Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 26
Текст из файла (страница 26)
давление паров превысит внешнее давление. На практике этот режим может реализоваться лишь при интенсивном подводе тепла излучением. Для большинства других теплозащитных материалов также приходится вводить параметр Г. Он показывает, что часть массы уносится в жидкой фазе либо в виде твердых частиц. Этот параметр не может быть принят постоянным для каждого материала, поскольку он существенно изменяется с внешними условиями обтекания.
Таким образом, параметр Г характеризует степень реализации в конкретных условиях возможностей, заложенных в материале и связанных с переходом последнего в газообразное состояние. Рассмотрим теперь на примере графита понятие «суммарного теплового эффекта поверхностных процессов» ЛЯ„. Графит при умеренных давлениях не образует расплава, т. е. величина Г у него практически не Рис. З-З.
днатрамма механизмов разрушения стевлообразнмх материалов. ! — область, тде материал не разоушается; 2 — область плавления; 3 — область плавления с испарением ту<о,б)) 4 — область испарения со следами пленхи )Г> >О,бп б — область, тде давление паров выше дзвнения ахружаюшеб сЛеды ре отличается от единицы. Однако количество тепла, поглощаемого поверхностью графита в газовом потоке, может быть намного меньше теплоты сублимации. Это связано с тем, что на поверхности графита могут протекать не только сублимация, но и целый ряд химических реакций, )зз тепловой эффект которых отличается от теплоты сублимации. Указап- Понятие об определяющем механизме разру и Па Рис. Б.Б. Диаграмма механизмов разрушения граФята в потоке воздуха.
7 — кинетическое окисление; У вЂ” днФФузионное окисление; и†сублимация; г — область, где давление паров выше давления окружающей среды ре' 2200 2200 4400 К Рис. Б-Б. Зависимость скорости Разрушения граоита от температуры повеРхности 7. н давлеии» окружающей срема Рг ! — кинетическое окисление; 2 — днфФузнонное окисление; Б — сублимация; П,— скорость разрушенив в режиме 2.
4,0 2,0 ЗЗОО 0 000 2200 разрушения лимитируется скоростью встречной диффузии окислителя и продуктов разрушения в многокомпонентном пограничном слое; в этом случае скорость разрушения слабо зависит от температуры поверхности, которая может меняться от 1200 — 1600 до 2400 — 3800 К в зависимости от давления (рис. 5-5).
Это область, где необходимо учиты- ог ная разница зависит не только от параметров и состава набегающего газового потока, но даже от размеров тела. Разрушение графита начинается задолго до достижения температуры сублимации, и оно вызвано высокой реакционной способностью графита во многих газовых средах, особенно в кислороде и воздухе (рис.
5-4). При температурах поверхности до 1100 К на воздухе и до 1400 К в парах воды (пунктир на рис. 5-4) разрушение графита, как правило, целиком определяется кинетикой реакции, т. е. скорость разрушения экспоненциально меняется с температурой поверхности Т„. После небольшого переходного участка начинается область, где процесс Физико-химические основы разрушении вать размеры и форму тела, значения коэффициентов диффузии и возможные продукты реакций всех компонент, число которых может достигать нескольких десятков. И лишь при высоких температурах все большую роль в уносе массы графита начинает играть собственно процесс сублимации, который зависит от давления окружающей среды р,.
Скорость уноса массы экспоненциально возрастает с Т . Заметим, что экспериментальные данные указывают на возможность частичного механического разрушения графита — эрозии в виде пылинок, поэтому нельзя принимать коэффициент газификации Г=). Что касается теплового эффекта разрушения, то прн низких температурах поверхности он не только сильно отличается от теплоты сублимации (в случае окисления он может стать даже отрицательным) но и существенно зависит от состава газа в пограничном слое (в частности, от соотношения таких компонент, как СО, СОз, СХ, СНФ СеНз и т. д.).
Задача теоретического анализа тепловой защиты состоит не только в том, чтобы построить модсль процесса или выявить так называемый определяющий механизм разрушения, но и в том, чтобы на основании этой модели уметь рассчитывать для конкретных условий обтекания величины Г и ЛО„.
Введение двух этих параметров позволяет использовать для сравнительной оценки и отбора различных теплозащитных материалов весьма удобную характеристику разрушения — эффективную ЭитаЛЬПНЮ )зФФ, РЕЧЬ О КОтОрОй ПОйдЕт НИЖЕ. 5-2, Критерии сравнения разрушающихся теплозащнтных материалов Проведенный выше анализ показал, что разрушение теплозащитных материалов складывается как результат некоторого равновесия уровня внешнего воздействия со стороны набегающего газового потока и способности материала отводить или рассеивать тепло. В газодинамике н теории теплообмена принято характеризовать условия течения набором безразмерных критериев, таких как числа Маха, Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля нли Льюиса (см.
