double arrow

Конвективное охлаждение


При конвективном охлаждении стенка, соприкасающаяся с горячим потоком, с другой стороны омывается холодным газом или жидкостью. При заданных температуре горячего газа и условиях теплообмена его с поверхностью температурное состояние стенки зависит от температуры охладителя и интенсивности его теплообмена со стенкой. Повышение интенсивности теплообмена между охладителем и стенкой позволяет приблизить температуру стенки к температуре охладителя.

При использовании газообразного охладителя отобранная от стенки теплота расходуется на его нагрев, а при использовании жидкости – на нагрев и испарение.

В зависимости от способа рассеивания теплоты, полученной охладителем, в окружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяют на замкнутые и разомкнутые. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получивший теплоту от горячей стенки, рассеивает её в окружающую среду или передаёт другому теплоносителю. Одной из разновидностей разомкнутой системы охлаждения является испарительное охлаждение, где теплота поглощается вследствие испарения жидкости. При такой схеме охлаждения пар отделяется
от жидкости в сепараторе и выбрасывается в окружающую среду.

Рис. 13.1. Физическая картина процесса конвективного охлаждения

При конвективном охлаждении (рис. 13.1) стенка, соприкасающаяся с горячим газом (или другим источником теп­ла), имеющим температуру[2] tг и коэффициент теплоотдачи αг, с другой поверхности омывается охладителем с температурой tох и коэффициентом теплоотдачи αох. Параметры системы охлаждения должны обеспечивать такие условия теплообмена, при которых температура поверхности стенки со стороны газа (tст.г) не превышала бы допустимую величину.

Из формулы Ньютона

(13.1)

Считая стенку плоской можно записать:

Тогда:

(13.1')

Для оценки эффективности охлаждения рассматривают величину:

(13.2)

которую называют безразмерной температурой стенки или относительной глубиной охлаждения. Она показывает долю располагаемого температурного напора tг _ tох, реализуемогов системе охлаждения. Безразмерная температур может менять­ся в пределах от θ = 0 (охлаждения нет, tcт г = tг) до θ = 1 (предельная глубина охлаждения, tст г = tох).

Подставляя величину tст г из (13.1') в (13.2), найдем без­размерную температуру стенки при конвективном охлаждении:

(13.2')

Видно, что уменьшение температуры стенки (13.1'), а сле­довательно, и рост глубины охлаждения (13.2) возможны понижением тепловых сопротивлений стенки и охладителя .

Поэтому из условия охлаждения стенки целесообразно уменьшать, её толщину (если это допустимо из условия прочности), приме­нять материалы с высоким коэффициентом теплопроводности (при достаточной их термостойкости) и повышать величину αох. Уменьшение температуры возможно также путём понижения тем­пературы газа и повышения его теплового сопротивления (т. е. уменьшения αг). Однако возможности воздействия на эти ве­личины обычно ограничены или связаны с применением других способов тепловой защиты, которые рассмотрены ниже.




Формулы (13.1') и (13.2') получены для плоской гладкой стенки. В общем случае стенка, разделяющая газ и охлади­тель, может быть неплоской, вследствие чего поверхности, омы­ваемые газом и охладителем, неодинаковы. Кроме того, поверх­ность стенки со стороны охладителя может быть снабжена ребра­ми. Для учёта этих особенностей ввёдем в соответствующие фор­мулы коэффициент kф, который будем называть коэффициентом формы. Тогда формулы для tст г и θ приобретают вид:

(13.1'')

(13.2'')

Величина kф определяется по геометрическим характеристикам стенки. Например, для плоской стенки, снабжённой ребрами (формула 10.45).

где ηpкоэффициент эффективности оребрённой поверхности.

Конвективное охлаждение используется для охлаждения, горячих деталей двигателей (камер сгорания, дисков и лопаток газовых турбин, выходных сопел и др.); оно может быть приме­нено для охлаждения элементов летательных аппаратов, отвода тепла от радиоэлектронной аппаратуры и элементов электро­оборудования.

Конвективное охлаждение, например, используется в жидкостных ракетных двигателях. Здесь применяется система разомкнутого типа: использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру двигателя и там сгорает.



Для охлаждения лопаток газотурбинного двигателя возможно использование разомкнутой воздушной системы (рис. 13.9; 13.11; 13.12; 13.13) или замкнутой жидкостной системы.

Для охлаждения радиоаппаратуры можно применять разомкнутую воздушную систему или конвективное испарительное охлаждение.

Заказать ✍️ написание учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Сейчас читают про: