Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Расчеты по первой и второй формулам дают близкие результаты. Поэтому в расчетной практике обе формулы могут быть использованы с одинаковым успехом. На практике обычно на основе приведенных соотношений получают рабочие формулы, которые удобны для использования в расчетах. Для этого критерии в приведенных выше соотношениях раскрывают и решают уравнения относительно коэффициентов теплоотдачи. Если подставить (11.101), (11.102) в соотношение (11.104), то можно решить его относительно коэффициента теплоотдачи от стенки в в жидкость: а = 0 023(р)Р)о,вК/с (11.107) 392 Наконец, экспериментальные исследования теплообмена с большими тепловыми потоками показали некоторую зависимость интенсивности теплообмена от направления теплового потока.
Согласно данным Б. С. Петухова и В. В. Кириллова при нагревании жидкости в канале показатель отношения чисел Прандтля надо брать равным / = 0,11, а при охлаждении / = 0,25, как и предлагает М. А. Михеев. При течении жидкости по изогнутому каналу с радиусом Я из-за влияния инерционных сил возникает в поперечном сечении канала так называемая вторичная циркуляция„интенсифицирующая тепло- обмен.
Учет этого производится поправочным коэффициентом, например, еа = 1 + 1,8оИх. При течении потока в канале с шероховатыми стенками в некоторйх случаях теплообмен интенсифицируется из-за турбулизирующего влияния бугорков шероховатости. Учет влияния шероховатости производится поправочным коэффициентом е ) 1. Таким образом, в общем случае критериальная зависимость (10.103) записывается в виде 5(п = А йе" Рг'" в,вав . (11.103а) , Кроме указанных поправочных коэффициентов могут быть и другие, учитывающие специфические факторы, влияющие на интенсивность теплообмена в тех или иных конкретных условиях.
Основные соотношения, которые используют при расчетах тепло- обмена между горячей стенкой и охлаждающей жидкостью: 1) Нуссельта — Крауссольда воспользовавшись (11.100), получаем равенство для вычисления воспринимаемого теплового потока охлаждающей жидкостью: Чж = О 023 (РФ) ' (К/</г' ) (7 ст,ж — 7 ж) ° (11.108) где комплекс физических параметров охладителя К = с, о'в~Рго'о = со,в1о,в о,в (11.109) Здесь р — кгlм', сг — Дж/(кг град); Х вЂ” Дж/(м с град); Р— Н с/м'; и — Дж/(мв с град) и д — Дж/(м' ° с) или Вт/м'. Как видно из полученных соотношений, при течении охлаждающей жидкости в канале постоянного гидравлического диаметра воспринимаемый ею тепловой поток пропорционален массовой скорости (ил 10) р%'= т/Р (в степени 0,8), комплексу физических параметров К и разности температур (Т„...„— Т ).
Причем в равных условиях рФ' = сопз(; Т„. — Т = сопв1 (11.111) та жидкость будет снимать больший тепловой поток, которая имеет большее значение комплекса К. Отсюда комплекс К в некотором смысле характеризует свойства жидкости как охладителя. Поскольку физические параметры с, Х и р зависят от температуры, то и комплекс К также зависит от температуры. Однако для того чтобы более полно выявить охлаждающие свойства различных компонентов, необходимо провести анализ с учетом перепада температур, который неодинаков для всех жидкостей, а также учесть массовую скорость ров, которая определяет не только тепловой поток, но и влияет на гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта, величина которого в большинстве случаев не безразлична.
Если ввести скоростной напор р = РФ"/2, (11.112) которому пропорционально гидравлическое сопротивление, то выражение (11.108) для теплового потока, воспринимаемого жидкостью, будет у„, = 01023(2рр) '(К/~$,"')(7;,„,— Т ). (1 .113) Из (11.113) видно, что величина воспринимаемого теплового потока пропорциональна комплексу (11. 114) Таким образом, если учитывать гидравлическое сопротивление, то комплекс К' лучше характеризует охлаждающие свойства компонентов, чем комплекс К = )Рос~~'/(во' который характеризует охлаждающие свойства при одинаковой массовой скорости рЖ' = т/Р.
В табл, 11.1 в порядке изменения о/ приведены значения тепловых потоков, воспринимаемых различными компонентами при разности 393 И' я ю О $ Ю о Ф о й и а~ 0 8. й Ю О о о Ю 4 и Х и м Л Р м о й о о о м % 393 394 температур /ХТ = 200' и скоростном напоре р = 0,02; 0,2 и 2,0 МПа. Как видно из таблицы, наилучшими охлаждающими свойствами в принятых условиях обладают аммиак и вода при скоростном напоре Р = 2,0 МПа, что соответствует скорости течения компонентов соответственно 81 и 63 м/с; аммиак и вода воспринимают тепловые потоки: дпн = 66'5 ° 10' Вт/м', дно =142 2 '10%вт/м'.
