— прилади, що застосовуються для нагрівання повітря в системах вентиляції, системах кондиціювання повітря, повітряного опалення, а також у сушильних установках.
За видом теплоносія калорифери можуть бути вогневими, водяними, паровими та електричними. .
Найбільшого поширення нині мають водяні і парові калорифери, які поділяють на гладкотрубні і ребристі; останні, у свою чергу, поділяють на пластинчасті та спірально-навивні.
Розрізняють одноходові та багатоходові калорифери. У одноходових теплоносій рухається по трубках в одному напрямку, а в багатоходових кілька разів змінює напрямок руху внаслідок наявності в колекторних кришках перегородок (рис. XII.1).
Калорифери виконують двох моделей: середньої (С) та великої (Б).
Витрата тепла для нагрівання повітря визначається за формулами:
 |
де Q"- Витрата тепла для нагрівання повітря, кДж / год (ккал / год); Q- Те саме, Вт; 0,278 - коефіцієнт переведення кДж / год у Вт; G- масова кількість нагріваного повітря, кг/год, рівну Lp [тут L- об'ємна кількість повітря, що нагрівається, м 3 /год; р - щільність повітря (при температурі t K),кг/м 3]; з- питома теплоємність повітря, що дорівнює 1 кДж/(кг-К); t до - температура повітря після калориферу, ° С; t н- Температура повітря до калорифера, °С.
Для калориферів першого ступеня підігріву температура tн дорівнює температурі зовнішнього повітря.
Температура зовнішнього повітря приймається рівною розрахунковою вентиляційною (параметри клімату категорії А) при проектуванні загальнообмінної вентиляції, призначеної для боротьби з надлишками вологи, тепла та газами, ГДК яких більше 100 мг/м3. При проектуванні загальнообмінної вентиляції, призначеної для боротьби з газами, ГДК яких менше 100 мг/м3, а також при проектуванні припливної вентиляції для компенсації повітря, що видаляється через місцеві відсмоктування, технологічні витяжки або системи пневматичного транспорту, температура зовнішнього повітря приймається рівною зовнішньою температурі tн для проектування опалення (параметри клімату категорії Б).
У приміщення без теплонадлишків слід подавати припливне повітря з температурою, що дорівнює температурі внутрішнього повітря для даного приміщення. За наявності теплонадлишків припливне повітря подають зі зниженою температурою (на 5-8 ° С). Припливне повітря з температурою нижче 10 ° С не рекомендується подавати в приміщення навіть за наявності значних тепловиділень через можливість виникнення простудних захворювань. Виняток становлять випадки застосування спеціальних анемостатів.
Необхідна площа поверхні нагрівання калориферів Fк м2 визначається за формулою:
де Q- Витрата тепла для нагрівання повітря, Вт (ккал / год); До- Коефіцієнт теплопередачі калорифера, Вт/(м 2 -К) [ккал/(ч-м 2 -°С)]; t порівн.Т. — Середня температуратеплоносія, 0; t порівн. - Середня температура повітря, що нагрівається, проходить через калорифер, ° С, рівна (t н + t к)/2.
Якщо теплоносієм служить пара, то середня температура теплоносія tср. дорівнює температурі насичення за відповідного тиску пари.
Для води температура tср.т. визначається як середнє арифметичне температури гарячої та зворотної води:
Коефіцієнт запасу 1,1-1,2 враховує втрати тепла на охолодження повітря у повітроводах.
Коефіцієнт теплопередачі калориферів залежить від виду теплоносія, масової швидкості руху повітря vp через калорифер, геометричних розмірів і конструктивних особливостей калориферів, швидкості руху води по трубках калорифера.
Під масовою швидкістю розуміють масу повітря, кг, що проходить за 1 з 1 м2 живого перерізу калорифера. Масова швидкість vp, кг/(см2) визначається за формулою
За площею живого перерізу fЖ і поверхні нагрівання FК підбирають модель, марку та кількість калориферів. Після вибору калориферів уточнюють за дійсною площею живого перерізу калорифера fД даної моделі масову швидкість руху повітря:
де А, А 1 n n 1 і т- Коефіцієнти та показники ступенів, що залежать від конструкції калорифера
Швидкість руху води в трубках калориферу, м/с, визначається за формулою:
де Q" - витрата тепла для нагрівання повітря, кДж / год (ккал / год); площа живого перерізу для проходу теплоносія, м2, tг – температура гарячої водив магістралі, що подає, °С; t 0 - Температура зворотної води, 0С.
На тепловіддачу калориферів впливає схема обв'язування їх трубопроводами. При паралельній схемі приєднання трубопроводів через окремий калорифер проходить лише частина теплоносія, а при послідовній схемі через кожен калорифер проходить вся витрата теплоносія.
Опір калориферів проходу повітря р, Па виражається такою формулою:
де В і z - коефіцієнт та показник ступеня, які залежать від конструкції калорифера.
Опір послідовно розташованих калориферів дорівнює:
де т - Число послідовно розташованих калориферів. Розрахунок закінчується перевіркою теплопродуктивності (тепловіддачі) калориферів за формулою
де QK – тепловіддача калориферів, Вт (ккал/год); QK - те ж, кДж/год, 3,6 - коефіцієнт переведення Вт у кДж/год FK - площа поверхні нагріву калориферів, м2, прийнята в результаті розрахунку калориферів цього типу; - коефіцієнт теплопередачі калориферів, Вт/(м2-К) [ккал/(ч-м2-°С)]; tср.в - середня температура повітря, що нагрівається, що проходить через калорифер, °С; tпор. Т – середня температура теплоносія, °С.
При підборі калориферів запас на розрахункову площу поверхні нагрівання приймається в межах 15 - 20 %, на опір проходу повітря - 10 % і на опір руху води - 20 %.
2005-08-16У ряді випадків можна значно зменшити капітальні та експлуатаційні витрати, забезпечивши автономне опалення приміщень теплим повітрям на основі застосування теплогенераторів, що працюють на газі або рідкому паливі. У таких агрегатах нагрівається не вода, а повітря - свіже припливне, рециркуляційне або змішане. Такий спосіб є особливо ефективним для забезпечення автономного опалення виробничих приміщень, виставкових павільйонів, майстерень, гаражів, станцій технічного обслуговування, автомобільних мийок, кіностудій, складів, громадських будівель, спортзалів, супермаркетів, теплиць, оранжерів, тваринницьких комплексів, птахоферм тощо.
Переваги повітряного опалення
Переваг повітряного способу опалення перед традиційним водяним у великих за обсягом приміщеннях багато, перерахуємо лише основні:
- Економічність. Тепло проводиться безпосередньо в приміщенні, що нагрівається і практично повністю витрачається за призначенням. Завдяки прямому спалюванню палива без проміжного теплоносія досягається високий тепловий ККД усієї системи опалення: 90-94% - для рекуперативних нагрівачів і майже 100% - для систем прямого нагріву. Застосування програмованих термостатів забезпечує можливість додаткової економії від 5 до 25 % теплової енергії за рахунок функції «чергового режиму» - автоматичної підтримки температури в приміщенні робочий часна рівні +5-7°С.
- Можливість "включити" припливну вентиляцію. Ні для кого не секрет, що сьогодні на більшості підприємств припливна вентиляція не працює належним чином, що значно погіршує умови роботи людей та впливає на продуктивність праці. Теплогенератори або системи прямого нагріву прогрівають повітря на ∆t до 90 ° С - цього цілком достатньо для того, щоб "змусити" працювати припливну вентиляцію навіть в умовах Крайньої Півночі. Таким чином, повітряне опалення має на увазі не тільки економічну ефективність, але і поліпшення екологічної обстановкита умов праці.
- Мінімальна інерційність. Агрегати систем повітряного опалення в лічені хвилини виходять на робочий режим, а за рахунок високої оборотності повітря приміщення повністю прогрівається всього за кілька годин. Це дає можливість оперативно та гнучко маневрувати при зміні потреб у теплі.
- Відсутність проміжного теплоносія дозволяє відмовитися від будівництва та утримання малоефективної для великих приміщень системи водяного опалення, котельні, теплотрас та станції водопідготовки. Виключаються втрати у теплотрасах та їх ремонт, що дозволяє різко знизити експлуатаційні витрати. У зимовий час немає ризику розморожування калориферів та системи опалення у разі тривалого відключення системи. Охолодження навіть до глибокого мінусу не призводить до розморожування системи.
- Високий ступінь автоматизації дозволяє виробляти ту кількість тепла, в якому є необхідність. У поєднанні з високою надійністю газового обладнання, це значно підвищує безпеку системи опалення, а для її експлуатації достатньо мінімуму обслуговуючого персоналу.
