Вязкостная диссипация при течении теплоносителем через пористые полимеры

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

Казанский национальный исследовательский технический университет  им. А.Н.Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ)















ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕК

  «Вязкостная диссипация при течении теплоносителем через пористые полимеры.»























                                                                      Выполнил: Хабиров И.Д.                                                              Специальность: 
Теплоэнергетика и теплотехника                                                                                           Группа: 1426                       



                                                                       Оценка:                                 









Казань, 2017

                                     























































                                           Оглавление

		Аннотация	3

		Список терминов и обозначений	4

		Введение	7

		Глава 1. Обзор литературы	.11

		Обзор методов тепловой защиты и проникающего охлаждения	11

		Поглощение и накопление тепла конденсированными веществами	…..11

		Конвективное охлаждение	14

		Пористое охлаждение	16

		Радиационное охлаждение	20

		Электромагнитное регулирование теплообмена	26

		Охлаждение тел за счет физико-химических превращений	27

		1.7.1.Пористые вставки и материалы	30

		1.7.2.Теплоотдача и сопротивление высокопористыми вставками	33

		1.7.3.Теплоотдача на границе пористый слой - непроницаемая стенка	35

		1.8. Внутрипоровый объемный теплообмен	36

		1.9.Сравнение уровня теплоотдачи в каналах с различными пористыми вставками	40

		2.  Расчет системы теплоснабжения котельной р.ц. Алексеевское	42

		2.1.Определение расходов топлива, электроэнергии и воды на выработку теплоты отопительными котельными теплоэнергетических предприятий	43

		2.2.Определение потерь теплоносителя и тепловой энергии с утечками	52

		2.3.Определение потерь тепловой энергии на заполнение тепловых 

		сетей	54

		2.4.Определение нормативов технологических затрат электроэнергии на услуги по передачи тепловой энергии и теплоносителей	57

		2.5.Определение удельных нормативов потерь тепловой энергии и технологических затрат электроэнергии при передаче тепловой энергии и теплоносителей	58

		2.6.Определение потенциала энергосбережения при передаче тепловой энергии и теплоносителей	59

		2.7.Определение количества вырабатываемой теплоты	59

		2.8.Определение потребного количества топлива на выработку теплоты	60

		2.9.Тепловой и гидравлический расчет горизонтальных сетевых секционных кожухотрубных водо-водяных подогревателей при независимой схеме присоединения тепловой сети и потребителей к котельной.	61

		3. Исследование влияния вязкой диссипации при течении теплоносителей через пористые материалы с малой пористостью	66

		3.1. Методика расчета	67

		3.2. Результаты  расчетов	76

		3.3. Программа Matlab температурного состояния пористой пластины	81

		4. Выводы	83

			5. Список источник…………………………………………………………....84

                                    Аннотация

     В  данном выпускном квалификационном проекте бакалавра проведен  расчет системы теплоснабжения для типового поселка на примере районного центра Алексеевское.

     В первой главе рассмотрены  методы тепловой защиты и проникающего охлаждения, поглощение и накопление тепла конденсированными веществами. А также основные наиболее эффективные способы охлаждения.

    Во второй главе приводится расчет системы теплоснабжения в районном центре Алексеевское. Определены потери тепловой энергии ,потенциал энергосбережения при передаче тепловой энергии и теплоносителей , рассчитывается необходимая  тепловая мощность котельной ,по которой подбирается котлоагрегат. 

        В третьей главе представлена методика расчета температурного состояния пористой пластины при граничных условиях третьего рода с учетом вязкостной диссипации энергии теплоносителя. Предлагается дифференциальное уравнение течения газа через  пористую вставку с учётом вязкостной диссипации и программа решения уравнения в системе MatLab.                                  









                                





                                 



                       



  Список терминов и обозначений:

Условные обозначения:

а – размер грани поры, м;

c – теплоемкость, ;

D – коэффициент диффузии;

 – эквивалентный диаметр канала, м;

d – диаметр, м;

F – площадь, 

G – массовый расход, ;

