соответственно уменьшается коэффициент теплопроводности (исключез ние составляет вода, глицерин и некоторые водные растворы).
Заметим, однако, что применительно к 1 теплозащитным материалам, теплой т проводность их расплава часто п связана не столько с молекулярным, сколько с радиационным переносом тепла (см. гл. 8). Теплопроводность газов в первом приближении пропорциональна произведению вязкости на теплоемкость при постоянном давлении, причем с ростом температуры отмечается значительное увеличение коэффициента теплопроводности ),б практически у всех газов. Тем не менее ти геплопроводность Хб все же остается ниже, чем теплопроводность твер- Влияние переменности физических св дой фазы, и ею можно пренебречь, если только пористость твердого теплозащитного материала не слишком велика.
Представленная выше схема изменения коэффициента теплопроводности может не соответствовать поведению реальных теплозащитных материалов. Это связано не только с тем, что при высоких температурах часть компонент теплозащитного материала может переходить из аморфного состояния в кристаллическое, что, как отмечалось, совершенно изменяет не только характер зависимости Х от температуры, но и саму величину коэффициента теплопроводности. Практически решающим обстоятельством оказывается разложение при нагреве части первоначальной массы вещества и образование дополнительной пористости. Появление внутри покрытия значительных объемов, заполненных газом, изменяет механизм распространения тепла.
Этому вопросу будет уделено большое внимание в гл. 4. Будет показано, что при температурах .менее 1000 К увеличение пористости приводит к резкому уменьшению коэффициента теплопроводности, тогда как при более высоких температурах наличие пористости в материале является причиной многократного увеличения Х с температурой (за счет переноса тепла излучением). В результате коэффициент теплопроводности типичного теплозащитного материала — стеклопластика не только сильно изменяется с температурой, но и является (рис. 3-13) немонотонной функцией. В этих условиях применимость оценок, использующих постоянное значение тепло- физических свойств, становится довольно проблематичной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
