Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Общая схема передачи теплоты На рис. 23.6 показана схема передачи теплоты от газа к охладителю через разделяющую стенку. Рассмотрим стационарный режим теплоотдачи. В тепловом пограничном слое газа толщиной бг теплота от газа передается к стенке. Уравнение этого процесса имеет вид (23.5). Через стенку теплота передается за счет теплопроводности, что описывается уравнением (23.8) где Х„ — среднее значение коэффициента теплопроводности материала стенки, обычно вычисляемое при средней температуре стенки. Уравнение (23.8) записано с некоторыми допущениями, а именно: тепловой поток принят одномерным, распространяющимся только по нормали к стенке (по радиусу); стенка считается плоской, в связи с этим не учтено различие в площадях внутренней и внешней поверхности стенки, а величина д принята неизменной.
Эти допущения мало отражаются на результатах расчета. В тепловом пограничном слое охладителя (хладоагента) толщиной бх теплота передается от стенки в охладитель и температура снижается от Т„х до Т,. Уравнение этого процесса имеет вид «) = — а, (Т„,, — Тх), (23.9) где ««„ — коэффициент конвективной теплоотдачи от стенки к охладителю. Совместное решение уравнений (23.5), (23.8) и (23.9) позволяет получить уравнение теплопередачи от газа к охладителю через разделяющую стенку: (23.10) сст + ««г Хст ««х Величина (23.
11) ««г Хст «хх представляет собой термическое сопротивление теплопереходу от газа к охладителю. Она состоит из термических сопротивлений газа 1/а„, стенки Ь„й„и охладителя !/««„. При характерных для современных ЯРД значениях величин, входящих в формулу (23.11), влияние термического сопротивления газа на допустимую температуру стенки наиболее значительно. 231 23.3.2. Передача теплоты через стенку Уравнение теплопроводиости (23.9) можно разрешить относительно температуры Т„ (23.И) лот Увеличение толщины стенки повышает ее термическое сопротивление и согласно уравнению (23.
!0) несколько уменьшает плотность теплового потока, Одновременно увеличивается температура стенки со стороны газа (23. (3) г Увеличение коэффициента теплопроводности уменьшает тер!йическое сопротивление стенки и увеличивает допустимую плотнсиггь теплового потока, которую может пропускать стенка без переграйа. В связи с этим изыскание высокотеплопроводных материалов для охлаждаемой стенки камеры составляет важную задачу материаловедения. 23.3.3. Теплоотдача в охладнтель В качестве охладителей при наружном проточном охлаждении используют и горючее, и окислители.
Применение горючих предпочтительнее, так как они не создают агрессивной среды. Однако расход горючего всегда меньше, чем окислителя, и его может оказаться недостаточно. В связи с различием свойств охладителей и условий применения их в охлаждающем тракте возможны различные режимы тепло- отдачи. На рис. 23.7 эти режимы классифицированы в зависимости от давления и температуры охладителя по отношению к его критическим параметрам. Стрелками в поле графика показано на- правление изменения паранет- 1!3ар ров охладителя в тракте охла- В Е ждения. Рлрлр Т'еТлр Р РлртТ Трр Прн докритических темпе- В ратуре и давлении (режим А) г~~ нл охладитель может находиться или в жидкой, или в паровой фазах.
Границей этих состояний служит зависимость давления РерлртТиТлр ! Рлр; ТьТР насыщенного паРа от темпе- ратуры р<'> = 7 (Т) или, что Х4а)Гмгва 601 1 вы то же самое, зависимость тем- Лр э Везя Г03 пературы кипения от давления В 7а Тгр 23.7. Режимы теплоотдачи в ойлааи- «Р тель Компонепт Хере«тетиве режпмм тепаоотдечн Керосин Водород Аммиак Гидразии Диметилгидразии Четырехокись азота Перекись водорода (90 ... 98 ео) Кислород А, В В, С А, В, С А, В А, В А, В А, В В, С :»Закономерности теплоотдачи в охладитель можно сгруппировать в три характерных вида. 1. Жидкий однофазныи охладитель (часть режимов А при Тек, < Т „, все режимы В), Режим движения жидкости в тракте охлаждения, как правило, турбулентный. В этом случае для расчета нагрева жидкости обычно применяют известную критериальнув зависимость М.
А. Михеева: Ргот / где.'е, — коэффициент, учитывающий влияние теплового начального участка; е, ) 1, если 1/с( < 50; значения е, приводятся в руководствах по теплопередаче. Возможно использование формулы Нуссельта — Крауссольда, близкой к зависимости М. А. Михеева: )Чц = 0,023 ме'„' Рта'. (23.15) (23.14) В критериях с индексом «ж» свойства охладителя берутся при средней температуре жидкости, с инделсом «ст» — прн температуре стенки со стороны охладителя. 253 Т „= / (р). Возможно и двухфазное состояние охлади„теля, механизм возникновения которого будет рассмотрен ниже. 11ри сверхкритнческом давлении и докритической температуре (режим В) охладитель представляет собой однофазную капель:чьую жидкость.
При сверхкритических давлении и температуре (режим С), а также при условиях режима В охладитель находится в газообразном состоянии. Режимы теплоотдачи одного и того же охладителя могут быть различными в зависимости от условий в охлаждающем тракте. Возможно, как это показано на рис. 23.7, что в тракт охлаждения поступает жидкий компонент при докритической температуре, затем он нагревается до сверхкритической температуры и далее становится газообразным охладителем (стрелки показывают направление изменения параметров охладителя при движении). Ниже указаны наиболее характерные режимы теплоотдачи в топлйвные компоненты.
,т кэй'м/агс" х 4тз аор брр грр гбр б /г -гбб -гбг -/гб -/еа -еб б еа бб /гб /бб грр т;с 23.8. Зависимость компленса теплофиэических свойств й„с от температуры для некоторых компонентов топлива: 1 — вода; 2 — этиловый спирт )00 %; Э вЂ” керосин; 4 — тонна-250; 4 — несимметричный диметнлтидразин; 4 — метнлтндрачин; 7 — гидразии; э — аэрозин; э — аммяан (а — на линни насыщени», б — при давлении 20 Мпа); /Π— водород (жидкий): 1/в азотная кислота 99 %; /2 — 90 % ИМО, + 20 % М,ОЛ 14 — четырехокнсь азота (а на пиния насыщемня, б — при давлении )О Мпаи /4 — «нслород (жидкий): /Б — пере. ннсь водорода )00 % Обе зависимости требуют уточнения, так как они не отражают влияния таких факторов, как форма поперечного сечения и кривизна канала, неравномерность нагрева и т.
п. Критериальные зависимости можно разрешить относительно коэффициента теплоотдачи. Например, из зависимости (23.15) получаем «»щ = 0,023 2 й>п, )о.в (23.16) э где ((, — эквивалентный диаметр канала охлаждающего тракта. В комплекс й сгруппированы теплофизические свойства, зависчщие для данной жидкости только от температуры: йщ )ь (с»/Ч ) 0,0 0,4 На рис. 23.8 приведены значения комплекса теплофизических свойств й в зависимости от температуры для некоторых компонентов ракетных топлив. 2. Жидкий охладитель в режиме пузырькового кипения (часть режимов А при Тнип < Т„, < (Тии, + ЬТ,р).
Механизм пузырькового кипения кратко может быть описай следующим образом. Если температура стенки со стороны охладителя Т„., на несколько десятков градусов превышает температуру кипения охладителя при данном давлении, то основная масса потока (ядро) не закипает, но в пристенном слое появляются пузырьки пара.
264 зэтх Зависимость ста от Та Основной поток смывает пузырьки с поверхности стенки, и они конденсируются в более холодных слоях жидкости. Такое движение пузырьков интенсифицирует турбулентный перенос теплоты от стенки через пограничный слой к основному потоку и, следовательно, увеличивает коэффициент теплоотдачи от стенки в охладитель. Значение сс, прн пузырьковом кипении может быть значительно больше, чем на режиме без парообразования.
Однако возрастание ав продолжается лишь до определенного значения перегрева стенки таТ„в = Т„,, — Т„„„, при котором многочисленные пузырьки начинают сливаться в сплошную пленку пара, изолирующую охладитель от стенки. Переход пузырькового кипения в пленочное носит название кризиса теплоотдачи при кипении. При наступлении кризиса коэффициент теплоотдачи резко падает, а температура Т„ „ возрастает. Общая теплоотдача в охладитель значительно уменьшается, в результате недопустимо возрастает Т„ „. Качественно описанная зависимость а, от ЛТ приведена на рис.
23.9. Значение ЬТ,р, соответствующее максимуму сс„является предельно допустимым. Соответствующее ему значение плотности теплового потока, максимально возможной при пузырьковом кипении, называют п е р в о й к р и т и ч еской плотностью теплового потока ттр. На режиме пузырькового кипения такие наиболее важные параметры, как а,р, тьТ,в, тт,р, для каждого охладителя находят экспериментально. Велйчинй д,р и таТ,в наиболее существенно зависят, от скорости охладителя, увеличиваясь с ее возрастанием, а также от разности между температурой кипения и средней температурой в жидкости, от давления в тракте охлаждения и от геометрии тракта.
3. Газообразный охладитель(режимы С и 0). Охлаждение газами представляет большой интерес, особенно в связи с применением топлива О, + Н,. При использовании криогенных компонентов в качестве охладителей большая часть теплосъема приходится на газовое состояние. Охлаждение водородом может быть весьма эффективным благодаря высокой теплоемкости охладителя и возможности значительного его подогрева. Методы расчета теплоотдачи для условий, характерных в охлаждающем тракте ЖРД, основаны на экспериментальных данных. Для развитого турбулентного движения при больших температурных градиентах (Т,(Т„р ) 2) можно испольэовать критериальное уравнение Хцв = 0,023 мев' Рг" ,(Та/Тат.,~)", 23,! О.
Некоторые формы охлаждающих трактов величины с индексом «х» следует определять при средней температуре охлаждающего газа. Более надежные данные в широком диапазоне условий применения газов в качестве охладителей можно получить лишь экспериментом. 23.3.4. Эффективность оребрения охлаждаемой поверхности Охлаждающий тракт камеры нли газогенератора — это совокупность каналов, Ю которые либо образованы внутренней и наружной оболочками, соединенными между собой ребрами (проставками), либо представляют собой трубчатую конструкцию (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
