Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 85
Текст из файла (страница 85)
15.6 х. На ис, а 15.5, изображен пластин п ообменных ппаратах. р тепл ик с плоскими непрерыв т бами. чатый теплообменник еб истыми овалообразными тру рис. 1 ., 5.5 б — теплообменник с ре рист ике постановка ре р бе возможна только В тру бчатом теплообменн в пластинчатом — с о беих сторон рабочей с одной стороны, а в пл поверхности, я тся из медных или алюминиевых тонких мной ыж хности Оы ~м т листов и надежно пр овной п ипаиваются к основной п ви е отбыть гладкими или р фл ифлеными. Ре ра м стинча- , кото ые распола гаются в канале пла дельных таин~~, р , а тактого теплообмениика в шахматном или ских шипов, которые при паяических или конически Теплообменннки такими еб ами на- поверхности нагрева.
Тепло ме ныкп оотаыв аются игольчагиыми. лены зависимое ти коэффициента тепл На рис. 15.5 сопостав я п иходящейся на е диницу одной сторон > оачи от мощности трения, р в теплообменников. дачи ля азличных видов т ти нарабочей поверхности, д р ны удельной поверхности значения типов по р ве хностей и величины ти теплообменника,, д ' аны греза, отнесенные к объ у ем однои полости в табл. !5.1. 4вз !б звв.
зз Таблица 16-1 Обозннне- ине мчм' тип поверхности Внутренняя поверхность круглых труб. Пряные игольчатые ребра Ребристые трубы . Плоские ребра жалюзного типа Гофрированные ребра, Пряные плоские ребра 682 800 1000 1200 1680 1840 Х О ГГ бнггум1:Лолу 16 1ра 10о 1,0 Рпс. 15.6 10 лгуна, н5п 1вгь Из рис, 15.6 видно, что при одинаковом сопротивлении коэффициент теплоотдачи для ребристой стенки !отнесенный к основной поверхности) в 1,7 — 5,5 раза больше, чем для внутренней поверхности круглых труб. ГЛАВА ХЧ! ТЕПЛОВАЯ ЗАШИТА % 1.
Коивективиое охлаждение При конвективном охлаждении стенка, соприкасающаяся с горячим потоком, с другой стороны омывается холодным газом или жидкостью. При заданных температуре горячего газа и условиях 466 В авиационной и ракетной технике часто возникает необходимость защитить стенки конструкции от воздействия высокотемпературного газового потока.
Они могут быть защищены от перегрева жаростойкими, оплавляющимися или сублимирующими покрытиями или посредством конвективного, пористого, пленочного и заградительного охлаждения. теплообмена его с поверхностью температурное состояние стенки зависит от температуры охладителя и интенсивности его теплообмена со стенкой. Повышение интенсивности теплообмена между охладителем и стенкой позволяет приблизить температуру стенки к температуре охладителя. Например, при кипении охлаждающей жидкости на поверхности стенки получаются большие коэффициенты тепло- отдачи и создаются благоприятные условия охлаждения. При использовании газообразного охладителя отобранная от стенки теплота расходуется на его нагрев, а при использовании жидкости — на нагрев и испарение.
В зависимости от способа рассеивания теплоты, полученной охладителем, в окружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяют на з а м к и у т ы е и р а з о м к н ут ы е. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получивший теплоту от горячей стенки, рассеивает ее в окружающую среду илн передает другому теплоносителю. В этом случае вес системы охлаждения не зависит от времени ее эксплуатации. Одной из разновидностей разомкнутой системы является испарительное охлаждение, где теплота поглощается вследствие испарения жидкости. При такой схеме охлаждения пар отделяется от жидкости в сепараторе и выбрасывается в окружающую среду.
Для уменьшения расхода охладителя желательно, чтобы он имел высокую теплоту испарения. Наиболее пригодными для этих целей жидкостями являются вода (г = 2260 кдж/кг), метиловый спирт (г = 1120 кдж1кг), этиловый спирт (г = 853 кдж1кг)*. Прн высоких допустимых температурах стенки для охлаждения с испарением могут применяться расплавленные металлы, которые обладают большой теплотой испарения, Например, литий имеет г = 20 500 кдж/кг (при нормальном атмосферном давлении температура его плавления 182' С, температура кипении 1320' С). Оценку температурного состояния охлаждаемой стенки можно сделать по расчетным соотношениям теплопередачи (глава П1), а расчет теплообменника — по методике, рассмотренной в предылушей главе.
Конвективное охлаждение используется в жидкостных ракетных двигателях. Здесь применяется система разомкнутого типа: использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру двигателя и там сгорает. Кроме жидкостных ракетных двигателей, конвективное охлаждение используется также при создании высокотемпературных турбин и высотной радиоаппаратуры. Для охлаждения лопаток газотурбинного двигателя возможно использование разомкнутой воздушной системы или замкнутой жидкостной системы. Для охлаждения радиоаппаратуры можно применять разомкнутую воздушную систему или конвективное испарительное охлаждение. ' Теплота испарения г дана при нормальном атмосферном давлении и температуре кипения.
