Тепловая защита

Тепловая защита организуется либо с целью уменьшения теплового потока между теплоносителями, либо в связи с необходимостью снижения средней температуры по толщине стенки, обтекаемой высокотемпературным теплоносителем.

Для решения первой задачи широко используется тепловая изоляция. Тепловая изоляция предусматривает покрытие теплопередающей стенки одним или несколькими слоями материала с низкой теплопроводностью, обычно λ< 0,25 Вт/(м × К). Анализ уравнения (9.3) показывает, что плотность теплового потока уменьшается с увеличением толщины изоляции и уменьшением ее теплопроводности. В таблице 8 Приложения приведены теплофизические свойства ряда теплоизоляционных материалов.

При тепловой изоляции цилиндрических поверхностей к выбору теплоизолирующего материала необходимо относиться весьма осторожно. Дело в том, что с увеличением толщины изоляции увеличивается не только полное термическое сопротивление, но растет и поверхность теплообмена, что приводит к возрастанию коэффициента теплопередачи. Отсюда, при нанесении теплоизоляции на цилиндрическую поверхность в некоторых случаях можно получить противоположный эффект - не снижение, а возрастание теплопередачи.

Аналитически доказывается, что изоляция на цилиндрической стенке будет выполнять свое назначение, если ее коэффициент теплопроводности соответствует условию

_, ( 9.14)

где α₂ – коэффициент теплоотдачи со стороны изоляции;

d₂ – наружный диаметр изолируемой трубы.

Рассмотрим наиболее распространенные способы т е п л о з а щ и т ы.

Стенки элементов конструкций, подверженные воздействию высокотемпературных теплоносителей, могут быть защищены от перегрева посредством конвективного и заградительного охлаждения или жаростойкими, оплавляющимися и сублимирующимися покрытиями.

Весьма широко используется конвективное охлаждение стенки, сущность которого заключается в том, что стенка с противоположной высокотемпературному теплоносителю стороны омывается теплоносителем с более низкой температурой.

Характер распределения температуры в системе – “газ – стенка – охлаждающая жидкость” – представлен на рис. 9.4. Из рисунка видно, что температура Т_ст.ср зависит от организации процесса охлаждения стенки. Так, для снижения величины Т_ст.ср используется ряд способов:

– уменьшение толщины стенки, (на рис.9.4 кривая 1);

– применение материала стенки с большим коэффициентом теплопровод-

ности, (на рис.9.4 кривая 2);

– увеличение коэффициента тепло- отдачи со стороны охлаждающей жидкости, ( рис. 9.4, кривая 3).

Характер температурных кривых в каждом случае устанавливается на осно-вании анализа уравнения теплопередачи.

З а г р а д и т е л ь н о е охлаждение предусматривает создание между высокотемпературным газовым потоком и стенкой тонкого слоя жидкости

(п л е н о ч н а я з а щ и т а) или низко- Рис. 9.4

температурного слоя газа (г а з о в а я

з а в е с а). При пленочной защитестенка покрывается тонким слоем жидкости, которая подается через поры в стенке или мелкие сверления в ней. На стенке пленка жидкости охладителя испаряется, при этом температура стенки со стороны газа устанавливается ниже температуры испарения жидкости. Газовая завеса является своего рода дополнительным термическим сопротивлением на пути теплового потока. Эффективность газовой завесы будет зависеть от толщины слоя и его температуры. Характер изменения температуры при заградительном охлаждении показан на рис. 9.5 (кривые 1 и 2).

Несмотря на то, что пленочная защита и газовая завеса вдоль обтекаемой стенки снижают свои защитные свойства, эти виды заградительного охлаждения широко используются в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

При использовании защитных покрытий снижение температуры стенки обусловливается несколькими эффектами, отличающимися по своей природе.

Защитное покрытие может выполнять роль теплоизолятора, либо может поглощать тепло в процессе фазовых превращений (плавления, испарения расплавленного материала, сублимации). В зависимости от материала покрытия могут использоваться один или несколько этих эффектов.

Использование теплоизоли -

рующего покрытия возможно только при наличии в стенке температурного градиента. Это условие всегда имеет место при нестационарном режиме нагрева, а в усло-

виях стационарного режима оно реа-

Рис.9.5 лизуется только при наличии системы конвективного охлаждения. Для стационарных тепловых режимов эффективность изоляции улучшается с уменьшением λ_из, а для нестационарных – с уменьшением коэффициента температуропроводности.

Теплоизоляционный слой наносится со стороны высокотемпературного газового потока. В зависимости от толщины слоя и используемого материала термическое сопротивление слоя может существенно превышать термическое сопротивление стенки, что приводит к снижению средней температуры стенки.

Важным качеством теплоизоляционного покрытия является его жаростойкость и способность противостоять термическим напряжениям, которые возникают при больших температурных градиентах. Для тепловой изоляции используют различные керамические покрытия, например, окись циркония с температурой плавления 2800 К, карбид титана с Т_пл = 3400 К, карбид циркония с Т_пл = 3800 К и др.

При изменении агрегатного состояния защитного покрытия процесс теплоотдачи сопровождается уносом массы с поверхности, соприкасающейся с высокотемпературным газом. Процесс уноса вещества называется абляцией. При абляции тепловой поток в стенку уменьшается, так как часть тепла идет на изменение агрегатного состояния покрытия. Для аблирующих покрытий желательно иметь большую теплоту плавления и малое значение коэффициента теплопроводности. В качестве аблирующих покрытий могут использоваться стекловидные материалы, которые имеют хорошие термоупругие характеристики, небольшое значение λ и большую теплоту плавления.

Значительно большей эффективностью обладают сублимирующие материалы. Так, теплота сублимации равна сумме теплот плавления и испарения, а получающийся при сублимации пар существенно уменьшает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой.