ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛ ЗА СЧЕТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ

Фазовые превращения – плавление и испарение или сублима­ция – широко применяются при охлаждении горячих поверхностей тел. Наиболее эффективным является отбор тепла при испарении, который в 10... 12 раз интенсивнее, чем при плавлении. Кроме того, температура испарения примерно вдвое превышает температуру плавления.

Согласно правилу Трутона теплота испарения определяется как

где К₂ = 80...90 кДж/(моль∙К).

Отсюда следует, что чем меньше атомная масса вещества и выше температура испарения, тем больше теплота испарения. Так значение Q_исп изменяется от 500 кДж/кг у низкотемпературных металлов, до 10 000 кДж/кг у тугоплавких оксидов и 20 000 кДж/кг у графита. Высокое значение теплоты испарения графита играет существенную роль, поэтому при создании высокотемпературных теплозащитных материалов нужно стремиться к тому, чтобы в них было как можно больше атомов углерода. Кроме того, в пограничном слое может происходить многократная диссоциация и ионизация продуктов уноса при высоких температурах, что способствует дополнитель­ному поглощению тепла, выделяемого нагретой поверхностью.

Энергия диссоциации и ионизации некоторых веществ состав­ляет соответственно (кДж/кг): О₂ – 15 450 и 41 000; N₂– 33 480 и 50 000; Н₂0– 13 430.

Общие требования к теплозащитным материалам, использова­ние которых базируется на физико-химических превращениях, мож­но сформулировать следующим образом: они должны

1) поглощать большое количество тепла при физико-химичес­ких превращениях;

2) иметь высокое значение объемной теплоемкости С;

3) обладать высокой прочностью при высоких температурах для обеспечения небольшого механического уноса;

4) по возможности иметь высокую температуру разрушающейся поверхности и большое значение степени черноты ;

5) образовывать при разрушении газообразные продукты с ма­лой молекулярной массой для эффективного снижения конвектив­ного теплового потока;

6) в случае образования жидкой пленки, вязкость последней дол­жна быть значительной.

Конечно, трудно найти материал, удовлетворяющий всем этим требованиям. Поэтому выбор производится в зависимости от кон­кретных условий работы. Разрушающиеся теплозащитные материа­лы широко используются для защиты спускаемых космических аппа­ратов, камер сгорания, сопловых блоков РДТТ и т. д.

1.3. ПЕРЕНОС ТЕПЛА В ТЕПЛОЗАЩИТНОМ ПОКРЫТИИ (ТЗП)

Конвективный или радиационный тепловые потоки, подведен­ные извне к поверхности ТЗП, в общем случае поглощаются или рас­сеиваются.

1.3.1. ПОРИСТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Механизм пористого охлаждения складывается из двух процес­сов: внутреннего теплообмена, во время которого газ отбирает теп­ло от внутренней стенки при фильтрации к внешней поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающий газ, покинув стенку, диффундирует через пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток.

Под пористой средой понимают твердое тело, содержащее пустые поры, распределенные более или менее равномерно по объему тела.

Объемная пористость – это отношение объема пор V_п к объе­му тела V₀

Если обозначить через V_Т объем материала, занятого частицами твердого каркаса, то

Для каркаса их сферических частиц получаем

где N₃ – число частиц в единице объема; d – диаметр частицы.

Металлические пористые материалы (рис. 1) обычно получают прессованием сферических порошков или плетением из волокна или проволоки. Наиболее употребляемыми материалами при создании пористых изделий являются нержавеющая сталь, вольфрам, никель.

Скорость течения охладителя в порах при заданном перепаде дав­ления Р поперек пористой стенки толщиной h может быть уста­новлена с помощью закона Дерси:

где К_п – коэффициент проницаемос-

ти, который определяется структурой пористого материала; μ –коэффициент вязкости охладителя.

Массообменное охлаждение может быть реализовано не только че­рез пористую стенку, но и с помощью разрушающихся материалов. Нап­ример, вкладыш критического сечения изготавливается из тугоплавко­го материала, пропитанного легкосублимирующими компонентами.