Н, h – высота, м;

J=rw – плотность массового потока, ;

L –длина, м;

М – масса, кг;

Р – давление, Па;

T – температура, K;

t – шаг, расстояние между центрами пор, м;

 – термическое сопротивление контакта, ;

r – радиус, м;

V – объем,;

w – скорость, ;

х – координата, м;

у – координата, м;

Греческие

a – вязкостный коэффициент сопротивления, ;

 – эффективный коэффициент теплоотдачи, ;

 – объемный коэффициент теплоотдачи, ;

b – инерционный коэффициент сопротивления, ;

? – коэффициент динамической вязкости, ;

h – коэффициент кинематической вязкости, Па· с;

Безразмерные комплексы:

Nu – критерий Нуссельта - характеризует интенсивность теплоотдачи;

Рr – критерий Прандтля – отражает влияние физических свойств жидкости на коэффициент теплоотдачи;

Ra – число Рэлея –определяющее поведение жидкости под воздействием градиента температуры;

Rе – критерий Рейнольдса – отражает влияние вынужденного движения;

Gr– критерий Грасгофа отражает влияние свободного движения.

Q – тепловой поток, Вт;

q – плотность теплового потока, ;

	F – площадь соприкосновения теплоносителя с поверхностью стенки, 

	? – толщина стенки, мм;

? – теплопроводность вещества, ;

? – коэффициент теплоотдачи, ;

с – удельная теплоемкость, ;

? – плотность, ;

l – определяющий размер, м;

g – ускорение свободного падения, ;

? – коэффициент кинематической вязкости, ;

? – коэффициент объемного расширения, ;

 – температура наружного воздуха,0С;

– температура поверхности стенки, 0С;

Индексы

0 – невозмущенный поток;

D – диаметр канала;

f – поток;

g – гладкий канал;

V – внутренний;

w – стенка;

вх – вход;

вых – выход;

ж – жидкость;

м – молекулярный;

отн – относительный;

п – пористый, пора;

ср – средний;

т – тепловой;

ф – фильтрация;

э – эквивалентный;

эф – эффективный;

Сокращения

ВПЯМ – высокопористый ячеистый материал;

ИТ – интенсификация теплообмена;

ИТО – интенсификатор теплообмена;

ПВМ – пористый волокнистый материал;

ПМ – пористый материал;

ППМ – порошковый пористый материал;

ПСМ – пористый сетчатый материал;

ПТЭ – пористый теплообменный элемент;

ТА – теплообменный аппарат;

ТЭ – теплообменный элемент;

УПМ-упорядоченный пористый материал.

                                                  Введение

Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется непрерывным увеличением теплонапряженности двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, а также элементов их конструкций. Успешное решение возникающих при этом задач невозможно без интенсификации процессов массопереноса. 

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации тепломассообменных процессов является использование в теплообменных устройствах пористых металлов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения. Практическая реализация этого способа стала возможной только после того, как развитие технологии и, в первую очередь, порошковой металлургии позволило производить разнообразные пористые материалы. 

Широкий диапазон структурных, теплофизических, гидравлических, химических, оптических и других свойств пористых материалов, простота изготовления из них элементов конструкций, высокая интенсивность теплообмена - всё это дает возможность использовать пористые теплообменные элементы в различных экстремальных условиях. Одновременно с интенсивным теплообменом с помощью пористых элементов можно реализовать процессы фильтрования, разделения фаз, дросселирования и т.д. 

Для теплового и гидравлического расчетов разнообразных теплообменных устройств с пористыми элементами необходимо иметь информацию о механизме и интенсивности теплопереноса и гидравлическом сопротивлении при движении однофазного теплоносителя и теплоносителя с фазовыми превращениями в проницаемых матрицах различной структуры. Характер этих процессов в каждом конкретном случае зависит от геометрии устройства, условий подвода и направления потоков теплоты и теплоносителя. 

Пористыми теплообменными элементами (ПТЭ) называются устройства, в которых осуществляется теплообмен между проницаемой матрицей и потоком жидкости внутри нее. 

Несмотря на большое разнообразие теплообменных устройств с пористыми элементами по назначению, конструктивному оформлению, свойствам и фазовому состоянию теплоносителя, общим для них является теплообмен между пористым материалом и теплоносителем, а основное отличие заключается в условиях подвода теплоты внутрь проницаемой структуры. 

Основное назначение ПТЭ с подводом теплоты от сплошной стенки -интенсификация теплообмена между поверхностью и омывающим ее потоком теплоносителя. Здесь качественно меняется механизм переноса теплоты: она от непроницаемой стенки передается теплопроводностью через каркас внутрь проницаемой матрицы и затем поглощается потоком теплоносителя за счет интенсивного внутрипорового теплообмена. Пористый заполнитель должен иметь высокую теплопроводность и идеальные тепловой и механический контакты со стенкой. 

Пористые теплообменные элементы с подводом (отводом) теплоты внутрь проницаемой матрицы теплопроводностью от боковой сплошной стенки. 

Этот метод интенсификации позволяет с помощью однофазного теплоносителя охлаждать сплошную стенку, подверженную воздействию больших тепловых потоков, например, при конвективном охлаждении стенок ракетных двигателей и лопаток их газовых турбин, элементов электронной аппаратуры и других теплонапряженных устройств. В частности, за счет охлаждения прокачкой воды через проницаемую подложку может быть обеспечена надежная работа лазерного отражателя. Такой способ охлаждения в настоящее время - единственный при малых размерах или сложной форме нагреваемых конструкций, в которых невозможно выполнить каналы для охладителя. Например, лопатки малых газовых турбин ракетных двигателей с максимальной толщиной профиля порядка 3 мм, хордой около 2 см и длиной от 1 до 2 см обычно не охлаждаются, что ограничивает температуру газового потока и эффективность таких турбин. Изготовление лопаток из волокнистого металла покрытого снаружи тонким герметичным слоем керамики  и охлаждаемого продольным потоком газа, вытекающего через вершину, позволяет снять эти ограничения. 

Указанный метод интенсификации теплообмена послужил причиной того, что одновременно с развитием технологии изготовления пористых металлов было предложено большое количество конструкций разнообразных теплообменных устройств, в которых каналы или межтрубное пространство заполнены такими металлами. 

Для упрощения изготовления значительных по размерам устройств ПТЭ предложено собирать их из отдельных модулей. Последние состоят из трубы, окруженной слоем проницаемой матрицы, и имеют такой контур, что могут плотно монтироваться вместе в теплообменник желаемой формы. 



Вязкость жидкостей (внутреннее трение) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В рамках линейных модельных представлений о вязком течении жидкостей, предложенных И. Ньютоном (1687 г.) тангенциальная (касательная) сила F, вызываемая сдвигом слоев жидкости друг относительно друга, определяется в виде: 

                                             F = ? (dVx/dz) S,                                              (1.1)

где:(dVx/dz) - градиент скорости течения (быстрота изменения ее от слоя к слою), иначе - скорость сдвига (смотреть рисунок 1.1. );

? - коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев.



Рисунок 1.1.- Схема однородного сдвига.

На рисунке 1.1 приведена схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключенного между двумя твердыми пластинками, на которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью V0; V(z) - зависимость скорости слоя от расстояния z до неподвижной пластинки.

Сила F производит в единицу времени работу:

				                           W = F dx/dt = F ,                                                                                     (1.2)	

То есть удельная диссипация энергии в единицу времени:

             w = W / (Sh) = ? (dVx/dz) (V0/h)               ,                                     (1.3)

Учитывая, что V0/h = dVx/dz, получим окончательно:

                              w = ? (dVx/dz)2             ,                                                   (1.4)











                                  Глава 1. Обзор литературы



1.1. Обзор методов тепловой защиты и проникающего охлаждения

В настоящее время известно шесть основных способов отвода (поглощения) тепла: теплопроводностью с использованием теплоемкости конденсированных веществ, конвекцией, массообменом, излучением, с помощью электромагнитных полей и, наконец, за счет физико-химических превращений. На практике часто встречается комбинация двух или более указанных выше способов. Каждый из этих способов или их сочетание могут быть реализованы в виде различных методов тепловой защиты в зависимости от конкретного конструктивного оформления .