гл. 2). С другой стороны, условия не- стационарного прогрева твердых неразрушающихся тел также характеризуются некоторыми безразмерными критериями — числами Фурье, Био и рядом других. По аналогии, вероятно, можно было бы поставить вопрос о поиске критерия для процесса разрушения. Особенность процесса разрушения материала заключается в том, что здесь неразрывно связаны внешняя (теплообмен) и внутренняя (теплопроводность) задачи, т. е, задача становится сопряженной. Кроме того, приходится считаться с тем, что для большинства разрушающихся материалов важнейшими определяющими параметрами являются размерные значения давления в окружающей среде р, и температуры внешней поверхности Т .
Это объясняется тем, что протекание химических реакнм цнй или фазовых превращений (например, испарения или сублимации) Критерии сравнения разрушающихся ма п~ = ( — ~ (1, — 1„) = еаТ' + ст Л9 + д + да —— 'ср з = аоТ4+ 0 ЛД„+ уб (1,— 1 ) + 6 с (҄— То). (54 Видно, что в отличие от неразрушающихся теплозащитных покрыту) подведенный извне конвективный тепловой поток (подведенный ради ционный поток не учитывается) в данном случае расходуется не толь на излучение нагретой поверхности спТз„и на увеличение теплосоде~ жания материала, но и на поверхностные физико-химические превр~ щения с расходом массы 6 и тепловым эффектом ЛЯм, Кроме тог~ интенсивность теплообмена снижается за счет вдува газообразных пр< дуктов разрушения в пограничный слой (уравнение (4-12) 1.
Последний член в уравнении теплового баланса (5-1) может бьп записан в представленном виде лишь при допущении квазистациона1 ности процесса разрушения. При переменной тепловой нагрузке это д( существенно зависит от уровня давления и температуры. Изменение укц ванных параметров не просто изменяет уровень скорости разрушения но и полностью заменяет один механизм разрушения другим (см., на пример, рис. 5-4 и 5-5). Все это существенно затрудняет моделирование процесса разрушв ния теплозащитных материалов, поэтому на практике принято говорит' не о моделировании, а о воспроизведении основных определяющих пя' раметров, прежде всего энтальпии и давления заторможенного потоке С другой стороны, интенсивность протекания многих физико-химиче ских превращений определяется теплофизическими и кинетическими ха рактеристиками материала, его составом, а в некоторых случаях и тех нологией изготовления.
В связи с этим необходимы критерии сравнени способности различных теплозащитных материалов рассеивать и поглс щать подведенный извне тепловой поток, одинаково применимые пр теоретическом и экспериментальном исследованиях для материалов простыми мсхапнзмамн разрушения, а также и для тех покрытий, у кс торых при нагреве имеет место сложная комбинация различных пре вращений. Наиболее полно и наглядно задача сравнения многочисленных тез лозащитных покрытий решается при квазистационарном разрушенн( когда скорости перемещения всех изотерм или фронтов разрушени внутри материала совпадают со скоростью перемещения внешней п~ верхности.
В этом случае тепло, затрачиваемое на нагрев внутреннц слоев, не зависит от коэффициента теплопроводности материала 1урат пение (3-50)], и определяется не температурным полем, а внутренни теплосодержанием нагретого слоя. Таким образом, независимо от пр< дыстории нагрева эффективность данного теплозащитного покрытия м( жет быть охарактеризована аналогично формуле (3-1) тепловым бала~ сом на разрушающейся поверхности: Физико-химические основы разрушения пущение будет приводить к занижению тепловых потоков, идущих внутрь покрытия.
Отметим также, что тепловой эффект вдува учитывается уравнением (5-1) в линейном приближении (4-12), которое спра- ВЕдЛИВО Прн у44 (0,6, ГдЕ бе= би/(а/Ср)М Если обозначить долю газообразных продуктов разрушения в общей унесенной массе вещества через Г: Г=6 /6, (5-2) то из теплового баланса на разрушающейся поверхности (5-1) можно получить некую характеристику энергоемкости разрушения в виде /, р — — ' — — с (҄— Т,) + Г (ЛЯ + у (/, — /„)1.
(5-3) Поскольку /,фф имеет размерность энтальпии, она хотя и не является термодинамическим параметром, но получила название эффективной энтальпии разрушения данного теплозащитного материала. По ней можно судить о том, что не весь материал переходит в газообразное состояние, даже если на поверхности существуют условия, благоприятные для фазового перехода. Кроме того, эффективная энтальпия учитывает взаимодействие материала с внешней средой — эффект вдува, который, конечно, не может быть отнесен к термодинамическим характеристикам конденсированных веществ. Эффективная энтальпия определяет количество тепла, которое может быть «блокировано» прн разрушении единицы массы покрытия, поверхность которого имеет температуру Т„, в результате действия всех сопутствующих этому разрушению физико-химических процессов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
