Использование: в установках аэродинамического нагрева, преимущественно в камерных сушилках. Сущность изобретения заключается в том, что роторы могут размещаться произвольно в секциях, снабжены направляющими экранами в виде полуокружности или ломаной линии и установлены на поворотном диске с возможностью поворота вокруг оси на 180 o , в перегородке имеются отверстия с заслонками, а регулирующий орган установлен на выходе из нагревателя. 4 з. п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к области теплотехники, а именно к воздухонагревателям, в частности к устройствам для нагрева и нагнетания воздуха, и может быть использовано в установках аэродинамического роторного нагрева, например в камерных сушилках для древесины. Наиболее близок по технической сущности к заявляемому устройству описанный в книге В.В. Сергеева "Аэродинамические лесосушильные камеры". М. 1981 г. аэродинамический нагревать, содержащий камеру с прямоугольным выходным отверстием в стенке и регулировочной заслонкой в нем, разделенную перегородкой на две секции, в каждой из которых размещен ротор аэродинамического теплогенератора. Устройство-прототип обслуживает лесосушильную камеру. Недостаток известного решения значительная неравномерность скоростей истечения потока из выходного отверстия. Из-за неорганизованного взаимодействия струй, выходящих с лопаток ротора и отраженных от стенок камеры, соотношение скоростей составляет в известном устройстве 1:0,6:0,3 (верх, середина, низ). Отсюда большой разброс скоростей в потоке воздуха, омывающего обрабатываемый материал, и в циркуляционном тракте. Такая аэродинамика отрицательно сказывается на качестве тепловой обработки, в частности, в сушилках, приводит к неравномерности конечной влажности в штабеле по высоте. Цель изобретения улучшение технико-экономических показателей работы установки, а именно качества продукции и экономичности за счет повышения равномерности подачи и расширения возможностей регулирования совместной работы роторов. Эта цель достигается тем, что в аэродинамическом нагревателе роторы в секциях камеры нагрева размещены произвольно, причем по одному сторону роторов установлены прилегающие к фронтальной и торцевой стенкам камеры направляющие экраны, а в разделительной перегородке между роторами выполнены отверстия, снабженные шарнирно закрепленными заслонками; направляющие экраны выполнены в виде полуокружности вокруг ротора в его плоскости с радиусом кривизны R, равным от 0,6 до 1,0 диаметра ротора D, и с эксцентриситетом Б относительно его оси, составляющим 0,1 0,3 диаметра ротора. Второй конструктивный вариант формы экранов в виде ломаной линии, отрезки которой расположены по касательной к полуокружности вокруг ротора с радиусом кривизны R от 0,6 до 1,0 D, ось которой расположена с эксцентриситетом Б относительно оси ротора от 0,1 до 0,3 D диаметра ротора. Роторы имеют возможность вращения в обоих направлениях. Разделительная перегородка между секциями камеры примыкает по касательной к направляющему экрану одного из роторов (нереверсивный нагреватель). В другом варианте каждый направляющий экран установлен на поворотном в плоскости ротора диске, имеющем возможность поворота на 180 o (реверсивный нагреватель). Предлагаемое техническое решение схематично представлено на чертежах, где показаны: на фиг. 1, 2, 6, 7 конструктивные варианты устройства, в двух проекциях фронтальной и в плане; на фиг. 3, 4, 5 схемы узлов нагревателя; на фиг. 8, 9, 10 варианты реализации устройства в промышленных установках на примерах печи для термообработки, сушильной камеры и отопительно-вентиляционной установки соответственно. Во всех вариантах конструктивного оформления устройства роторы 1 установлены в камере нагрева между верхней 2 и нижней 3 стенками; камера разделена на две секции перегородкой 4 с отверстиями 5 и заслонками 6 (фиг. 1, 2, 4, 6, 7). С одной стороны роторы закрыты направляющими экранами 7, они (экраны) перекрывают всю полость камеры, примыкая к нижней 3 и боковым ее стенкам торцевой (задней на чертежах) 8 и фронтальной (передней) 9 (фиг. 1-3, 6, 7). Стенки 2, 3, 8, 9 образуют выходной канал с отверстием 10 (фиг. 1, 2, 6, 7); в передней стенке 9 имеется входное отверстие 11. Канал 10 перекрывается регулировочной заслонкой 12, например поворотной, выполняющей роль регулятора тепловой мощности нагревателя путем регулирования подачи ротора. Привод роторов 1 может быть реверсивным; вращение роторов в обоих направлениях дает двухступенчатое регулирование потребляемой мощности, а следовательно теплопроизводительности, от номинальной N ном при прямом вращении до 0,7 N ном при обратном. Расположение роторов может быть произвольным (фиг. 1, 2). На фиг. 6, 7 показан пример другого, промежуточного между крайними расположения роторов. При таком исполнении устройство легко встраивается в различные схемы, агрегаты, упрощаются компоновка, соединение с циркуляционным трактом. Направляющие экраны 7 согласно предложению могут быть выполнены в двух вариантах: в виде полуокружности в плоскости ротора (фиг. 3а) либо в виде описанного многоугольника относительно окружности (фиг. 3б) с радиусом кривизны R, равным от 0,6 до 1,0 D, и эксцентриситетом Б относительно оси ротора в пределах 0,1 0,3 D, где D наружный диаметр ротора. Экраны с прилегающими стенками камеры образуют как бы корпус ротора подобно устройству вентилятора, с проемом для подачи (выхода) потока. Указанные соотношения обеспечивают точность изготовления и контроль размеров экранов; эти соотношения выбраны как наиболее рациональные по опытным и расчетным данным и рекомендациям: значения радиуса кривизны R и эксцентриситета обеспечивают в сочетании компактность узла (ограничение верхнего значения R) с одной стороны и достаточно плавный профиль экрана (ограничение R снизу) с другой и тем самым невысокие аэродинамические сопротивление узла и потери энергии потока. В заявляемом объекте, в рамках одного общего технического решения, предусматриваются два технологических варианта устройства: нереверсивный (фиг. 1, 2) и реверсивный (фиг. 6, 7) нагреватели. В нереверсивном устройстве разделительная перегородка 4 установлена по одну сторону от плоскости, проходящей через оси вращения роторов, по касательной к экрану одного из роторов и служит продолжением экрана. Поток движется в одном направлении (на фиг. 1, 2 справа налево). Направление потока показано стрелками. Реверсирование потока, практикуемое иногда в сушильных камерах, улучшает аэродинамику, обеспечивает равномерный обдув материала и способствует повышению качества тепловой обработки (равномерность сушки, снижение перепадов температуры в материале). В реверсивном нагревателе (фиг. 6, 7) экраны 7 установлены на поворотном диске (площадке) 13, имеющем возможность поворота на 180 o (фиг. 5). Вал этого диска проходит наружу, к приводному устройству (рычагу) через стенку камеры, например, в то же отверстие, что и вал ротора (не показано). На фиг. 6 исходное положение экранов; на фиг. 7 положение после поворота экранов на 180 o . Направление движения воздуха меняется при этом на противоположное. В реверсивном нагревателе перегородка 4 расположена по обе стороны от проходящей через оси роторов плоскости. На фиг. 4 показано устройство перегородки 4 с гравитационным приводом заслонок, как вариант, в виде груза 14, прижимающего заслонку 6, которая закрывает отверстие 5. Конструкция перегородки в сочетании с экраном 7 позволяет получить равномерное распределение потока по высоте. Как показали испытания опытного образца, соотношение скоростей в выходном отверстии по высоте составляет 0,95:1:0,95. Регулировочная заслонка или регулятор мощности 12 может быть выполнена секционной или сплошной, как показано на чертежах для простоты. Заслонка устанавливается в канале 10 на выходе потока из камеры нагрева и имеет выведенный наружу привод ручной, механический, дистанционный, автоматический (не показан). Работа заслонки улучшает распределение потока по всему выходному сечению за счет дросселирования, регулируя мощность при открытии заслонки до 90 o от 0,35 N ном