В настоящее время известно шесть основные способов отвода (поглощения) тепла: теплопроводностью с использованием теплоемкости конден сированных веществ, конвекцией, массообменом, излучением, с помощью электромагнитных полей и, наконец, за счет физико-химических превращений. На практике часто встречается комбинация двух или более указанных выше способов. Каждый из этих способов или их сочетание могут быть реализованы в виде различных методов тепловой защиты в зависимости от конкретного конструктивного оформления. Способность некоторых материалов легко отводить тепло от нагретых поверхностей хорошо известна и находит широкое применение уже сотни лет. Системы с накоплением тепла являются низкотемпературными, ибо они работают при температурах ниже точки плавления поглощающего тепло материала. Тепло отводится от поверхности теплопроводностью в соответствии с законом Фурье. Следовательно, эффективность данного принципа отвода тепла тем выше, чем больше теплоемкость материала, его теплопроводность и температура плавления или сублимации.
На практике широко используются металлы, имеющие более высокие по сравнению с другими веществами значения коэффициента теплопроводности, что обеспечивает усвоение ими тепла относительно равномерно по всей массе материала. Чем меньше критерий, тем вероятнее, что тепло пройдет «транзитом» через стенку прежде, чем на ее поверхности будет достигнута температура разрушения. Можно показать, что нецелесообразно использовать металлические стенки толщиной 12 более 25—50 мм.
Важными факторами, которые следует иметь в виду при выборе тог или иного материала в качестве поглотителя тепла, являются его мехг ническая прочность при высоких температурах, а также однородность. Так хрупкий графит менее предпочтителен чем медь, которая часто используется на практике благодаря ее хорошей технологичности, высокому коэффициенту теплопроводности, исключающему и равномерность нагрева изделий. Верхний температурный предел металлов обычно намного ниже из-за окисления. Конвективное охлаждение. Среди газообразных охладителей своей теплоемкостью выделяете водород, на практике чаще используются жидкость — вода, спирт и т. д. При высоких температурах стенки для охлаждения могут применяться расплавленные металлы (натрий, литий). Жидкий металл на охлаждаемую стенку можно подавать с помощью форсунок.
В зависимости от способа рассеяния тепла в окружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяются на замкнутые и разомкнутые. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получающий тепло от горячей стенки, рассеивает его в окружающую среду или передает другому теплоносителю. В этом случае необходимое количество охладителя не зависит от времени эксплуатации системы. Для снижения перепада температуры в стенке и улучшения условий отвода тепла материал стенки должен обладать большой теплопроводностью. Лучшими материалами для этих целей являются медь, молибден. Данный способ неприменим, когда температура поверхности превышает температуру плавления или когда происходит эрозия стенки.
Расширить интервал допустимых тепловых потоков при достаточно интенсивном подводе тепла от горячих газов можно за счет использования теплоты фазового превращения (испарения) охладителя на поверхности. Так, теплота испарения расплавленного лития составляет около 20 500 кДж/кг, литий кипит при 1590 К. Конвективное охлаждение часто используется в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также в стационарных высокотемпературных промышленных установках (плазмотронах и др.). Здесь применяются системы трубчатого охлаждения, состоящие из разветвленной сети каналов или труб, расположенных под нагреваемой поверхностью и находящихся в тесном контакте с ней. Через трубы непрерывно прокачивается жидкий или газообразный охладитель. Максимальное количество тепла, поглощенное такой системой, зависит от теплопроводности материала стенки, расхода и теплоемкости охладителя. В ЖРД применяется обычно система разомкнутого типа; использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру сгорания двигателя и там сгорает.
11 июля 2012