- Невеликі витрати. Спосіб опалення великих приміщень за допомогою теплогенераторів один з найдешевших і швидко реалізованих. Капітальні витрати на будівництво або реконструкцію повітряної системи, як правило, значно нижчі від витрат на організацію водяного або променистого опалення. Термін окупності капітальних витрат зазвичай не перевищує одного-двох опалювальних сезонів.
Залежно від розв'язуваних завдань, у системах повітряного опалення можуть застосовуватись нагрівачі різного типу. У цій статті ми розглянемо тільки агрегати, що працюють без застосування проміжного теплоносія - рекуперативні повітронагрівачі (з теплообмінником та відведенням продуктів згоряння назовні) та системи прямого нагріву повітря (газові змішувальні повітронагрівачі).
Рекуперативні повітронагрівачі
У агрегатах цього паливо, змішане з необхідною кількістю повітря, подається пальником в камеру згоряння. Продукти горіння, що утворилися, проходять через дво- або триходовий теплообмінник. Тепло, отримане при згорянні палива, передається повітря, що нагрівається, через стінки теплообмінника, а димові гази через димохід відводяться назовні (рис. 1) — саме тому їх називають теплогенераторами «непрямого нагріву».
Рекуперативні повітронагрівачі можуть бути використані не лише безпосередньо для опалення, але й у складі системи припливної вентиляції, а також для технологічного нагрівання повітря. Номінальна теплова потужність таких систем становить від 3 кВт до 2 МВт. Подача повітря в приміщення здійснюється через вбудований або виносний нагнітаючий вентилятор, що дає можливість використання агрегатів як для прямого підігріву повітря з видачею його через жалюзійні решітки, так і з повітропроводами.
Обмиваючи камеру згоряння і теплообмінник, повітря нагрівається і прямує або безпосередньо в опалювальне приміщення через розташовані у верхній частині жалюзійні решітки повітря, або розподіляється по системі повітроводів. На лицьовій частині теплогенератора розташований автоматизований блоковий пальник (рис. 2).
Теплообмінники сучасних повітронагрівачів, як правило, виготовлені з нержавіючої сталі (топка з жароміцної сталі) і служать від 5 до 25 років, після яких можуть бути відремонтовані або замінені. ККД сучасних моделей досягає 90-96%. Головна перевага рекуперативних повітронагрівачів - їхня універсальність.
Вони можуть працювати на природному або зрідженому газі, дизельному паливі, нафті, мазуті або відпрацьованому маслі - варто лише поміняти пальник. Існує можливість роботи зі свіжим повітрям, з підмішуванням внутрішнього та в режимі повної рециркуляції. Така система дозволяє деякі вільності, наприклад, змінювати витрату повітря, що нагрівається, «на ходу» перерозподіляти потоки нагрітого повітря в різні гілки повітроводів за допомогою спеціальних клапанів.
Влітку рекуперативні повітронагрівачі можуть працювати в режимі вентиляції. Монтуються агрегати як у вертикальному, так і горизонтальному положенні, на підлозі, стіні, або вбудовуються в секційну венткамеру як секцію нагрівача.
Рекуперативні повітронагрівачі можуть бути використані навіть для опалення приміщень високої категорії комфортності, якщо сам агрегат буде винесений за межі зони безпосереднього обслуговування.
Основні недоліки:
- Великий та складний теплообмінник збільшує вартість та вагу системи, порівняно з повітронагрівачами змішувального типу;
- Потребують димової труби і відведення конденсату.
Системи прямого нагріву повітря
Сучасні технології дозволили досягти такої чистоти спалювання. природного газу, що з'явилася можливість не відводити продукти згоряння "в трубу", а використовувати їх для прямого нагрівання повітря в системах припливної вентиляції. Газ, що надходить на горіння, повністю згорає в потоці повітря, що нагрівається і, змішуючись з ним, віддає йому все тепло.
Цей принцип реалізований у ряді аналогічних конструкцій рампового пальника у США, Англії, Франції та Росії та з успіхом використовується з 60-х років XX століття на багатьох підприємствах Росії та за кордоном. Засновані на принципі надчистого спалювання природного газу безпосередньо в потоці повітря, що нагрівається газові змішувальні повітронагрівачі типу STV (STARVEINE — «зоряний вітер») виробляються з номінальною тепловою потужністю від 150 кВт до 21 МВт.
