13.1. Конвективное охлаждение

При конвективном охлаждении стенка, соприкасающаяся с горячим потоком, с другой стороны омывается холодным газом или жидкостью. При заданных температуре горячего газа и условиях 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.

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 замкнутые и разомкнутые. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получивший теплоту от горячей стенки, рассеивает её в окружающую среду или передаёт другому теплоносителю. Одной из разновидностей разомкнутой системы охлаждения является испарительное охлаждение, где теплота поглощается вследствие испарения жидкости. При такой схеме охлаждения пар отделяется о т жидкости в сепараторе и выбрасывается в окружающую среду.

Рис. 13.1. Физическая картина процесса конвективного охлаждения

При конвективном охлаждении (рис. 13.1) стенка, соприкасающаяся с горячим газом (или другим источником теп­ла), имеющим температуру² t_г и коэффициент теплоотдачи α_г, с другой поверхности омывается охладителем с температурой t_ох и коэффициентом теплоотдачи α_ох. Параметры системы охлаждения должны обеспечивать такие условия теплообмена, при которых температура поверхности стенки со стороны газа (t_ст.г) не превышала бы допустимую величину.

Из формулы Ньютона

(13.1)

Считая стенку плоской можно записать:

Тогда:

(13.1')

Для оценки эффективности охлаждения рассматривают величину:

(13.2)

которую называют безразмерной температурой стенки или относительной глубиной охлаждения. Она показывает долю располагаемого температурного напора t_г ^_ t_ох, реализуемого в системе охлаждения. Безразмерная температур может менять­ся в пределах от θ = 0 (охлаждения нет, t_{cт г} = t_г) до θ = 1 (предельная глубина охлаждения, t_{ст г} = t_ох).

Подставляя величину t_{ст г} из (13.1') в (13.2), найдем без­размерную температуру стенки при конвективном охлаждении:

(13.2')

Видно, что уменьшение температуры стенки (13.1'), а сле­довательно, и рост глубины охлаждения (13.2) возможны понижением тепловых сопротивлений стенки и охладителя .

Поэтому из условия охлаждения стенки целесообразно уменьшать, её толщину (если это допустимо из условия прочности), приме­нять материалы с высоким коэффициентом теплопроводности (при достаточной их термостойкости) и повышать величину α_ох. Уменьшение температуры возможно также путём понижения тем­пературы газа и повышения его теплового сопротивления (т. е. уменьшения α_г). Однако возможности воздействия на эти ве­личины обычно ограничены или связаны с применением других способов тепловой защиты, которые рассмотрены ниже.

Формулы (13.1') и (13.2') получены для плоской гладкой стенки. В общем случае стенка, разделяющая газ и охлади­тель, может быть неплоской, вследствие чего поверхности, омы­ваемые газом и охладителем, неодинаковы. Кроме того, поверх­ность стенки со стороны охладителя может быть снабжена ребра­ми. Для учёта этих особенностей ввёдем в соответствующие фор­мулы коэффициент k_ф, который будем называть коэффициентом формы. Тогда формулы для t_{ст г} и θ приобретают вид:

(13.1'')

(13.2'')

Величина k_ф определяется по геометрическим характеристикам стенки. Например, для плоской стенки, снабжённой ребрами (формула 10.45).

где η_p – коэффициент эффективности оребрённой поверхности.

Конвективное охлаждение используется для охлаждения, горячих деталей двигателей (камер сгорания, дисков и лопаток газовых турбин, выходных сопел и др.); оно может быть приме­нено для охлаждения элементов летательных аппаратов, отвода тепла от радиоэлектронной аппаратуры и элементов электро­оборудования.

Конвективное охлаждение, например, используется в жидкостных ракетных двигателях. Здесь применяется система разомкнутого типа: использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру двигателя и там сгорает.

Для охлаждения лопаток газотурбинного двигателя возможно использование разомкнутой воздушной системы (рис. 13.9; 13.11; 13.12; 13.13) или замкнутой жидкостной системы.

Для охлаждения радиоаппаратуры можно применять разомкнутую воздушную систему или конвективное испарительное охлаждение.