Конвективного теплового

1. Реальные пакеты конвективных поверхностей нагрева со сложной многоходовой схемой движения сред и панели радиационных поверхностей, составленные из большого числа параллельно включенных по рабочей среде труб, представляются идеализированной :расчетной схемой. Расчетная схема конвективного теплообменника представляет собой систему из двух движущихся в параллельных направлениях сред: греющих газов и рабочей среды, разделенных неподвижной твердой стенкой. Греющие газы в стационарном режиме отдают тепло через разделяющую стенку рабочей среде и контактируют с наружной стенкой, имеющей адиабатическую поверхность со стороны внешней окружающей среды.

При Рн— Т ц— О исключается влияние аккумуляции тепла в наружной стенке (кожухе). При йд = 0 получаем описание конвективного теплообменника, не воспринимающего тепло из топки. Для радиационных панелей и трубопроводов уравнение '(7-И) не (включается в описа-

Подробное изложение аналитического решения уравнений динамики и описание свойств функций U приводятся в [Л. 52]. Для практических целей имеются таблицы или номограммы этих функций. Разработаны алгоритмы вычисления значений таких функций на ЭВМ. Аналитическое решение в таком виде удается, как правило, получить для моделей, описываемых двумя уравнениями в частных производных с постоянными коэффициентами. К ним относятся модели конвективного теплообменника с несжимаемой средой и «тонкой» стенкой, радиационного теплообменника и трубопровода с теплоаккумулирующей стенкой и несжимаемой средой, радиационного теплообменника со сжимаемой средой без аккумулирующей стенки и ряд других моделей. Для более сложных моделей аналитические решения в виде временных характеристик не определены. Поэтому построение модели всего парогенератора с использованием аналитических решений практически неосуществимо.

В результате аппроксимирующая система уравнений динамики конвективного теплообменника в векторно-матричнои форме будет иметь вид:

Для конвективного теплообменника с несжимаемой средой выражения операторов Ru и Rtt упрощаются:

Таким образом, операторы Rjh, /=-/, ?>г, р, ^; &=/, 9, Д., связывающие входные и выходные координаты теплообменника, выражаются в явном виде через трансцендентные функции Яп и комплексы, составленные из коэффициентов уравнений динамики, комплексного параметра преобразования Лапласа по времени s и передаточных функций разделяющей стенки. Выше были приведены выражения и показан способ их определения для наиболее общего случая конвективно-радиационного теплообменника со сжимаемой рабочей средой, распределенными по длине температурой газа и энтальпией рабочей среды. Вид Rjk не зависит от модели разделяющей стенки. Выбор модели стенки влияет только на выражения передаточных функций WQt, W#B. Операторы Rjk для трубопроводов, радиационных теплообменников и прямоточных конвективных теплообменников совпадают с соответствующими передаточными функциями Wjh-В случае противоточного конвективного теплообменника возмущения по температуре газа задаются в точке Х=1. Операторы Rjh получены в результате решения задачи Коши, когда возмущения считались заданными в точке Х=0. Поэтому для противоточного теплообменника передаточные функции Wjh не совпадают с Rjh, а определяются комбинацией последних в соответствии с табл. 8-2.

а) описание температуры газа различными сосредоточенными моделями либо представление конвективного теплообменника моделью с заданным законом изменения теплоподвода от греющих газов;

По программе блока VI вычисляются комплексные значения операторов Rij для Wij. Если теплообменник радиационный или трубопровод, то в результате работы блока в соответствии с табл. 8-3 определяются непосредственно передаточные функции теплообменника. Для конвективного теплообменника дополнительно рассчитываются значения Rtn для определения передаточных функций к температуре газа. Для прямоточного конвективного теплообменника частотные характеристики всех передаточных функций совладают с RH. Для противоточного теплообменника частотные характеристики Wjh определяются по значениям Rjh в соответствии с табл. 8-2.

