Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Каждый из этих способов или их сочетание могут быть реализованы в виде различных методов тепловой защиты в зависимости от конкретного конструктивного оформления. Поглощение и накопление тепла конденсированными веществами Способность некоторых материалов легко отводить тепло от нагретых поверхностей хорошо известна и находит широкое применение уже сотни лет. Системы с накоплением тепла являются низко- температурными, ибо они работают при температурах ниже точки плавления поглощающего тепло материала.
Тепло отводится от поверхности теплопроводностью в соответствии с законом Фурье где Х вЂ” коэффициент теплопроводности; Т вЂ” тем- пература; п — нормаль к изотерме. Методы тепловой защиты Максимальное количество тепла, которое может поглотить такая система (рис. Б(, а), определяется выражением тпл (~= лт ') с((Т =ст(Тп,— Те), тз где т — масса вещества; с — его теплоемкость; Тп„— температура фазового превращения (плавления); То — начальная температура. Следовательно, эффективность данного принципа отвода тепла тем выше, чем больше теплоемкость материала, его теплопроводность Х и температура плавления или сублимации Т„. На практике широко используются металлы, имеющие более высокие по сравнению с другими веществами значения коэффициента теплопроводности, что обеспечивает усвоение ими тепла относительно равномерно по всей массе материала.
Классическая теория теплопроводности показывает, что равномерное распределение температуры между наружными и внутренними слоями возможно при критериях Био, меньших единицы, В)=((о)(ХТ, )6), где до — подведенный тепловой поток, Т, — максимально допустимая тем- Рис. 1-!. Тепловая защита, испадззующая поглощение тепла за счет теплоемности (а) и конвектнвного охлаждения (б, е). 1 — теплопоглощающий материал; 1 — защищаемый объект; 5 — форсунка; 4 — охлаждающая пленка; 5 — охааждаемая степка пература стенки, а 6 — ее толщина. Чем меньше критерий Био, тем вероятнее, что тепло пройдет «транзитом» через стенку прежде, чем на ее поверхности будет достигнута температура разрушения.
Можно показать, что нецелесообразно использовать металлические стенки толщиной (й более 25 — 50 мм. Коивективиое оила 1 а б л и и а 1-1. Материалы, используемые в качестве поглотителей тепла Ь при 20' С, » при 20' С, р при 20' С, Материал Втдм К1 кдждкг К! Гп, К ~ Еь кджlкг 450 650 790 975 1790 3690 9550 0,37 0,92 0,45 0,25 0,08 2,18 1,63 1370 950 1800 2990 3640 1640 3770 8950 2700 7870 10200 Г9300 1820 2!90 386 293 78 148 !50 167 130 Медь Алюминий Железо Молибден Вольфрам Бериллий Графит Важными факторами, которые следует иметь в виду при выборе тог или иного материала в качестве поглотителя тепла, являются его мех» ническая прочность при высоких температурах, а также однородност! Так хрупкий графит менее предпочтителен чем медь, которая часто и< <юльзуется на практике благодаря ее хорошей технологичности, деш< визне и высокому коэффициенту теплопроводности, исключающему н< равномерность нагрева изделий.
Верхний температурный предел пр! менимости металлов обычно намного ниже Т,„из-за окисления. Конвективное охлаждени Конвективное охлаждение состоит в том, что от обогреваемой и рячим потоком стенки тепло передается охлаждающей жидкости ил газу (рис. 1-1, б, з). Перепад температуры в стенке определяется при з! данной ее толщине б выражением Т„,— Т„2=0705(70 Тепловой поток 1 в стационарных условиях определяется расходом охладителя т, его те1 лоемкостью с н перепадом температуры Т„2 — То: <70Сз' = Слт (Т вЂ” Т '), где Я вЂ” площадь теплоотдающей поверхности. Среди газообразных охладителей своей теплоемкостью выделяетс водород (с=14,5 кДж1кг), на практике чаще используются жидкост! вода, спирт и т.
д. В табл. 1-1 приведены свойства некоторых веществ, представляют интерес в качестве теплопоглощающих материалов. Теплоемкость мате риала является важным параметром, но ее величина может значительн< изменяться с изменением температуры, поэтому при расчетах удобне1 пользоваться значением общего количества тепла Я, затраченны! на нагрев материала от начальной температуры Т, до точки плавле ния Т,.