       

       1.2. Поглощение и накопление тепла конденсированными веществами.



       Способность некоторых материалов легко отводить тепло от нагретых поверхностей хорошо известна и находит широкое применение уже сотни лет. Системы с накоплением тепла являются низкотемпературными, ибо они работают при температурах ниже точки плавления поглощающего тепло материала. Тепло отводится от поверхности теплопроводностью в соответствии с законом Фурье

 ,                                          (1.5)

где: ? — коэффициент теплопроводности; T — температура; п — нормаль к изотерме.

       Максимальное количество тепла, которое может поглотить такая система (рисунок 1.2,а), определяется выражением





где : m— масса вещества; с — его теплоемкость; Тпл — температура фазового превращения (плавления); Т0— начальная температура.

Следовательно, эффективность данного принципа отвода тепла тем выше, чем больше теплоемкость материала, его теплопроводность ? и температура плавления или сублимации Тпл.

На практике широко используются металлы, имеющие более высокие по сравнению с другими веществами значения коэффициента теплопроводности, что обеспечивает усвоение ими тепла относительно равномерно по всей массе материала.







Рисунок 1.2. Тепловая защита, использующая поглощение тепла за счет теплоемкости (а) и конвективного охлаждение (б, в).1-теплопоглощающий материал;2-защищаемый объект; 3-форсунка;4-охлаждающая пленка;

5-охлаждаемая стенка.

      

          Классическая теория теплопроводности показывает, что равномерное распределение температуры между наружными и внутренними слоями возможно при критериях Био, меньших единицы, Bi =q0/(?Тп.л /??), где q0 — подведенный тепловой поток, Тпл — максимально допустимая температура стенки, а ?? — ее толщина. Чем меньше критерий Био, тем вероятнее, что тепло пройдет «транзитом» через стенку прежде, чем на ее поверхности будет достигнута температура разрушения. Можно показать, что нецелесообразно использовать металлические стенки толщиной более 25?50 мм.

В таблица 1.1 приведены свойства некоторых веществ, представляющих: интерес в качестве теплопоглощающих материалов. Теплоемкость материала является важным параметром, но ее величина может значительно изменяться с изменением температуры, поэтому при расчетах удобней пользоваться значением общего количества тепла Q, затраченным на нагрев материала от начальной температуры Т0до точки плавления Тпл.



Таблица 1.1. - Материалы, используемые в качестве поглотителей тепла. 





Важными факторами, которые следует иметь в виду при выборе того или иного материала в качестве поглотителя тепла, являются его механическая прочность при высоких температурах, а также однородность. Так хрупкий графит менее предпочтителен чем медь, которая часто используется на практике благодаря ее хорошей технологичности, дешевизне и высокому коэффициенту теплопроводности, исключающему неравномерность нагрева изделий. Верхний температурный предел применимости металлов обычно намного ниже Тпл из-за окисления.

                            

                        1.3. Конвективное охлаждение

         Конвективное охлаждение состоит в том, что от обогреваемой горячим потоком стенки тепло передается охлаждающей жидкости или газу (рисунок 1-2,б,в). Перепад температуры в стенке определяется при заданной ее толщине ? выражением Twl-Tw2 = q0??/?. Тепловой поток q0в стационарных условиях определяется расходом охладителя  m, его теплоемкостью с и перепадом температуры Tw2-Т0[3]:q0S=cm(Tw2-T0),где S — площадь теплоотдающей поверхности.

Среди газообразных охладителей своей теплоемкостью выделяете водород (с=14,5 кДж/кг), на практике чаще используются жидкости вода, спирт и т. д. [1,13].При высоких температурах стенки для охлаждения могут применяться расплавленные металлы (натрий, литий). Жидкий металл на охлаждаемую стенку можно подавать с помощью форсунок (рисунок 1.2, в).