а для конвективных теплообменников задается непосредственно в исходной информации (из теплового расчета). Критерий Sti в уравнении энергии газов определяется исходя из теплового баланса конвективного теплообменника по формуле

Дующего (/+1)-го теплообменника, либо используются для их вычисления совместно с выходами других участков по уравнениям смешения (9-4). Выход /-го теплообменника по температуре газа в соответствии с логической информацией о соединении теплообменников по газовому тракту рассматривается как вход k-ro конвективного теплообменника. Выходные координаты всех теплообменников, вычисленные на некотором текущем шаге итерации, сравниваются с результатами предыдущего шага, решение заканчивается при их совпадении с заданной точностью.

Общие исходные данные о расчетной схеме включают в себя числовые значения следующих параметров: N — число всех теплообменников; К — число конвективных теплообменников, KСпособ транспирационного охлаждения конструкций, на которые воздействуют внешние тепловые конвективные или лучистые потоки высокой плотности (см. рис. 1.1), обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими видами тепловой защиты: а - высокой эффективностью использования охладителя; б — контролируемым уменьшением внешнего конвективного теплового потока, достигающего поверхности за счет регулируемого вдува охладителя; в — снижением внешнего лучистого теплового потока при подаче газовзвеси с твердыми частицами, а также лучепоглощающего газа или паров; г — отсутствием ограничений по величине внешнего теплового потока при сохранении неизменности формы и целостности охлаждаемой поверхности. В ряде случаев при чрезвычайно высоких тепловых потоках, сложной конструкции или малой доступности поверхности пористое охлаждение — единственно возможный метод тепловой защиты.

Как показывают расчеты, такая схема присуща процессам пористого охлаждения при значениях направленного конвективного теплового потока, отнесенного к толщине пористой стенки 5, меньших q[ b < < 108 Вт/м3. При этом, например металлическая матрица, должна иметь пористость (П = 0,2...0,4) и может быть изготовлена методами порошковой металлургии или прокаткой.

Так как поведение большинства теплозащитных систем в условиях конвективного и радиационного тепловых воздействий оказывается принципиально различным, то анализ работы защиты в указанных случаях производится раздельно. При этом большая часть книги посвящена способам защиты от конвективного теплового потока. Принципиальные особенности работы теплозащитной системы при наличии интенсивного радиационного теплового потока освещены в гл. 10.

В заключение параграфа несколько слов о модификации этого способа применительно к таким условиям аэродинамического нагрева, когда излучение набегающего потока соизмеримо или выше по интенсивности конвективного теплового воздействия. В этом случае целесообразно переизлучать тепловую энергию не с поверхности теплозащитного покрытия, а из пограничного слоя.

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

Особенностью теплообмена в пограничном слое при высоких температурах является участие в переносе тепла атомов и ионов, образующихся в результате диссоциации и ионизации. Они диффундируют в области меньшей атомарной и ионной концентрации, где рекомбинируют, перенося тем самым энергию к поверхности. При определенных условиях выделившаяся в результате рекомбинации энергия может превысить поток тепла к стенке за счет теплопроводности. Таким образом, величину конвективного теплового потока к поверхности тела можно записать следующим образом:

Рис. 2-7. Распределение конвективного теплового потока вдоль поверхности полусферы. Данные [Л. 2-11]:

Необходимо отметить, что у полусферы максимум нагрева наблюдается в точке торможения лишь при ламинарном пограничном слое. Если происходит переход к турбулентному течению, то максимальная интенсивность конвективного теплового потока имеет место в «звуковой» точке, т. е. в точке касания звуковой линией контура тела. Последнее обстоятельство связано с максимумом массовой скорости (р«)макс газового потока в звуковой точке, т. е. при М=1.

г)снижение конвективного теплового потока к поверхности при вду-ве газообразных продуктов разрушения в пограничный слой.

Снижение конвективного теплового потока при вдуве газообразных продуктов с разрушающейся поверхности является важнейшей принципиальной особенностью данного способа тепловой защиты, определяющей ее преимущества перед другими методами. Как было установлено в гл. 4, разность между тепловыми потоками к непроницаемой поверхности и к поверхности с расходом массы через нее [уравнение (4-12)] в первом приближении равна:

Рассмотрим теперь характерные процессы, протекающие на поверхности полимера в случае подвода к ней конвективного теплового потока. Для простоты считается, что тепло распространяется лишь в направлении, перпендикулярном поверхности, к которой подводится тепло (ниже будут указаны границы, в которых данное предположение верно).