Сама технологія організації горіння, а також високий рівень розведення продуктів горіння, дозволяють отримати в установках чистий тепле повітрявідповідно до всіх діючих норм, що практично не містить шкідливих домішок (не більше 30% ГДК). Повітронагрівачі STV (рис. 3) складаються з модульного пальника, розташованого всередині корпусу (ділянки повітроводу), газової лінії DUNGS (Німеччина) та системи автоматики.
Корпус, як правило, оснащений гермодверем для зручності обслуговування. Пальниковий блок, залежно від необхідної теплової потужності, компонується з необхідної кількості секцій пальників різної конфігурації. Автоматика нагрівачів забезпечує плавний автоматичний пуск по циклограмі, контроль параметрів безпечної роботи та можливість плавного регулювання теплової потужності (1:4), що дозволяє автоматично підтримувати необхідну температуру повітря в приміщенні, що опалюється.
Застосування газових змішувальних повітронагрівачів
Головне їхнє призначення — пряме нагрівання свіжого припливного повітря, що подається у виробничі приміщення для компенсації витяжної вентиляції та покращення, таким чином, умов роботи людей.
Для приміщень з великою кратністю повітрообміну виникає доцільність суміщення системи припливної вентиляції та системи опалення - у цьому плані у систем прямого нагріву немає конкурентів за співвідношенням ціна/якість. Газові змішувальні повітронагрівачі призначені для:
- автономного повітряного опалення приміщень різного призначення з великим повітрообміном (К ?
- нагріву повітря в повітряно-теплових завісах відсічного типу, можливе суміщення із системами опалення та припливної вентиляції;
- систем передпускового підігріву двигунів автомобілів на неопалюваних стоянках;
- відігріву та відтайки вагонів, цистерн, автомобілів, сипких матеріалів, нагрівання та сушіння виробів перед фарбуванням або іншими видами обробки;
- прямого нагріву атмосферного повітря або сушильного агента в різних установках технологічного нагріву та сушіння, наприклад, сушіння зерна, трави, паперу, текстилю, деревини; застосування в камерах фарбування та сушіння після фарбування тощо.
Розміщення
Змішувальні нагрівачі можуть бути вбудовані в повітряні канали систем припливної вентиляції та теплових завіс, у повітропроводи сушильних установок - як на горизонтальних, так і на вертикальних ділянках. Можуть монтуватися на підлозі або на майданчику, під стелею або на стіні. Розміщуються, як правило, в припливно-вентиляційних камерах, але можлива їх установка і безпосередньо в опалювальному приміщенні (відповідно до категорії).
При додатковому обладнанні відповідними елементами можуть обслуговувати приміщення категорій А і Б. Рециркуляція внутрішнього повітря через змішувальні повітронагрівачі небажана - можливе суттєве зниження рівня кисню в приміщенні.
Сильні сторонисистем прямого нагріву
Простота і надійність, низька собівартість і економічність, можливість нагрівання до високих температур, високий рівень автоматизації, плавне регулювання, не потребують влаштування димоходу. Пряме нагрівання — найекономічніший спосіб — ККД системи дорівнює 99,96 %. Рівень питомих капітальних витрат за систему опалення з урахуванням установки прямого нагріву, поєднаної з припливної вентиляцією, найнижчий за високого рівня автоматизації.
Повітронагрівачі всіх типів оснащені системою автоматики безпеки та управління, що забезпечує плавний пуск, підтримка режиму нагрівання та відключення у разі виникнення аварійних ситуацій. З метою енергозбереження можливе оснащення повітронагрівачів автоматикою регулювання з урахуванням зовнішньої та контролем внутрішньої температури, функціями добового та тижневого режимів програмування нагріву.
Можливе також включення параметрів системи опалення, що складається з багатьох опалювальних агрегатів, до системи централізованого керування та диспетчеризації. У цьому випадку оператор-диспетчер матиме оперативну інформацію про роботу та стан опалювальних агрегатів, наочно відображену на моніторі комп'ютера, а також управляти режимом їх роботи безпосередньо з віддаленого диспетчерського пункту.