Существенно более низкими охлаждающими свойствами обладают распространенные горючие — несимметричный диметилгидразин и углеводородное; при тех же условиях со скоростями течения порядка 72 — 70 м/с они воспринимают тепловые потоки: дидмг = 16,8 10э, Вт/м', д „„„,„= 8,6 10а Вт/мз. Водород, как это видно из табл. 11.1, в зависимости от его температуры воспринимает тепловые потоки в пределах от д = 31 ° 10$Вт/мз до д, = 25 ° 10а, Вт/м'.
~ н, Однако в отличие от других жидкостей водород не боится перегрева стенки, поскольку при давлении в охлаждающем тракте р > ) Р„р — — 1,3 МПа водород не имеет двуфазности с резким различием теплофизических характеристик и соответственно охлаждающих свойств фаз. Поэтому при водороде температуру стенки со стороны охладителя можно иметь значительно большую, чем при других жидкостях.
Тогда воспринимаемые тепловые потоки могут быть увеличены по сравнению с приведенными в табл. 11.1 в два раза и больше. Таким образом, увеличивая температуру стенки и соответственно разности температур Л/ = ҄— Т„„видим, что водород является наилучшим охладителем.
При рассматриваемом скоростном напоре р = 2,0 МПа скорость течения водорода будет находиться в пределах 237 м/с при жидком состоянии и до 700 м/с при газообразном в зависимости от температуры. Учитывая, что скорость звука в водороде порядка 1200 — 1300 м/с, убеждаемся, что скорость течения 700 м/с является дозвуковой. Однако каккми бы ни были значения воспринимаемого теплового потока охладителем д,„, охлаждающие возможности всех компонентов, включая и водород, ограничены опережающим ростом гидравлических потерь в тракте (воспринимаемый тепловой поток Ра', гидравлические потери р).
Поэтому, как правило, возможностей охладителя прп разумных гидропотсрях не хватает, чтобы обеспечить охлаждение' стенки без внутреннего охлаждения. Следует заметить, что приведенные выше теплотехнические зависимости не отражают полностью специфические условгя теплообмена в ЖРД между стенкой и жидкостью. Поэтому в расчетной практике для определения а„, и д иногда используют специальные соотношения, полученные опытным путем при теплоотдаче в тот или иной охладитель с учетом температурного режима стенки.
Наконец, рассматривая возможность приспособления теплообменных зависимостей типа (11,104) к расчету теплообмена между газом и стенкой в условиях )КРД, надо отметить, что здесь встречаются большие трудности, которые так нли иначе пытаются преодолеть. Основанием для этого служит, как сказано в начале главы, то, что если рассматривать вопросы теплообмена в пограничном слое течения без скачков уплотнения, то между сверхзвуковыми и дозвуковыми течениями и между течениями газа и течениями жидкости никаких качественных различий не обнаруживается. Между всеми этими случаями имеются лишь качественные различия, вызванные большей или меньшей зависимостью теплофизнческих параметров р, ср, Х и р, от температуры и давления.
Поэтому вполне можно предположить, что одни и те же закономерности можно использовать для расчета теплообмена как для течения жидкости, так и для течения газов с большими сверхзвуковыми скоростями, если только правильно учесть зависимость теплофизических параметров от температуры и давления. Методы расчета теплообмена в )КРД на основе теплообменных соотношений, полученных методами теории подобия, были в свое время разработаны М. В.
Мельниковым и А. М, Долгопятовым и успешно использовались в расчетной практике. Получили также известное распространение аналогичные соотношения Барца. й 11,6. лучистыи теплООБмен В кАмеРе жидкОстных РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Лучистый теплообмен связан с поглощением стенкой лучистой энергии и превращением ее в тепловую. Носителями лучистой энергии, как известно, являются электромагнитные колебания или поток частиц — фотонов. Для лучистого теплообмена имеют значение те лучи, которые возникают при нагреве тела и определяются его температурой и оптическими свойствами. Такими лучами являются главным образом лучи видимого и инфракрасного спектра, что соответствует длинам волн соответственно (0,4 — 0,8) 10' и (0,8 — 800) х х 10» мм.
Эти лучи называются тепловыми, а процесс их распространения — тепловым излучением или радиацией. Тепловое излучение свойственно всем телам, температура которых выше абсолютного нуля. При попадании излучения на любое тело лучистая энергия может частями или поглощаться, нлиотражаться, или проходить сквозь тело. В науке о радиационном теплообмене вводят следующие «крайнис» представления о свойствах тел воспринимать лучистую энергию: абсолютно черное тело — вся падающая энергия полностью поглощается; абсолютно белое тело — вся падающая энергия полностью отражается; абсолютно прозрачное тело — вся падающая энергия полностью проходит сквозь тело.
Естественно, что эти представления чисто условные, в природе таких тел нет. Все реальные тела обладают этими свойствами в неполной степени, хотя почти все твердые и жидкие тела можно считать для тепловых лучей практически непрозрачными — серыми; они частично поглощают, частично отражают. Согласно закону Стефана — Больцмана, который строго применим только к излучению абсолютно черного тела, полное количество энергии, излучаемой в 1 с с 1м' любым серым телом, выражается в следующей форме: |/ = С(Т/100)4 «Со (Т/100)4 (11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
