Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Пористый материал должен обладать максимальной проннцаемостью для охладнтеля, высокой прочностью, позволяющей изделию выдерживать перепад давления между охладителем и набегающим потоком, достаточно равномерной проницаемостью по поверхности изделия, развитой теплоотдающей поверхностью между пористым каркасом и охладителем, возможностью достижения поверхностью высокой температуры.
Пористое охлаждение может быть реализовано с помощью нескольких конструктивных решений. Для определенности собственно пористым называют лишь такое охлаждение, когда через поверхность с равномерной пористостью подают газообразный охладитель. Рассмотрим процессы, определяющие эффективность пористого охлаждения. Охладитель поступает к нижней поверхности пористой стенки с температурой То и расходом бл (рис.
4-2). Навстречу ему от внешнего потока по твердым перемычкам, образующим стенки пор, распроз4 страняется тепло с помощью молекулярной теплопроводности. После Структура н гидродииамика пористых ма Коэффициент вязкости )( зависит циент проницаемости К и определяется структурой пористого материала. При увеличении расхода газа, а точнее, при некоторых числах Рейнольдса Ке и, превышающих критическое значение )(епкр, уравнение (4-!) уже не в состоянии правильно описать картину течения. В этом случае используется уравнение — = сб!) + — О, (4-2) l)р и от типа охладителя, а коэфф Рнс. 4-3. Перенос тепла н массы в порно~ материале.
— тепло, передаваемое теплапроводнос1 д по каркасу; у (у) — про$нль температурь у охладнтеле; у (у) — пранпль температурь поРистой степке. где первое слагаемое соответствует закону Дарси, а второе учитывает инерционную составляющую сопротивления в криволинейных каналах переменного сечения.
Для металлических пористых сред коэффициенты а и р могут быть вычислены по формулам: 7,22.10)т 3,81 П' и 1,26 10)в 8,33 17 ' Экспериментальные исследования показывают, что критическое число Рейнольдса может принимать различные численные значения зависимости от структуры пористой стенки и свойств охладителя: достижения стационарного состояния в теле н в газе устанавливаются с ответствующие температурные профили: Тз(у) и Ту(у).
Связь между н ми определяется интенсивностью внутреннего теплообмена в порах, т. коэффициентом аг. Для расчета пористой системы охлаждения необходимо знать коэ( фициент теплопроводности пористой матрицы, расход газа и коэффиц ент внутреннего теплообмена а~ . Рассмотрим особенности движения жидкости через пористые с стемы. Скорость течения охладителя в порах при заданном перепа, давления Лр поперек пористой стенки толщиной Ь может быть устанс лена с помощью закона Дарси П= (4 Пористое охлаждение 4-2. Теплопроводность пористых тел На эффективную теплопроводность ) пористых материалов при прочих равных условиях оказывает влияние теплопроводность твердой фазы )з (рис. 4-3).
При этом для одних пористых материалов (на основе А!208, ВеО, МпО и др.) коэффициент теплопроводности с ростом температуры уменьшается (рис. 4-4,а), в то время, как для других, изготовленных на основе 5102, 7702, — увеличивается (рис, 4-4, б), Из рис. 4-4 видно, что решающее влияние на ), оказывает пористость, поскольку сами поры вследствие низкой проводимости газа являются эффективным барьером на пути распространения тепла.
Рис. 4-4, Зависимость аффективной тепловроводности от пористостп н температуры 1Л. 4-71. а — корундова» пористая иенокерамнка; б — пористый плавленый кварц; 7 — пенокерамнка, П О,атот т — прессоаавна» «ерамнка, П ПЛ; а — монолитное кварцевое стекло, П=о.ааеа,аур 8тдм Н7 3 рнс.
4-8. Влнииие пористостм на «оеффициемт аффективной тепаопроводностн равлнтмык веществ. 7' 1070 К [Л. 4-71. 2ао 400 аао Ооа х 1аоа а) Втди 8) От(1 8> 1,8 1,4 1,а О,а 0,2 гао «00 800 К 800 б) О 02 04 06 06 10 Исходя из структуры материала, характера кладки его зерен, можно построить модель передачи тепла путем теплопроводности и на ее основе вычислить коэффициент теплопроводности Хэ.