до 1,0 N ном (из-за неплотностей). Для управления потоком в условиях реверса нагреватель снабжен двумя регулировочными заслонками 12 и двумя клапанами 15, установленными под углом 90 o друг к другу (фиг. 6, 7). Нижняя и верхняя стенки камеры снабжены технологическими выступами 16 для выравнивания потока, по высоте камеры установлен продольный экран 17. Конструкция работает следующим образом. При малой потребности в энергии в работе находится один ротор, например левый на фиг. 1. Поток от ротора направляется экраном 7 и распределяется перегородкой 4 равномерно по выходному сечению. Потоком воздуха заслонки 6 прижимаются к перегородке и закрывают отверстия 5. Регулятором 12 изменяют проходное сечение выходного канала 10, регулируя тем самым подачу и связанную с ним мощность ротора. При увеличении нагрузки включают второй ротор, например верхний, фиг. 2. Потоком воздуха от этого ротора заслонки 6 в перегородке 4 открываются, потоки от обоих роторов сливаются и образуют общий поток с относительно равномерным распределением скоростей в выходном отверстии 10. Требуемую тепловую мощность устанавливают регулятором 12. Реверсивный нагреватель работает с одним ротором аналогично нереверсивному по схеме на фиг. 1: на фиг. 6 в работе нижний ротор, на фиг. 7 верхний, только в этом случае все заслонки 6 закрыты. На фиг. 6, 7 показаны варианты работы обоих роторов, но с различным направлением потока. По схеме на фиг. 6 воздух засасывается справа между передней стенкой 9 и продольным экраном 17 во входные отверстия 11; поток выходит из роторов под напором, формируется и направляется под воздействием экранов 7 и выступов 16, разворачивается влево и через выходной канал 10 и регулятор 12 выходит из нагревателя; направление потока справа налево. Реверсирование потока производят поворотом направляющих экранов 7 на 180 o с помощью поворотных дисков 13 (фиг. 5, 7). В исходном положении (фиг.6) отверстия 5 в верхней части перегородки 4 открыты, а в нижней закрыты. После поворота экранов на 180 o (фиг. 7) отверстия верхней половины перегородки закрыты, а нижней открыты. Направление потока - обратное. Для ступенчатого регулирования мощности нагревателя меняют направление вращение ротора, включают в работу один или оба ротора. В результате имеют ступени мощности, от номинальной: 1:0,7:0,5:0,35: оба ротора прямого и обратного вращения и один ротор в тех же режимах соответственно. Плавное регулирование обеспечивают регулятором мощности 12 от 1 до 0,35 N ном ротора В реверсивном нагревателе используют два регулятора мощности 12 попеременно: один из них закрыт, другим регулируют поток на выходе (фиг. 6, 7). Два клапана 15 в приточном канале также находятся попеременно в позициях "открыто-закрыто" одновременно с регулятором 12. Эти клапаны 15 изменяют направление потока воздуха к входным отверстиям 11, идущего по всасывающему каналу между стенкой 9 и экраном 17. Фиг. 8-10 иллюстрируют применение нагревателя в промышленных установках. Так, в печи с нереверсивным нагревателем для тепловой (термической) воздушной обработки материала установке типа ПАП (фиг. 8) роторы установлены в корпусе печи 18 под сводом, а их приводы электродвигатели 19 на своде. Обрабатываемый материал 20 размещают на тележке 21 и закатывают в печь, закрывая корпус дверью 22. Для притока свежего и выброса отработанного воздуха имеются приточно-вытяжные трубы 23. Предлагаемый нагреватель обеспечивает нагрев и циркуляцию воздуха в рабочем объеме по замкнутому контуру, тепловую обработку материала с высокой равномерностью и регулированием тепловой нагрузки в широких пределах 0,35 - 1,0 N ном. Установка (термическая печь, сушильная камера и т.п.), показанная на фиг. 9, оборудована реверсивным нагревателем. Реверс потока осуществляют поворотом направляющих экранов 7 на 180 o , перестановкой регуляторов мощности и клапанов. На фиг. 10 показано применение устройства как отопительно-вентиляционного агрегата. Воздух всасывается по каналу 24 с клапаном 15 и нагнетается через выходной канал 10 и регулятор 12 в помещение 25. На выходе установки предусмотрена заслонка 26, с помощью которой обеспечивают рециркуляцию потока в корпусе установки с целью интенсификации нагрева и повышения тепловой мощности. Таким образом, отличительные признаки описывают объект изобретения, удовлетворяющий требованиям существенной новизны, и дают новый эффект по сравнению с известными решениями, а именно: многоступенчатое и плавное регулирование в больших пределах, большие равномерность скоростей потока на выходе и в контуре, однородность тепловой обработки, лучшее качество продукции, большие возможности и лучшие условия регулирования нагрузки электродвигателей и тем самым экономичность их работы за счет повышения значений КПД и cos при включении одного или двух роторов. 2 4
Формула изобретения
1. Аэродинамический нагреватель, преимущественно для сушильной установки, содержащий камеру нагрева с параллельными фронтальной и торцевой стенками, выходным каналом и регулировочным дроссельным органом, направляющими экранами, и разделенную перегородкой на две секции, в каждой из которых размещен ротор аэродинамического теплогенератора, установленный с возможностью вращения в двух направлениях, отличающийся тем, что направляющие экраны выполнены криволинейной формы, размещены с частичным обрамлением каждого ротора и установлены в камере по всей ее ширине от фронтальной до торцевой стенки, а в перегородке выполнены отверстия, дополнительно снабженные шарнирно закрепленными заслонками. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что направляющие экраны имеют в сечении форму полуокружностей с радиусом кривизны, равным от 0,6 до1 диаметра ротора, оси которых размещены с эксцентриситетом относительно оси ротора, составляющим 0,1-0,3 диаметра ротора. 3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что направляющие экраны выполнены в виде ломаной линии, отрезки которой расположены по касательной к полуокружности вокруг ротора с радиусом кривизны от 0,6 до 1,0, ось которой расположена с эксцентриситетом относительно оси роторов от 0,1 до 0,3 диаметра ротора. 4. Нагреватель по пп.1-3, отличающийся тем, что разделительная перегородка между секциями камеры установлена по одну сторону от плоскости, проходящей через оси вращения роторов, и примыкает по касательной к направляющему экрану одного из роторов. 5. Нагреватель по пп.1-4, отличающийся тем, что направляющие экраны установлены каждый на поворотном в плоскости ротора диске с возможностью поворота на 180 o .
Аэродинамический нагрев
нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе. А. н. - результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью культур, торможение происходит прежде всего в ударной волне (См. Ударная волна),
возникающей перед телом. Дальнейшее торможение молекул воздуха происходит непосредственно у самой поверхности тела, в
пограничном слое (См. Пограничный слой). При торможении молекул воздуха их тепловая энергия возрастает, т. е. температура газа вблизи поверхности движущегося тела повышается максимальная температура, до которой может нагреться газ в окрестности движущегося тела, близка к т. н. температуре торможения: T
0 = Т
н + v 2 /2c p ,
где Т н -
температура набегающего воздуха, v -
скорость полёта тела, c p
- удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении. Так, например, при полёте сверхзвукового самолёта с утроенной скоростью звука (около 1 км/ сек
) температура торможения составляет около 400°C, а при входе космического аппарата в атмосферу Земли с 1-й космической скоростью (8,1 км/сек
) температура торможения достигает 8000 °С. Если в первом случае при достаточно длительном полёте температура обшивки самолёта достигнет значений, близких к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры. Из областей газа с повышенной температурой тепло передаётся движущемуся телу, происходит А. н. Существуют две формы А. н. - конвективная и радиационная. Конвективный нагрев - следствие передачи тепла из внешней, «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела.
Количественно конвективный тепловой поток определяют из соотношения q k = а
(Т е -Т
w), где T e -
равновесная температура (предельная температура, до которой могла бы нагреться поверхность тела, если бы не было отвода энергии), T
w - реальная температура поверхности, a
- коэффициент конвективного теплообмена, зависящий от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, а также от других факторов. Равновесная температура близка к температуре торможения. Вид зависимости коэффициента а
от перечисленных параметров определяется режимом течения в пограничном слое (ламинарный или турбулентный). В случае турбулентного течения конвективный нагрев становится интенсивнее. Это связано с тем обстоятельством, что, помимо молекулярной теплопроводности, существенную роль в переносе энергии начинают играть турбулентные пульсации скорости в пограничном слое. С повышением скорости полёта температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит Диссоциация и Ионизация
молекул. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область - к поверхности тела. Там происходит обратная реакция (Рекомбинация),
идущая с выделением тепла. Это даёт дополнительный вклад в конвективный А. н. При достижении скорости полёта порядка 5000 м/сек
температура за ударной волной достигает значений, при которых газ начинает излучать. Вследствие лучистого переноса энергии из областей с повышенной температурой к поверхности тела происходит радиационный нагрев. При этом наибольшую роль играет излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже первой космической (8,1 км/сек
) радиационный нагрев мал по сравнению с конвективным. При второй космической скорости (11,2 км/сек
)
их значения становятся близкими, а при скоростях полёта 13-15 км/сек
и выше, соответствующих возвращению на Землю после полётов к другим планетам, основной вклад вносит уже радиационный нагрев.
Особо важную роль А. н. играет при возвращении в атмосферу Земли космических аппаратов (например, «Восток», «Восход», «Союз»). Для борьбы с А. н. космические аппараты оснащаются специальными системами теплозащиты (См. Теплозащита). Лит.:
Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике, М., 1960; Дорренс У. Х., Гиперзвуковые течения вязкого газа, пер. с англ., М., 1966; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966. Н. А. Анфимов.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Аэродинамический нагрев" в других словарях:
Нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или др. газе. А. н. результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если полёт совершается со сверхзвук. скоростью, торможение происходит прежде всего в ударной… … Физическая энциклопедия
Нагрев тела, движущегося с большой скоростью в воздухе (газе). Заметный аэродинамический нагрев наблюдается при движении тела со сверхзвуковой скоростью (например, при движении головных частей межконтинентальных баллистических ракет) EdwART.… … Морской словарь
аэродинамический нагрев - Нагревание обтекаемой газом поверхности тела, движущегося в газообразной среде с большой скоростью при наличии конвективного, а при гиперзвуковых скоростях и радиационного теплообмена с газовой средой в пограничном или ударном слое. [ГОСТ 26883… … Справочник технического переводчика
Повышение температуры тела, движущегося с большой скоростью в воздухе или др. газе. Аэродинамический нагрев результат торможения молекул газа вблизи поверхности тела. Так, при входе космического аппарата в атмосферу Земли со скоростью 7,9 км/с… … Энциклопедический словарь
аэродинамический нагрев - aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ore) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: angl. aerodynamical heating vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. аэродинамический нагрев, m pranc.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas - повышение темп ры тела, движущегося с большой скоростью в воздухе или др. газе. А. и. результат торможения молекул газа вблизи поверхности тела. Так, при входе космич. аппарата в атмосферу Земли со скоростью 7,9 км/с темп pa воздуха у поверхности … Естествознание. Энциклопедический словарь
Аэродинамический нагрев конструкции ракеты - Нагрев поверхности ракеты во время ее движения в плотных слоях атмосферы с большой скоростью. А.н. – результат того, что налетающие на ракету молекулы воздуха тормозятся вблизи ее корпуса. При этом происходит переход кинетической энергии… … Энциклопедия РВСН
Concorde Concorde в аэропор … Википедия
Трение о воздух, конечно, происходит, и при этом выделяется какое-то количество тепла, однако раскаляет обшивку спускаемого аппарата и заставляет пылать и взрываться летящие к земле болиды другой физический процесс, называемый аэродинамическим нагревом.
Как известно, впереди движущегося в газе со сверхзвуковой скоростью тела формируется ударная волна — тонкая переходная область, в которой происходит резкое, скачкообразное увеличение плотности, давления и скорости вещества. Естественно, при повышении давления газа он нагревается — резкое увеличение давления приводит к быстрому повышению температуры. Вторым фактором — это и есть собственно аэродинамический нагрев — становится торможение молекул газа в тонком слое, прилегающем непосредственно к поверхности движущегося объекта — энергия хаотичного движения молекул возрастает, и температура вновь растет. А уже горячий газ нагревает и само мчащееся на сверхзвуке тело, причем тепло переносится как с помощью теплопроводности, так и с помощью излучения. Правда излучение молекул газа начинает играть заметную роль при очень высоких скоростях, например, на 2-й космической.
С проблемой аэродинамического нагрева приходится сталкиваться не только конструкторам космических кораблей, но и разработчикам сверхзвуковых летательных аппаратов — тех, что никогда не покидают атмосферу.
Известно, что конструкторы первых в мире сверхзвуковых пассажирских самолетов — Concorde и Ту-144 — были вынуждены отказаться от идеи заставить свои самолеты летать со скоростью 3 Маха (пришлось довольствоваться «скромными» 2,3). Причина — аэродинамический нагрев. При такой скорости он раскалял бы обшивки лайнеров до таких температур, которые могли уже сказаться на прочности алюминиевых конструкций. Заменять же алюминий на титан или специальную сталь (как в военных проектах) было невозможно по экономическим соображениям. Кстати, о том, как решали проблему аэродинамического нагрева конструкторы знаменитого советского высотного перехватчика МиГ-25, можно прочитать в
Анимация
Описание
Аэродинамический нагрев - нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе.Аэродинамический нагрев - результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха (газа) тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью, торможение происходит прежде всего в ударной волне, возникающей перед телом. При торможении молекул воздуха в пограничном слое, непосредственно у поверхности тела, энергия их хаотического движения возрастает, что ведет к росту температуры газа в этом слое и аэродинамическому нагреву тела. Например, при полете сверхзвукового самолета со скоростью 1 км/с температура торможения составляет около 700 К, а при входе космического аппарата в атмосферу Земли с первой космической скоростью (~7,6 км/с) температура торможения достигает 8300 К. Если в первом случае температура обшивки самолета может быть близка к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнет разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры.
Максимальная температура, до которой может нагреваться газ в окрестности движущегося тела, близка к так называемой температуре торможения Т 0 :
,
где - температура набегающего воздуха;
V - cкорость полета тела;
c р - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении.
С увеличением скорости движения тела температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает.
Степень аэродинамического нагрева существенно зависит от формы тела, которая учитывается путем введения аэродинамического коэффициента сопротивления Сх . Различают два вида аэродинамического нагрева: конвективный и радиационный. Конвективный нагрев - это перенос тепла из области пограничного слоя к поверхности движущегося объекта путем теплопроводности и диффузии. Радиационный нагрев - это перенос тепла за счет излучения молекул газа. Соотношение между тепловыми потоками конвекционными и радиационными зависят от скорости движения объекта. До значений первой космической скорости преобладает конвективный нагрев, при второй космической скорости (~11200м/с) конвективные и радиационные потоки примерно равны, а при скоростях более 13000 м/с преобладающим тепловым потоком становится радиационный.
Характеристики аэродинамического нагрева газов изучаются на установках, носящих название ударные трубы. Ударную волну можно создать путем взрыва, электрического разряда и т.д.
Временные характеристики
Время инициации (log to от -1 до 2);
Время существования (log tc от 13 до 15);
Время деградации (log td от -1 до 2);
Время оптимального проявления (log tk от 1 до 2).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
С аэродинамическим нагревом связана проблема «теплового барьера», возникающая при создании сверхзвуковых самолетов и ракет-носителей. Важную роль аэродинамический нагрев играет при возращении космических аппаратов в атмосферу Земли, а также при входе в атмосферу планет со скоростями порядка второй космической и выше. Для борьбы аэродинамическим нагревом применяются специальные системы теплозащиты.
Аэродинамический нагрев обычно играет роль отрицательного фактора. Для борьбы с аэродинамическим нагревом летательные аппараты оснащают специальными системами теплозащиты. Существуют активные и пассивные методы теплозащиты. При активных методах газообразный или жидкий охладитель подается принудительно к защищаемой поверхности. Газообразный охладитель как бы загораживает поверхность от воздействия высокотемпературной внешней среды, а жидкий охладитель, образующий на поверхности защитную пленку, поглощает подходящую к поверхности теплоту в результате нагрева и испарения пленки, а также последующего нагрева паров. При пассивных методах теплозащиты воздействие теплового потока принимает на себя специальным образом сконструированная внешняя оболочка или специальное покрытие, наносимое на основную конструкцию. Наибольшее распространение получила теплозащита с помощью разрушающихся поверхностей, в которой тепловой поток расходуется на процессы плавления, испарения, сублимации ихимических реакций. Материалы таких покрытий - стеклопластики и другие пластмассы на органических и кремнийорганических связующих. Перспективны также углерод и углеродные композиции.
Ином газе. Аэродинамический нагрев неразрывно связан с аэродинамическим сопротивлением, которое испытывают тела при движении в атмосфере; энергия, затрачиваемая на его преодоление, частично передаётся телу в виде аэродинамического нагрева. При движении тела встречный поток газа тормозится вблизи его поверхности. Если тело движется со сверхзвуковой скоростью, то торможение происходит сначала в ударной волне, возникающей перед телом, затем непосредственно у самой его поверхности, где торможение вызывается силами вязкости, заставляющими молекулы газа «прилипать» к поверхности, образуя так называемый пограничный слой. При торможении потока его кинетическая энергия уменьшается, и соответственно увеличиваются внутренняя энергия газа и его температура. Так, при полёте ЛА со скоростью, втрое превышающей скорость звука (около 1 км/с), температура воздуха у его поверхности составляет около 400 К, при входе в атмосферу Земли с 1-й космической скоростью (около 8 км/с) достигает 8000 К, а со 2-й космической скоростью (11,2 км/с) - около 11 000 К. Из областей газа с повышенной температурой теплота передаётся движущемуся телу, происходит аэродинамический нагрев. Существуют две формы аэродинамического нагрева - конвективный и радиационный.
Конвективный нагрев - следствие передачи теплоты теплопроводностью из внешней, «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела; зависит от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, характера течения (ламинарное или турбулентное) в пограничном слое. В случае турбулентного течения конвективный нагрев становится интенсивнее. При дальнейшем увеличении скорости полёта температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходят диссоциация и ионизация молекул газа. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область потока - к поверхности тела, где происходит обратная реакция (рекомбинация), идущая с выделением теплоты. Это вносит дополнительный вклад в конвективный аэродинамический нагрев.
Радиационный нагрев происходит вследствие переноса лучистой энергии из областей газа с повышенной температурой к поверхности тела. Наибольшую роль играют излучения в видимой и УФ-областях спектра. При скорости полёта порядка 5 км/с температура газа за ударной волной достигает значений, при которых газ начинает излучать. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже 1-й космической радиационный нагрев мал по сравнению с конвективным; при 2-й космической скорости их значения становятся близкими, а при скоростях 13-15 км/с и выше (соответствующих возвращению космического аппарата на Землю) основная доля аэродинамического нагрева принадлежит радиационнрй составляющей.
Аэродинамический нагрев также играет существенную роль при сверхзвуковом течении газа в каналах, в первую очередь в соплах ракетных двигателей. В пограничном слое на стенках сопла температура газа может быть близкой к температуре в камере сгорания ракетного двигателя (до 4000 К). При этом действуют те же механизмы переноса энергии, что и в пограничном слое на поверхности ЛА, в результате чего и возникает аэродинамический нагрев стенок сопла ракетного двигателя.
С аэродинамическим нагревом связана проблема «теплового барьера», возникающая при создании сверхзвуковых самолётов, ракет-носителей и космических аппаратов. Но если при достаточно длительном сверхзвуковом полёте обшивка самолёта нагревается до температуры, близкой к температуре торможения (порядка 400 К), то поверхность космического аппарата при входе в атмосферу Земли или другой планеты со скоростью более 10-11 км/с неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности обычных материалов выдерживать столь большие температуры (порядка 6000-8000 К). Поэтому для противодействия аэродинамическому нагреву на космических аппаратах применяют тепловую защиту.
Лит.: Основы теории полёта космических аппаратов. М., 1972; Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. 2-е изд. М., 1992.
Загрузка...
