теплозащита

ТЕПЛОЗАЩИТА - средство для обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значит. тепловых потоков (q>> Вт/см²), когда применение простой теплоизоляции становится невозможным.

М е т о д ы Т. l. Конвективное охлаждение - подходящие к тонкой металлам, обшивке тепловые потоки отводятся в охлаждающую жидкость или газ, к-рые протекают с другой стороны обшивки.

2. Заградит. охлаждение - через отверстие или щель вблизи охлаждаемой поверхности в направлении потока подаётся струя холодного газа. Заградит. эффект струи уменьшается по мере её перемешивания с горячим газом.

3. Плёночное охлаждение - аналогично заградительному, с той разницей, что через щель или отверстие подаётся жидкий охладитель, образующий на охлаждаемой поверхности защитную плёнку. Защитный эффект уменьшается по мере испарения плёнки и ее разбрызгивания.

4. Пористое охлаждение - жидкий или газообразный охладитель подаётся через пористую или перфорированную поверхность аппарата. При охлаждении жидкостью расход её подбирается т. о., чтобы жидкость испарялась внутри пор.

5. Т. с помощью теплопоглощающей оболочки - подходящее к поверхности тепло поглощается за счёт теплоёмкости достаточно толстой оболочки при повышении темп-ры последней. Большой эффект достигается при дополнит. использовании теплоты плавления и нагревания жидкой фазы материала, а также теплоты хим. разложения. Однако в этих случаях необходимо заключать тепло-поглотитель в жёсткую металлич. оболочку.

6. Отвод тепла радиацией - проблема Т. решается посредством создания материала, выдерживающего высокую темп-ру, при к-рой всё подводимое тепло может излучаться в пространство; при этом, согласно Стефана -Больц-мана закону излучения, излучаемый поверхностью тепловой поток где e - суммарная испускат. способность внеш. покрытия, s₀ - постоянная Стефана, a T_w - абс. темп-pa поверхности. Сложность практич. применения данного метода Т. связана с тем, что при высокой темп-ре металлы, из к-рых изготовляется излучающая оболочка, окисляются кислородом воздуха. Для борьбы с окислением внеш. поверхность 2 (рис. 1) покрывается тонким слоем покрытия 1, устойчивого к окислению. Между излучающей поверхностью и частями конструкции 4 помещается лёгкая изоляция 3. Этот способ может применяться лишь для Т. внеш. поверхностей аппаратов.

7. Т. с помощью разрушающихся (уносимых) покрытий осуществляется за счёт поглощения большого кол-ва тепла в процессе уноса массы этих покрытий. Поглощаемое тепло идёт на нагрев материала, а также на разл. фазовые и хим. превращения. При применении методов 4 и 7, а также частично методов 2 и 3 возникает дополнит. заградит. эффект в результате вдува газообразного охладителя в пограничный слой, что приводит к снижению подходящего к поверхности теплового потока. При не слишком больших расходах газообразного охладителя G_u снижение теплового потока q=q₀-b(I₀₀ - I_w)G_u где q₀ - тепловой поток к непроницаемой поверхности, I₀₀ - энтальпия торможения, a I_w - энтальпия внеш. газа при темп-ре стенки. Коэф. вдува b= a(M_e/M_u)^b, где М_е и M_u -молекулярные веса внеш. и вдуваемого газов, причём коэф. а и b зависят от геометрии тела и режима течения в пограничном слое (л а м и н а р н ы й или т у p б у л е н т н ы й).

Метод Т. с помощью разрушающихся покрытий - пассивный и поэтому обладает повыш. надёжностью по сравнению с активными методами Т., для к-рых требуются спец. системы подачи охладителя по заданной программе. Эффективность разрушающихся теплозащитных покрытий измеряется т. н. эфф. энтальпией I_эф = q₀ /G (где G - масса, уносимая с единицы поверхности в единицу времени), характеризующей кол-во тепла, необходимое для уноса единицы массы материала.

