Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-3

131

Проверьте, как Вы усвоили материал

1.Дайте определение теплообменному аппарату.

2.Назовите основные типы теплообменных аппаратов: а) по принципу действия; б) по виду применяемых теплоносителей;

в) по целевому назначению.

3.Перечислите какие бывают рекуперативные теплообменные аппараты в зависимости от направления движения теплоносителей?

4.Назовите основную задачу проектировочного расчёта теплообменного аппарата.

5.С какой целью проводится проверочный тепловой расчёт теплообменного аппарата.

6.Назовите основные уравнения, которые лежат в основе анализа процесса

ирасчёта рекуперативного теплообменного аппарата.

7.Что такое водяной эквивалент? Как зависит изменение температуры теплоносителей в теплообменнике от их водяных эквивалентов?

8.Сравните между собой средний температурный напор противотока ( t

против), перекрестного тока ( t перекр ) и прямотока ( t прям).

9.От каких факторов зависит площадь рабочей поверхности теплообменного аппарата?

10.Назовите основные способы повышения эффективности теплообменных аппаратов. Приведите несколько примеров.

132

ТЕМА 13. МЕТОДЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

Часто элементы конструкции летательных аппаратов, их силовых установок, энергетического и радиоэлектронного оборудования испытывают воздействие высоких температур, значение которых может превосходить допустимую величину.

Вэтом случае они снабжаются специальной тепловой защитой. Основной задачей тепловой защиты является создание таких условий работы деталей, при которых их температура не превосходила бы допустимую величину.

Внастоящее время используются разные способы тепловой защиты. В одних эта основная задача решается путем отвода тепла от стенки в охладитель (обычно, холодный газ или жидкость), в других – применением теплозащитных покрытий и в-третьих – созданием заградительного защитного слоя охладителя между стенкой и источником тепла. Нередко отдельные способы применяются совместно. Далее приступим к рассмотрению способов тепловой защиты.

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.

Взависимости от способа рассеивания теплоты, полученной охладителем,

вокружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяют

135

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 kф, который будем называть коэффициентом формы. Тогда формулы для tст г и θ приобретают вид:

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

kф ρ

где ηp – 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.

136

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.

13.2. Пористое охлаждение

При пористом охлаждении стенка имеет большое число мелких отверстий, равномерно расположенных по поверхности. Такая стенка называется проницаемой или пористой. Через отверстия охладитель (холодный газ или жидкость) вдувается в пограничный слой горячего газа, обтекающего стенку. Поток охладителя характеризуют расходонапряженностыо, т.е. расходом, приходящимся на 1 м2 поверхности:

Вытекающий из отверстий охладитель уменьшает скорость и температуру внешнего газового потока у стенки и увеличивает толщину пограничного слоя.

Поэтому уменьшается теплоотдача от горячего газа в стенку. На рис.13.2 показаны границы пограничного слоя и профили скорости в нём при вдуве охладителя в пограничный слой (сох > 0) и без него (cох = 0).

Рис.13.2. Физическая картина процесса пористого охлаждения

137

Обозначим:

г ,

г0

где αг и αг0 – коэффициенты теплоотдачи от газа на проницаемой и сплошной стенках соответственно.

Безразмерный коэффициент теплоотдачи характеризует степень влияния вдуваемого охладителя на интенсивность теплообмена. Чем больше расходонапряжёность gох, тем сильнее это влияние и поэтому меньше . С

другой стороны, коэффициент αг0 зависит от плотности тока горячего газа cг г .

Поэтому величина является функцией отношения:

A gох .

cг г

Более детальный анализ теплоотдачи на проницаемой пластинке показывает, что вместо величины A удобнее рассматривать эквивалентный ей параметр проницаемости B:

пограничный слой горячего воздуха различных газов (1 – фреон, 2 – воздух,3 – гелий).

Видно, что уменьшение молекулярной массы охладителя понижает интенсивность теплоотдачи. Это объясняется тем, что газы с меньшей молекулярной массой имеют больший удельный объём и большую теплоёмкость.

139

охладителем. Найдем температуру “горячей” поверхности стенки tcт.г. Если принять, что стенка имеет большое число равномерно распределенных мелких отверстий, то можно считать температуры стенки и охладителя и каждой точке одинаковыми. Следовательно, проходя стенку, охладитель нагревается до температуры tст.г. Тогда количество тепла, воспринятого охладителем в стенке

(qoх), равно:

где tох, Сp.ох – температура охладителя на входе и систему охлаждения и теплоёмкость охладителя.

Если охладителем служит жидкость, то в (13.5) нужно учесть теплоту испарения.

Плотность теплового потока от горячего газа к стенке определяется формулой Ньютона:

На стационарном режиме q = qох, поэтому:

gох Сp.о. tст г tох г tг tст г ,

откуда:

На рис.13.4 для примера показана зависимость tст г и θ от расходонапряжённости охладителя при вдуве холодного воздуха в горячий.

140

Уменьшение tстТг, а следовательно, повышение θ, с ростом gох вызвано, с одной стороны, уменьшением теплоотдачи в стенку (из-за понижения αг) за счет вдува охладителя в пограничный слой и, с другой — интенсификацией отвода тепла от стенки в охладитель.

Рис. 13.4. Зависимость температуры “горячей” стенки tст г и относительной глубины охлаждения θ от расходонапряженности охладителя qохл

По расходу охладителя на каждый квадратный метр защищаемой поверхности пористое охлаждение более эффективно, чем конвективное

(разомкнутая система), заградительное (плёночное) охлаждение (рассматривается в вопросе 13.3.). Но его применение связано со сложностью изготовления пористых стенок. Кроме того, при эксплуатации такой системы необходимо принимать меры для очистки охладителя, чтобы избежать засорения пор.

Пористое охлаждение можно использовать для защиты отдельных элементов летательных аппаратов или жидкостных ракетных двигателей. На рис. 13.10. показано применение этого способа охлаждения лопатки газовой турбины.