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.
Методы теплозащиты 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 температуры 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
температуру, 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 Tw - абс. темп-pa поверхности. Сложность
практич. применения данного метода Т. связана с тем, что при высокой температуре
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 Gu снижение теплового потока
q=q0-b(I00 - Iw)Gu
где q0 - тепловой поток к непроницаемой поверхности,
I00 - энтальпия торможения, a Iw - энтальпия
внеш. газа при температуре стенки. Коэф. вдува b= a(Me/Mu)b, где Ме и Mu -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 Iэф = 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 температуры 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 функцию температуры
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. Iэф
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. Iэф
таких покрытий равна: Iэф = с(Tw - Т0)
+ l + b (Iоо - Iw). Темп-pa
поверхности Tw 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 IЭф
рассчитывается по той же ф-ле, что и для сублимирующих покрытий, с заменой скрытой
теплоты испарения на тепловой эффект реакции разложения. Для определения температуры
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 температуре 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/CDS, где m - масса спутника, CD - 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.