В зависимости от способа рассеяния тепла в окружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяются на замкнутые и разомкнутые. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получающий тепло от горячей стенки, рассеивает его в окружающую среду или передает другому теплоносителю. В этом случае необходимое количество охладителя не зависит от времени эксплуатации системы.

Для снижения перепада температуры в стенке и улучшения условий отвода тепла материал стенки должен обладать большой теплопроводностью. Данный способ неприменим, когда температура поверхности превышает температуру плавления или когда происходит эрозия стенки.

Расширить интервал допустимых тепловых потоков при достаточно интенсивном подводе тепла от горячих газов можно за счет использования теплоты фазового превращения (испарения) охладителя на поверхности (рисунок 1.2, в). Так, теплота испарения расплавленного лития составляет около 20 500 кДж/кг, литий кипит при 1590 К (при 105 Па) .

Конвективное охлаждение часто используется в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также в стационарных высокотемпературных промышленных установках (плазмотронах и др.). Здесь применяются системы трубчатого охлаждения, состоящие из разветвленной сети каналов или труб, расположенных под нагреваемой поверхностью и находящихся в тесном контакте с ней. Через трубы непрерывно прокачивается жидкий или газообразный охладитель. Максимальное количество тепла, поглощенное такой системой, зависит от теплопроводности материала стенки, расхода и теплоемкости охладителя. В ЖРД применяется обычно система разомкнутого типа; топливо, использованное в качестве охладителя, подается затем в камеру сгорания двигателя и там сгорает .



Рисунок 1.3. Тепловая зашита массообменом. а — пленочное охлаждение: б и в — загради тельное охлаждение; г— пористое охлаждение; 1— основное твердое топливо: 2—твердое топливо с низкой температурой горения; 3 — зона холодного пограничного слоя; 4 — зона горячего газа.



                           



                            1.4.  Пористое охлаждение.

Теплообмен может быть реализован в виде пористого, пленочного или заградительного охлаждения. Эти способы находят широкое применение для защиты, как от радиационного, так и особенно от конвективного нагрева. При вводе холодного газа или жидкости непосредственно в пристеночный слой набегающего потока толщина этого слоя увеличивается, происходит оттеснение горячего газа от защищаемой поверхности, в результате чего интенсивность теплообмена на поверхности снижается .

Преимущества этого принципа защиты перед другими обусловлены, во-первых, сохранением внешней формы защищаемого тела и, во-вторых, возможностью поддержания температуры поверхности на желаемом уровне с помощью соответствующего регулирования расхода охладителя. Рассмотрим сначала пленочное охлаждение. Горячий газ движется вдоль стенки, покрытой пленкой охлаждающей жидкости, которая поступает через одну или несколько щелей или отверстий, выполненных на некотором расстоянии друг от друга вдоль поверхности (рисунок 1.3, а) Температура поверхности тела не будет превышать температуру кипения жидкости до тех пор, пока существует пленка на поверхности. В ракетной технике в качестве охладителя может быть использовано жидко ракетное топливо.

Эффективность пленочного охлаждения зависит от способа подвода охладителя, угла подачи, свойств охладителя, состояния защищаемой поверхности (наличие загрязнений, шероховатость) и числа щелей или отверстий на единицу длины поверхности. При увеличении числа щелей температура стенки становится более равномерной.

Пленочное охлаждение используется обычно как дополнительное средство защиты стенок камер сгорания и сопел жидкостных ракетных двигателей, когда конвективное охлаждение не обеспечивает необходимого снижения температуры стенок.

Еще одной разновидностью тепловой защиты  является заградительное охлаждение. При заградительном охлаждении защищаемая стенка изолируется от горячего потока слоем холодного газа, который подводится к поверхности через щели или отверстия (рисунок 1.3,б). В случае подачи охлаждающего газа через щель его желательно вводить по касательной к защищаемой поверхности, чтобы затянуть процесс перемешивания газовых потоков.

Протяженность защищенной поверхности пластины при подаче охладителя перпендикулярно в несколько раз меньше, чем в случае тангенциальной подачи. Число щелей или перфораций на единицу длины выбирается обычно эмпирическим путем, при этом стремятся, чтобы струйка газа из каждой щели или отверстия экранировала элемент поверхности между соседними точками ввода газа. Принято, что шаг перфораций должен быть порядка пяти толщин пограничного слоя в данной точке, а диаметр отверстия меньше этой толщины. На практике используются обычно отверстия диаметром 1—2 мм.

Наиболее эффективными охладителями, как будет показано ниже, являются вещества, обладающие максимальной удельной теплоемкостью и образующие газообразные продукты с минимальной молекулярной массой. В таблица 1.2 приведены основные предполагаемые охладители.

Таблица 1.2.- Свойства охладителей.





Систему заградительного охлаждения можно использовать в ракетных двигателях на твердом топливе для защиты внутренних поверхностей сопел, когда требуется обеспечить постоянный контур критического сечения сопла. Увеличение критического диаметра сопла на 5% вызывает падение давления в камере сгорания на 15-20%, что приводит к снижению реактивной силы и удельного импульса. Необходимый для защиты газ с относительно низкой температурой получается при сгорании специального топлива, небольшое количество которого размещаете перед входом в сопло (рисунок 1.3,в).

Эффективным способом тепловой защиты является пористое охлаждение. Одним из его преимуществ является равномерная подача через поверхность. В ряде случаев, представляющих интерес для практики, приходится иметь дело с весьма большими интенсивностями вдува охладителя. Последние необходимы в случае химически агрессивных набегающих потоков, при создании защитной луче поглощающей завесы. Здесь мы рассмотрим только физические основы пористого охлаждения.

Проходя через поры (рисунок 1.3,г), охладитель отбирает тепло от стенки; а выйдя на поверхность, снижает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Оба эти фактора ведут к понижению температуры пористой стенки. Охладителем может быть газ или жидкость. Предпочтение обычно отдается газообразным веществам из-за боле высоких рабочих температур и меньшего перепада давления при их течении через поры. Если охлаждающий агент — жидкость, то при испарении eе поглощается скрытая теплота фазового перехода .

Во многих приложениях немаловажная роль отводится химическому составу вдуваемого газа. Так, для кромок крыльев и рулей в сверхзвуковом потоке представляет опасность не только тепловой нагрев, но и окисление поверхности набегающим потоком. Поэтому в последнее время большое внимание уделяют такому газообразному охладителю как аммиак. Обладая хорошей теплоемкостью, он кроме того, попав в пограничный слой, связывает кислород:

4NH3+3О2=2N2+ 6Н2О.

Образовавшаяся вода и азот практически инертны по отношению к материалам пористой матрицы.

Одной из разновидностей пористого охлаждения является так называемое самоохлаждение. Появление высококалорийных алюминизированных топлив с температурой горения свыше 2800К для РДТТ вызвало необходимость создания новых эрозионностойких материалов для вкладышей горла сопла.

Температура стенки сопла превышает рабочую температуру неохлаждаемого вольфрама. Однако, наполняя или пропитывая пористый вольфрам другим материалом, который может испаряться при меньшей температуре, поглощая при этом тепло, можно добиться снижения температуры стенки. Составной вкладыш работает как поглотитель тепла до тех пор, пока температура его поверхности не достигнет точки кипения или разложения заполняющей фазы. Тогда начинается его испарение с образованием зоны пористого вольфрама, через которую фильтруется парообразный охладитель. Пар отбирает дополнительное количество тепла от пористого вольфрама, таким образом, температура поверхности понижается. Выбор охладителя и пористости матрицы зависит от условий работы. Такие охладители, как серебро, медь, цинк и гидрид лития, привлекли наибольшее внимание.