461 16" й 2. Тугоплавкие теплоизолирующие покрытия Слой теплоизоляциоииого материала, нанесенный иа защищаемую стенку со стороны горячего газа, в нестационарных условиях нагрева приводит к снижению температуры стенки. В стационарных условиях теплоизоляция приводит к желаемому эффекту только при наличии системы конвективного охлаждения. Влияние слоя теплонзолятора на температурное состояние стенки при стационарном режиме теплообмена иллюстрируется рис.
1б. !. Введение теплоизоляционного слоя при неизменных температурах сред и коэффициентах теплообмена с обеих сторон стенки увеличивает внутреннее термическое сопротивление и уменьшает тепловой поток. Вследствие этого повышается температура на наружной поверхности тепло. изоляции по сравнению с температурой поверхности незащищенной стенки, понижается температура на ее внутренней поверхности и уменьшается темпеРис. 16! ратурный градиент в защища- емой стенке. Рост температуры наружной поверхности увеличивает ее излучение, что приводит к дополнительному уменьшению коэффициента теплопередачи и теплового потока.
Для стационарных тепловых режимов качество изоляции улучшается с уменьшением коэффициента теплопроводности, а для нестационарпых — с уменьшением коэффициента температуропроводности. Важными качествами таких покрытий являются высокая температура плавления, способность противостоять термическим напряжениям, которые возникают при больших температурных градиентах, хорошая сцепляемость (адгезия) с материалом защищаемой стенки. В качестве материалов для покрытий используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам н др.), металлокерамика (окиси, карбиды, нитриды металлов), графит, Температура плавления или разложения этих материалов 2000 †35' С Температурное состояние стенки с теплоизолирующим покрытием в стационарных условиях определяется расчетными соотношениями теплопередачи.
Однако чаще эту задачу приходится решать для иестационарных условий. В этом случае задача расчета состоит в том, чтобы выбрать такую толщину покрытия, которая при известном времени работы конструкции не допустит перегрева рабочей стенки. Эту задачу можно решать в одномерной постановке, применив дифференциальное уравнение (4.!О) к стенке и слою теплоизоляции с учетом того, что в месте соприкосновения в любой момент времени 468 их температуры одинаковы, а градиенты температур связаны урав- нением (индекс п относится к покрытию) (Рб 1) Разработана упрошенная методика определения температуры в месте соприкосновения стенки с покрытием Гс„основанная на предположении о том, что тепловым сопротивлением стенки по сравнению с тепловым сопротивлением покрытия можно пренебречь (т.
е. принять ) - сс). Полученное на основе этой предпосылки аналитическое решение оказалось сложным и ие приемлемым для практических расчетов. С помощью безразмерного комплекса р = — + — -'-— ! ! ! (16.2) = в! к ' кв; это решение удалось заменить приближенным выражением — Ес'Ф~ 0 — ест Ч-т 2ре ' тес Ф! 0 — !ст е~~ 1+ Р+ Р' Ф! с (16.3) где Ԅ— положительные корни трансцендентного уравнения Фт(яФ,= — ' (1 6.4) и Здесь числа Ро и В1 подсчитываются по параметрам теплоизолирующего слоя, а К=— Рс сс сп Рст с ст сст Результаты вычислений, выполненных по формуле (16.3), удовлетворительно аппроксимируются выражением 1д 6= 0,0212 — ' Го.
и+0,4 При !т = 0,2 — 20 разница в величинах О, вычисленных по выражениям (16.3) и (16.5), не превосходит 2%. Тугоплавкие покрытия применяются для защиты таких элементов конструкции, которые в процессе работы не должны изменять своей формы и размеров.
К таким элементам относится, например, горловина сопла ракетного двигателя. $3. Аблируюцгие покрытия Кроме тугоплавких покрытий, широкое применение в технике получили теплозашитиые материалы, которые разрушаются в процессе их взаимодействия с горячим газовым потоком. При нагреве поверхность теплозащитиого покрытия может оплавляться, субли- мировать, разлагаться с образованием газообразных продуктов разложения и твердого обугленного слоя. Продукты разрушения теплозащитного покрытия уносятся с поверхности горячим газовым потоком, поэтому поверхность теплообмена в процессе работы перемещается в глубь покрытия со скоростью и. Совокупность процессов, протекающих на поверхности разрушающегося покрытия в процессе его работы, называется абляг(ией.
Важная особенность работы аблпрующих теплозащитных покрыти й состоит в том, что основная доля теплоты, которая от газа подводится к поверхности теплообмена, расходуется на фазовые и химические превращения и только часть ее отводится внутрь конструкции. При этом вдувание паров и газообразных продуктов разложения покрытия в пограничный слой горячего газа приводит к уменьшению теплового потока к поверхности теплообмена. Одной иэ важных характеристик аблирующего покрытия является теплота абляции г„которая представляет собой теплоту, поглощенную единицей массы унесенного вещества.
Если за единицу времени к единице поверхности, находящейся при температуре абляции, от горячего газа подводится теплота д, а отводится излучением диа а и теплопроводностью внутрь покрытия даи, при этом с поверхности уносится да„кг/(сяз сея) теплозащитного вещества, то формула для г, имеет вид Ч ч вал чаи (1 6. 6) д~ Величина га отражает свойство аблирующего покрытия поглощать теплоту, ио не учитывает защитного эффекта, обусловленного вдуванием продуктов разрушения покрытия в пограничный слой зорячего газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