По-видимому, первой теорией, использованной для расчета коэффи- 00 циента теплопРоводности ).э, была теоРиЯ электРотепловой аналогии. теплопроводность порвете( В своем классическом курсе электричества и магнетизма Максвелл дал расчет электропроводности системы, содержащей сферические частицы с отличающейся электропроводностью. Естественно, что у последующих исследователей возникла мысль распространить эти расчеты на случай теплопроводности, поскольку аналогия между этими двумя процессами достаточно очевидна. Позже появилось большое число работ, посвященное анализу структуры пористой системы. Пористый материал условно можно рассматривать как систему, состоящую из чередующихся между собой плоских слоев твердого и газообразного веществ. При этом обычно анализируются два предельных случая.
В первом варианте тепловой поток передается перпендикулярно слоям. Иначе говоря, термическая связь между отдельными элементами тела в направлении потока тепла совершенно отсутствует (рис. 4-5, а). Во втором случае тепловой поток направлен параллельно слоям, т. е. условия контакта между отдельными частицами в направлении потока тепла идеальные (рис. 4-5, б). Формулы для теплопроводности пористых тел, соответствующие этим двум случаям, имеют следующий вид: Лп (ЛвЛз)/[Л (1 П) Лз П1 (4-3) Л =Л (1 — П)+Л П, (4-4) где Лв и Лп — соответственно коэффициенты теплопроводности твердой и газовой фаз; П вЂ” пористость материала, выраженная в долях.
Теплопроводность металла Лз, из которого изготовляется пористый кар- рпс. а-а. упрощаемые схемы даа расчета теплопроаодееста пористых мате. кас, намного превосходит теплопровод- рпааеа. ность газа, заполняющего поры, поэтому формулу (4-4) можно упростить ~ч, до следующей зависимости. Л, = Л,(1 — П). (4-5) Таким образом, модель пористого тела в виде параллельных тепловому потоку твердых пластин приводит к линейной зависимости коэффициента эффективной теплопроводности от величины пористости. а) На рис. 4-6 дается сравнение расчетных и экспериментальных данных по Лв !Лз в зависимости от пористости.
Видно, что линейная зависимость Л (П) сохраняется, однако наклон этой прямой для прессованных порошков намного больше, чем следует из теории. Это связано с з н с наличием контактных термических сопротивлений на границах между частицами или волокнами пористого каркаса. Для расчета коэффициента Пористое охлаждение теплопроводности порошковых материалов можно рекомендовать аппроксимационную зависимость типа Л =Л ~1 — ); П(0,45. П 8,48) ' (4-6) Ряс. 4-6. Влмянне пористости раалячнмк систем яа теплопрояодяость ~Л. 4-1Щ.
1 — плетеные системы; г — прессопанные порошки; 3 — расчет Ч! — ПИ 4 — аксхз перименталькые аначения Кля порошкоеых систем; Б — акспериментальиые аиачения Лля плетеных систем. Ч8 Обращает на себя внимание очень слабая зависимость Лз от пористости у волокнистых материалов. По-видимому, это связано с тем, что волокна в таких материалах расположены перпендикулярно к вектору теплового потока, отсюда эффективная теплопроводность такой системы в основном определяется контактными термическими сопротивлениями между соседними волокнами.
Существующие расчетные формулы для определения эффективного коэффициента теплопроводности Лп пористых материалов описаны в работе (Л. 4-3]. Экспериментальные данные указывают на зависимость коэффициента теплопроводности при одинаковой пористости П от размера и формы пор (рис. 4-7). Влияние этих двух параметров связано с появлением свободной конвекции в порах и обычно лежит в пределах 10 †!5%. Следует отметить, что при малых плотностях пористых систем свободная конвекция может стать основным механизмом переноса тепла в них, причем коэф- 4,г фициент эффективной теплопроводности Лз при уменьшении рз может даже Лх/Ле увеличиваться. Однако в системах пористого охлаждения свободная конвекция не играет существенной роли В,В из-за наличия интенсивного направленного потока фильтрующихся газов.
При высоких температурах прихог дится учитывать не только изменение о с температурой теплопроводности твердого каркаса Лз и теплопроводности газа Лл(Т), но и дополнительный пел ренос тепла излучением. При этом х считается, что излучение входит в эффективный коэффициент Лв в виде слагаемого Ли(Т). Стенки пор можно представить в виде экранов, воспринимающих энергию излучения и одновременно испускающих ее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