По расходу охладителя на единицу защищаемой поверхности пористое охлаждение более эффективно, чем рассмотренные ранее способы тепловой защиты. Но использование пористого охлаждения требует изготовления пористых стенок по довольно сложной технологии. Кроме того, при эксплуатации такой системы необходимо принимать меры для очистки охладителя, чтобы избежать засорения пор. В настоящее время пористое охлаждение применяется в ракетных двигателях на водородном топливе, авиационных двигателях, электродуговых подогревателях газа, МГД-установках, теплообменных аппаратах и т. д. 





     

                        1.5. Радиационное охлаждение

Этот метод тепловой защиты использует способность нагретой поверхности излучать тепло. Поступающий к поверхности конвективный или радиационный тепловой поток повышает ее температуру. На основании второго закона термодинамики можно показать, что существует предельное количество энергии, которое может излучаться телом при данной температуре и при данной длине волны. Источник такого излучения называется абсолютно черным телом. Плотность потока излучения абсолютно черного тела определяется законом Планка[5]

I?(T)=  ; с1= 3,7410-16Вт/м2 ; с2=1,4410-2 мК,                       (1.7)

Показатель преломления п относится к среде, окружающей абсолютно черное тело. Для газов и вакуума п=1, В соответствии с формулой Стефана — Больцмана интеграл от плотности потока излучения по всем длинам волн равен:

, где ?=5,6710-8 Вт/(м2К4),                          (1.8)

Диапазон длин волн и температур, на который приходится основная доля излучаемой энергии абсолютно черного тела, представлен на рисунок 1.4. При температуре 300К тело излучает в далекой инфракрасной области с длиной волны от 7 до 25 мкм, а при Т=3000К длина волны излучения уменьшается от 0,7 до 2,5 мкм.

Реальные вещества не являются абсолютно черными телами, а при каждой длине волны излучают лишь часть I? равную ??I?, Коэффициент ??, называется спектральной излучательной способностью или, проще, спектральной степенью черноты.

Спектральное значение степени черноты следует отличать от интегральной степени черноты:

               ? =     ,                                                      (1.9)

Излучаемый тепловой поток равен: qR= ??;

В основе радиационного метода охлаждения заложена идея равенства подведенного теплового потока q0 и излучаемого обратно с нагретой поверхности теплового потока qR. Температура поверхности, при которой достигается это равенство, называется равновесной и может быть вычислена с помощью соотношения Tw=. При этом предполагается, что теплоотвод внутрь покрытия равен нулю.

Понятно, что равновесная температура поверхности не может быть выше температуры разрушения данного типа покрытия Тразр, поэтому максимальный тепловой поток, который может быть снят с поверхности методом радиационного охлаждения, ограничен следующей величиной qR ? Т4разр.







Рисунок 1.4. -Зависимость плотности потока излучения от характеристического комплекса п?Т,

Комплекс п?Т определяет длину волны излучения и температуру нагретой поверхности. Максимум плотности потока излучения приходится на п?Т=2900 (мкмК), а 80% излучения соответствуют диапазону п?Т от 2000 до 8000 мкмК.

В качестве конструкционных материалов для систем с радиационным охлаждением применяются тугоплавкие металлы — молибден, вольфрам и др., однако в окислительной среде, в том числе и в воздухе, температура их разрушения Тразр оказывается намного ниже температуры плавления. В тех случаях, когда радиационная система тепловой защиты работает при малых давлениях окружающей среды необходимо считаться с возможностью сублимации поверхности.

Следует иметь в виду, что радиационный метод защиты применим для охлаждения открытых в окружающее пространство частей изделия, поскольку в противном случае возможно самооблучение  конструкции.

В таблице 1.3 приводится сводка значений интегральной степени черноты некоторых материалов как при стандартной, так и при повышенных температурах.

Если спектральная степень черноты ?? сравнительно слабо зависит от температуры излучающей поверхности TW, но сильно меняется с длиной волны ?, то интегральное значение степени черноты существенно зависит от температуры, поскольку максимум распределения плотности потока излучения с ростом Т сдвигается в область коротких длин волн.