Разрушающиеся теплозащитные покрытия подразделяются на классы в соответствии с механизмом разрушения. а) П л а в я щ и е с я п о к р ы т и я - разрушаются в результате перехода материала из твёрдого состояния в жидкое. Образующаяся на поверхности материала плёнка расплава может частично или полностью переходить в газообразное состояние. Кристаллич. материалы (напр., металлы) характеризуются наличием фиксированной темп-ры плавления и сравнительно малой вязкостью расплава. Жидкая плёнка на поверхности этих материалов имеет незначит. толщину и почти не перегревается, из-за чего расплав практически не испаряется. Аморфные (стеклообразные) материалы при нагревании постепенно переходят из твёрдого состояния в жидкое в связи с тем, что их вязкость представляет собой экспоненциальную ф-цию темп-ры где С₁ и С₂ - постоянные. Жидкая плёнка на их поверхности обладает большой вязкостью, благодаря чему доля испарения y в нек-рых случаях -может приближаться к единице. I_эф плавящихся покрытий равна: где с - уд. теплоёмкость материала, r и l-соответственно скрытые теплоты плавления и испарения (для аморфных материалов r = 0), Т₀ - темп-pa непрогретого материала, б) С у б л и м и р ую щ и е п о к р ы т и я - разрушаются в результате фазового перехода из твёрдого состояния непосредственно в газообразное- сублимации. I_эф таких покрытий равна: I_эф = с(T_w - Т₀) + l + b (I_оо - I_w). Темп-pa поверхности T_w заранее не известна и определяется из совместного решения ур-ния баланса энергии на поверхности и ур-ния Кнудсена - Ленгмюра для скорости сублимации, в) Р а зл а г а ю щ и е с я п о к р ы т и я-разрушаются в результате хим. реакции термич. разложения. Для них I_Эф рассчитывается по той же ф-ле, что и для сублимирующих покрытий, с заменой скрытой теплоты испарения на тепловой эффект реакции разложения. Для определения темп-ры поверхности совместно рассматриваются ур-ние баланса энергии и кинетич. ур-ние реакции термич. разложения. Пример разлагающихся покрытий - термопласты: фторопласт, полиметилметакрилат, полиэтилен и др. г) Т е п л о з а-щ и т н ы е п о к р ы т и я, разрушающиеся в результате хим. взаимодействия с внеш. потоком. Унос массы этих покрытий происходит гл. обр. за счёт гетерогенных хим. реакций между материалом покрытия и набегающим потоком газа, в результате к-рых образуются газообразные соединения. Для расчёта скорости разрушения покрытий данного класса обычно пользуются т. н. безразмерной скоростью уноса массы , к-рая определяется протекающими хим. реакциями и слабо изменяется в широком диапазоне внешних условий.

Большинство применяемых на практике теплозащитных покрытий - довольно сложные композиции, В процессе уноса массы таких покрытий протекают разл. физ--хим. превращения как внутри материала, так и на его поверхности и в газообразном пограничном слое. Однако, как правило, к--л. процесс - определяющий. Напр., в случае покрытия из стеклопластика, состоящего из стеклянных волокон и органич. связки (рис. 2), по мере прогрева глубинных слоев материала l при нек-рой темп-ре начинается тер-мич. разложение органич. связки (коксование). Коксование протекает в области 2 и полностью заканчивается до начала плавления стекловолокна. Образующиеся при коксовании газы вырываются наружу, а твёрдый остаток - кокс - вместе со стекловолокном располагается непосредственно под поверхностью в слое 3. На поверхности покрытия стекловолокно плавится и образует жидкую плёнку 4, в к-рой содержатся твёрдые частицы кокса. Пары стекла вместе с газообразными продуктами разложения органич. связки и продуктами окисления частичек кокса поступают в газообразный пограничный слой 5. Для стеклопластика определяющим является процесс плавления и испарения наполнителя из стекла, поэтому данный материал может быть отнесён к классу плавящихся покрытий.

Выбор конкретного способа Т. производится с учётом особенностей работы установки или аппарата. В качестве примера на рис. 3 приведена сравнит. весовая характеристика разл. методов Т. искусств. спутника Земли, входящего в атмосферу по баллистич. траектории. По оси ординат отложен полный вес Т. Р, а по оси абсцисс - баллистич. коэф. s = m/C_DS, где m - масса спутника, C_D - его коэф. сопротивления, a S-площадь поперечного сечения. Кривая 1 характеризует пористое охлаждение, кривая 2- Т. с помощью плавящегося покрытия, для к-рого y = 0,25, а кривая 3 -Т. с помощью сублимирующего покрытия. Н. А. Анфимое.

   <<      Предметный указатель      >>