СИСТЕМА ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

При использовании системы пористого охлаждения омываемая горячим газом стенка выполняется из пористого материала; через нее в направлении горячего газа продавливается охладитель — газ или жидкость. При использовании газа в качестве охладителя охлаждение называют эффузионным *, а при использовании жидкости — конденсатным.

* Эффузия — процесс течения газа через пористую стенку.

Проходя через поры, газ-охладитель получает теплоту от стенки, а выйдя на поверхность, ухудшает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Таким образом, с одной стороны, затрудняются условия перехода теплоты от горячего газа к поверхности стенки, с другой — получаемая стенкой теплота выносится охладителем обратно в поток. Оба эти фактора ведут к снижению температуры стенки.

Температурное поле в пористой стенке показано на рис17.2, а. Перед поступлением в стенку охладитель получает oт нее некоторое количество теплоты путем теплоотдачи. Проходя через стенку, охладитель соприкасается с ней по большой поверхности и его температура приближается к температуре стенки. Чем больше толщина и коэффициент теплоотдачи внутри пористой стенки, тем меньше разница температур между стенкой и охладителем в выходном сечении.

В общем случае нельзя отождествлять температуру охладителя на выходе и температуру пристеночного слоя газа. Охладитель, выходящий из пор под углом к основному потоку газа, взаимодействует с пограничным слоем этого потока, получая от него теплоту и частично перемешиваясь с ним. Поэтому пристеночный слой газа имеет температуру более высокую, чем температура охладителя в выходном сечении.

Температурный градиент в пограничном слое определяется конвективным тепловым потоком от горячего газа к стенке. Кроме того, теплота подводится к стенке или отводится от нее путем излучения.

При использовании жидкости в качестве охладителя возможны различные режимы охлаждения. Когда расход жидкости небольшой, она будет кипеть в порах, при этом только часть охлаждаемой поверхности покрыта пленкой жидкости, и охлаждение неустойчиво. При чрезмерно больших расходах охладителя часть жидкости уносится газовым потоком без испарения на поверхности.

Большие, чем для газа, коэффициенты теплоотдачи между жидкостью и внутренней поверхностью пористой стенки (особенно, когда жидкость доведена до температуры кипения) способствуют сближению температуры стенки и температуры охладителя на выходе из нее.

При конденсатном охлаждении часть подведенной к стенке теплоты поглощается в процессе испарения.

Пористое охлаждение уменьшает сопротивление трения высокотемпературного газового потока о стенку примерно в такой же мере, как уменьшается коэффициент теплоотдачи.

Наиболее часто в системах пористого охлаждения используются газы, причем чем больше теплоемкость газа и меньше его молярная масса, тем выше его защитные свойства. Важную роль могут играть также антикоррозионные качества охладителя. Так, аммиак, выполняя роль охладителя, одновременно связывает кислород, содержащийся в горячем газе, и предотвращает окисление поверхности теплообмена.

При кратковременной работе системы пористого охлаждения в среде высокотемпературного газа охладитель, который при низких температурах находится в твердом состоянии, размещают непосредственно в порах стенки. После достижения высокой температуры охладитель плавится, а затем разлагается или испаряется; при этом охладитель отбирает теплоту от пористой стенки, а пары или продукты разложения уменьшают тепловой поток от горячего газа к стенке. Такая система, например, может быть выполнена из пористого вольфрама с использованием в качестве охладителя цинка или других материалов.

Пористое охлаждение можно использовать для защиты отдельных элементов летательных аппаратов или жидкостных ракетных двигателей.