Вид кривых зависимости ?? от ? принципиально различен у полированных металлов (или в общем случае проводников) и окислов (или диэлектриков) (рисунок 1-5, а, б) . У металлов степень черноты уменьшается с ростом длины волны, а у диэлектриков — она в инфракрасной области возрастает. Соответственно чистые полированные металлы характеризуются низкими значениями интегральной степени черноты при малых температурах. Однако шероховатость, загрязнение поверхности или наличие толстого слоя окислов (либо анодирование) может уровнять степени черноты металлов и диэлектриков. Интегральные степени черноты металлов с увеличением температуры несколько растут ,тогда как у диэлектриков падают.



























Рисунок 1.5. -Зависимость монохроматической степени черноты различных материалов от длины волны при комнатной температуре.

1 —полированный алюминий; 2— промышленный алюминий; 3 — анодированный алюминий; 4— белая эмаль; 5— шамот.

 Таблица 1.3. - Степень черноты некоторых материалов.                           



Принципиально возможна защита и от радиационных тепловых потоков. Так, в открытом космосе используются терморегулирующие покрытия, обладающие низкими степенями черноты (или коэффициентами поглощения) в видимом диапазоне спектра, на который в основном приходится изучение Солнца, и большими ?? в инфракрасной области, где они излучают сами (учитывая низкую температуру поверхности).

Система радиационного охлаждения может быть выполнена трехслойной с тем, чтобы избавиться от основного недостатка высокотемпературных металлов–способности их к интенсивному окислению в воздухе. Для уменьшения этого несущий (конструкционный) слой из тугоплавкого металла покрывается различными силицидами (WSi2, MoSi2) или окислами. Покрытие толщиной 50 мкм из MoSi2 обеспечивает защиту молибдена от окисления при температуре 1900 К в течение нескольких часов и к тому же позволяет увеличить степень черноты. Наконец, с внутренней стороны покрытия (рисунок 1-5) оно покрывается теплоизолятором (например, пенокерамикой).

Радиационный метод тепловой защиты применяется в гиперзвуковой авиации и в ракетной технике для охлаждения выступающих частей, насадков, крыльев и выхлопных раструбов сопел.

В заключение несколько слов о модификации этого способа применительно к таким условиям аэродинамического нагрева, когда излучение набегающего потока соизмеримо или выше по интенсивности конвективного теплового воздействия. В этом случае целесообразно переизлучать тепловую энергию не с поверхности теплозащитного покрытия, а из пограничного слоя.

При защите поверхностей массообменом пограничный слой является практически прозрачным для падающего излучения. По этой причине вдув газа в пограничный слой не может быть эффективным средством защиты от интенсивного радиационного нагрева. В этом случае следует «зачернять» пограничный слой, увеличивая его коэффициент ослабления излучения. С этой целью в пограничный слой вводят различные присадки, добиваясь снижения величины падающего на поверхность радиационного теплового потока.

Наибольшего ослабления следует ожидать при вводе в пограничный слой газопылевого потока с большим числом распределенных в нем микрочастиц, т. е. при создании «непрозрачных» экранов. В этом случае происходит ослабление энергии не только за счет поглощения, но в еще большей степени за счет отражения и рассеяния излучения.





Рисунок 1.6. - Схема  радиационного   охлаждения.1 — защитный слой;2 — слой металла; 3— изоляция.

1.6. Электромагнитное регулирование теплообмена.

          Для регулирования температуры внешней поверхности можно использовать методы электрического или магнитного воздействия на плазму, обтекающую защищаемую поверхность. Магнитно-гидродинамический способ требует создания поля сил в ионизированной плазме, обтекающей тело (проблема аналогична задаче удержания плазмы при управляемой термоядерной реакции). Магнитное поле, воздействуя на слой сжатого газа, в состав которого входят, кроме нейтральных молекул и атомов, электрически заряженные ионы и электроны, увеличивает расстояние между ударной волной и поверхностью тела. Это приводит к росту пограничного слоя, а следовательно, к уменьшению град.......................