Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Эти примеры показывают, что поверхности скоростных самолетов и особенно ракет нуждаются в тепловой защите. Разработка систем тепловой защиты выдвинула новые проблемы теории теплообмена. Появилась необходимость в исследовании явлений теплоотдачи в условиях испарения жидкости на поверхности теплообмена, оплавления этой поверхности, подвода инородного газа в пограничный слой горячей среды и т. п. Полет на больших высотах происходит в атмосфере разреженного воздуха.
Теплообмен в разреженных газах обладает определен- 244 ными особенностями, и потому его законы отличны от законов теплообмена в плотных газах. Исследование закономерностей тепло- отдачи в разреженных газах составляет одну из проблем теории теплообмена.
Возможность достижения самолетом больших скоростей и высот полета ограничивается, главным образом, качеством авиационного двигателя. Размеры и вес авиационного газотурбинного двигателя можно существенно снизить, повышая температуру газов перед турбиной, а для этого необходимо охлаждать турбинные лопатки и другие детали турбины. В связи с этим возникла необходимость исследования теплоотдачи вращающихся поверхностей.
Не менее острой является проблема охлаждения стенок камеры сгорания и сопла жидкостного раке1ного двигателя. В камере сгорания таких двигателей температура газа превышает 3000 С, и поэтому даже при наружном охлаждении стенок топливом возможен прогар сопла. Проблема ',тепловой защиты стенок сопла и камеры ракетного двигателя твердого топлива усложняется тем, что топливо не может быть использовано для внешнего охлаждения, Для летательных аппаратов и их силовых установок характерны высокие тепловые нагрузки.
При входе баллистической ракеты в атмосферу тепловой поток к ее поверхности достигает йй 000— 100 000 квт!м'. В соплах жидкостных ракетных двигателей тепловые потоки достигают величин порядка 30 000 квт1м'. Большие тепловые потоки наблюдаются также в атомных реакторах. Тепло- отдача в условиях высоких тепловых нагрузок обладает некоторыми особенностями и требует специального исследования, Таким образом, развитие ракетной и авиационной техники связано с необходимостью разрешения многих проблем теории тепло- обмена. Поэтому авиационный инженер должен не только владеть расчетным аппаратом современной теории теплообмена, но и быть готовым к решению новых проблем, которые возникнут в процессе дальнейшего развития авиации и ракетостроения.
$4. Основные понятия н определения Количество теплоты, передаваемой в единицу времени через произвольную поверхность, оценивается тепловым потоком О, единицей измерения которого служит ватт (вт). Тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности, называется плотностью теплового потока, или тепловой погрузкой д; единицей измерения д является ватт на квадратный метр (втlм').
Тепловые потоки возникают в телах и между телами только при наличии разности температур. Температурное состояние тела или системы тел можно охарактеризовать с помогцью температурного поля, под которым понимается совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства. Температура различных точек тела ( определяется координатамп х, у, г и временем т.
Поэтому в общем случае г = 1 (х, у, г, т). Температурное поле, которое изменяется во времени, называется нестационарным, или неустановившимся. Такому полю отвечает нестационарный, или неустановившийся, тепловой режим и тепловой поток. Если температура не изменяется во времени, температурное поле называется стационарным, или установившимся. В этом случае тепловой режим и тепловой поток будут также стационарными.
Температурное состояние стенок камеры и сопла ракетного двигателя твердого топлива во время его работы является примером не- стационарного температурного поля. в Стационарное температурное поле в можно охарактеризовать зависимостью дй Г = 1 (к, у, г). (1.2) дв д5 Рис. Ь2 Ряс, ьз Температурное поле изменяется по направлению одной, двух или трех координат. В соответствии с этим различают одномерные, двумерные и трехмерные поля. Стационарное одномерное температурное поле можно описать уравнением г = г (к). Температурное поле тела можно охарактеризовать с помощью серии и з о т е р м и ч е с к и х по в е р х н о с т е й.
Под изотермической поверхностью понимается геометрическое место точек с одинаковой температурой. Такие поверхности могут быть замкнуты или выходить на границытела. Изотермические поверхности, соответствующие разным температурам, не могут пересекаться друг с другом. Если тело рассечь плоскостью, то изотермические поверхности на этой плоскости изобразятся в виде их следов — изотермических линий, которые называются иэотермами (рис. 1.2). По расположению изотерм можно оценить интенсивность изменения температуры в различных направлениях: чем чаще расположены изотермы, тем интенсивнее изменяется температура. Выделим вблизи точки А две изотермы с разностью температур ЛГ и расстоянием по нормали Лн между ними (рнс. 1,3). Отношение ЛГ!Лп характеризует среднюю интенсивность изменения температуры между изотермами.
Предел этого отношения прн Лл-+ О позволяет оценить интенсивность изменения температуры вблизи точки А аг дг 1(ш — = — — йгай1. д„е ав дн (! А) 246 Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом.
Температурный градиент — векторная величина, направленная по нормали к изотерме в сторону увеличения температуры. Интенсивность изменения температуры в направлении з (рис. 1.3) определяется пределом отношения ЛС/Лз при дсз-~ О, т. е. проекцией температурного градиента на это направление, так как С)С дС . йС дС 1)ш — = — = 1ип — соз(п, в)= — соз(п, в).
д1- ь Лс д~ ьл о с)сс дп Поэтому интенсивность изменения температуры вдоль осей 4оординат определится проекциями температурного градиента на эти оси, т. е. производными, д4 дх дС, дс дг дг Специфические понятия используются при изучении теплообмена излучением. Процесс превращения внутренней энергии в энергию излучения происходит во всем обьеме твердого тела, но энергия излучения частиц, расположенных далеко от поверхности, поглощается самим телом, а в окружающую среду попадает только энергия, испускаемая тонким поверхностным слоем. Поэтому излучение тела оценивается поверхнссспной плотностью потока собственного излучения Е, которая представляет собой количество энергии излучения, испускаемое единицей площади поверхности в единицу времени.
Плотность потока собственного излучения учитывает излучение во всех направлениях и при всех длинах волн (Х = Π—: ьь ). В диапазоне длин волн от ь до Х + с(Х излучается энергия йЕ. Отношение (1/5) или А+Я+0=1, (1. 6) где А = Ял /Я вЂ” поглои(ательная способность тела; /с = (гв/Я— отражательная способность тела; 0 = Яо/Я вЂ” пропускательная способность пила. 247 характеризует энергию электромагнитных волн с длиной волны )4 и называется плотностью потока монохроматического излучения.
Поглощение энергии излучения происходит также в тонком поверхностном слое твердого тела. Для металлов этот слой имеет толщину порядка 1 мкм, а для неметаллических материалов — около 1 мм. Поток излучения, падающий на поверхность тела, поглощается не полностью: часть энергии отражается, часть — проходит сквозь тело (рис. !.4). Таким образом, се = сел + Яя + (ес) (1.7) В этом случае все факторы, увеличивающие поглощательную способность, одновременно уменьшают отражательную способность поверхности. Тела, пропускающие всю падающую на них энергию излучения, называются диатермичными.
Для инх О = 1 н )т = А = О. Наибольшей пропускательной способностью обладают газы. Так, слой воздуха до толщин значительного размера можно считать диатермичным. Для монохроматического излучения (т. е. для излучения с определенной длиной волны) уравнение (1.6) имеет вид Ак + )тк + Рх = 1. (1.8) Для одного и того же тела при различных длинах волн величины Ах, 71х и Ох могут иметь существенно различные значения.
Так, обычное стекло хорошо пропускает световые лучи (Х = 0,4— — 0,8 мкм), но почти не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. й 5. Законы Фурье и фика. формулы для теплового и массового потоков Основным законом теплопроводности является предложенная Ж. Фурье гипотеза о пропорциональности теплового потока температурному градиенту. Выделим иа изотермической поверхности вблизи точки А плошадку аР (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