Методы тепловой ввщпты При высоких температурах стенки для охлаждения могут применяться расплавленные металлы (натрий, литий). Жидкий металл на охлаждаемую стенку можно подавать с помощью форсунок (рис. 1-1, в). В зависимости от способа рассеяния тепла в окружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяются на замкнутые и разомкнутые. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получающий тепло от горячей стенки, рассеивает его в окружающую среду или передает другому теплоносителю. В этом случае необходимое количество охладителя не зависит от времени эксплуатации системы.
Для снижения перепада температуры в стенке и улучшения условий отвода тепла материал стенки должен обладать большой теплопроводностью. Лучшими материалами для этих целей являются медь, молибден. Данный способ неприменим, когда температура поверхности превышает температуру плавления или когда происходит эрозия стенки. Расширить интервал допустимых тепловых потоков при достаточно интенсивном подводе тепла от горячих газов можно за счет использования теплоты фазового превращения (испарения) охладителя на поверхности (рис. 1-1,в).
Так, теплота испарения расплавленного лития составляет около 20500 кДж/кг, литий кипит при 1590 К (при 1Ов Па). Конвективное охлаждение часто используется в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также в стационарных высокотемпературных промышленных установках (плазмотронах и др.). Здесь применяются системы трубчатого охлаждения; состоящие из разветвленной сети каналов или труб, расположенных под нагреваемой поверхностью и находящихся в тесном контакте с ней.
Через трубы непрерывно прокачивается жидкий или газообразный охладитель. Максимальное количество тепла, поглощенное такой системой, зависит от теплопроводности материала стенки, расхода и теплоемкости охладителя. В ЖРД применяется обычно система разомкнутого типа; использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру сгорания двигателя и там сгорает. 1-3.
Иассообменный принцип охлаждения Этот принцип поглощения тепла может быть реализован в виде пористого, пленочного или заградительного охлаждения. Все они находят широкое применение для защиты как от радиацио1гного, так особенно от конвективного нагрева. При вводе холодного газа или жидкости непосредственно в пристеночный слой набегающего потока толщина этого слоя увеличивается, происходит оттеснение горячего газа от защищаемой поверхности, в результате чего интенсивность теплообмена на поверхности снижается. Преимущества этого принципа защиты перед другими обусловлены, во-первых сохранением внешней формы защищаемог4 го тела и, во-вторых возможностью поддержания температуры поверх. Массообменнмй принцип охлэ ности на желаемом уровне с помощью соответствующего регулировани расхода охладителя.
Рассмотрим сначала пленочное охлаждение Горячий газ иж вдоль стенки, покрытой пленкой охлаждающей жидкости, которая пс ступает через одну или несколько щелей или отверстий, выполненны на некотором расстоянии друг от друга вдоль поверхности (рис. 1-2, а,' Температура поверхности тела не будет превышать температуру кип< ния жидкости до тех пор, пока существует пленка на поверхности. В р; кетной технике в качестве охладителя может быть использовано жидко ракетное топливо. Рнс. 1-2.
Тепловая зажата массообменом. а — пленочное охлажденне; б н е — эаграднтельное охлаждение; а — пористое охлаждение; ! — основное твердое топливо; 2 — твердое топливо с низкой температурой горения; 3 — эона холодного пограпнчного слоя; 4 — зона горячего газа.
Эффективность пленочного охлаждения зависит от способа подвоз охладителя, угла подачи, свойств охладителя, состояния защищаем( поверхности 1налнчие загрязнений, шероховатость) и числа щелей иу отверстий на единицу длины поверхности. При увеличении числа щелэ температура стенки становится более равномерной. Методы тепловой защиты Пленочное охлаждение используется обычно как дополнительное средство защиты стенок камер сгорания и сопл жидкостных ракетных двигателей, когда конвективное охлаждение не обеспечивает необходимого снижения температуры стенок. Еще одной разновидностью тепловой защиты массообменом является заградительное охлаждение.
Прн заградительном охлаждении защищаемая стенка изолируется от горячего потока слоем холодного газа, который подводится к поверхности через щели или отверстии (рис, 1-2,б). В случае подачи охлаждающего газа через щель его желательно вводить по касательной к защищаемой поверхности, чтобы затянуть процесс перемешивания газовых потоков. Протяженность защищенной поверхности пластины при подаче охладителя перпендикулярно в несколько раз меньше, чем в случае тангенциальной подачи Число щелей илн перфораций на единицу длины выбирается обычно эмпирическим путем, при этом стремятся, чтобы струйка газа из каждой щели или отверстия экраннровала элемент поверхности между соседними точками ввода газа. Принято, что шаг перфораций должен быть порядка пяти толщнн пограничного слоя в данной точке, а диаметр отверстия меньше этой толщины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