Мобільні теплогенератори та теплові гармати
Призначені для тимчасового використання - на будівництвах, для опалення в міжсезонні періоди, технологічного нагрівання. Мобільні теплогенератори та теплові гармати працюють на пропані (зрідженому балонному газі), дизельному паливі або гасі. Можуть бути як прямого нагріву, і з відведенням продуктів згоряння.
Типи систем автономного повітряного опалення
Для автономного теплопостачання різних приміщень застосовуються різні типи систем повітряного опалення - з централізованим розподілом тепла та децентралізовані; системи, що працюють повністю на приплив свіжого повітря, або з повною/частковою рециркуляцією внутрішнього повітря.
У децентралізованих системах повітряного опалення нагрівання та циркуляція повітря в приміщенні здійснюються автономними теплогенераторами, розташованими в різних ділянках або робочих зонах — на підлозі, стіні та під дахом. Повітря з нагрівачів подається безпосередньо до робочої зони приміщення. Іноді задля кращого розподілу теплових потоків теплогенератори оснащують невеликими (локальними) системами повітроводів.
Для агрегатів у такому виконанні характерна мінімальна потужність електродвигуна вентилятора, тому децентралізовані системи економічніші у плані витрати електроенергії. Можливе також використання повітряно-теплових завіс як частини системи повітряного опалення або вентиляції припливу.
Можливість локального регулювання та використання теплогенераторів у міру необхідності – по зонах, у різний час – дає можливість значного зниження витрат на паливо. Однак капітальні витрати на реалізацію цього способу дещо вищі. У системах із централізованим розподілом тепла використовуються повітряно-опалювальні агрегати; тепле повітря, що виробляється ними, надходить у робочі зони за системою повітроводів.
Установки, як правило, вбудовуються в існуючі венткамери, але допускається можливість розміщення їх безпосередньо в приміщенні, що обігрівається, — на підлозі або на майданчику.
Застосування та розміщення, підбір обладнання
У кожного з типів перерахованих вище опалювальних агрегатів є свої незаперечні переваги. І немає готового рецепту, у якому випадку якийсь із них доцільніший — це залежить від багатьох факторів: величини повітрообміну у співвідношенні з величиною тепловтрат, категорії приміщення, наявності вільного місця для розміщення обладнання, від фінансових можливостей. Спробуємо сформувати найбільш загальні принципидоцільного підбору устаткування.
1. Системи опалення для приміщень з невеликим повітрообміном.
Сумарна теплова потужність теплогенераторів у цьому випадку приймається практично рівною кількості тепла, необхідного для компенсації тепловтрат приміщення, вентиляція порівняно мала, тому доцільно застосування системи опалення на основі теплогенераторів непрямого нагріву з повною або частковою рециркуляцією внутрішнього повітря приміщення.
Вентиляція в таких приміщеннях може бути природною або з підмішуванням вуличного повітря до рециркулюючого. У другому випадку потужність нагрівачів збільшують на величину, достатню для нагрівання свіжого повітря. Така система опалення може бути місцевою, з підлоговими або настінними теплогенераторами.
При неможливості розміщення установки в опалюваному приміщенні або при організації обслуговування кількох приміщень можна застосувати систему централізованого типу: теплогенератори розташувати у венткамері (пристрій, на антресолях, в сусідньому приміщенні), а тепло розподіляти по повітроводах.
У робочий час теплогенератори можуть працювати в режимі часткової рециркуляції, попутно нагріваючи припливне повітря, що підмішується, в неробоче можна деякі з них відключати, а ті, що залишилися переводити на економічний черговий режим +2-5°С з повною рециркуляцією.
2. Системи опалення для приміщень з великою кратністю повітрообміну, що постійно потребують подачі великих обсягів припливного свіжого повітря (Квоздухообміну
У цьому випадку кількість тепла, необхідне для нагрівання припливного повітря, може вже у кілька разів перевищувати кількість тепла, необхідне компенсації тепловтрат. Тут найбільш доцільним і економічним є суміщення системи повітряного опалення з системою припливної вентиляції. Система опалення може будуватися на основі установок прямого нагрівання повітря або на основі застосування рекуперативних теплогенераторів у виконанні з підвищеним ступенем нагрівання.
Сумарна теплова потужність нагрівачів повинна дорівнювати сумі теплової потреби на нагрівання припливного повітря та тепла, необхідного для компенсації тепловтрат. У системах прямого нагрівання відбувається нагрівання 100% вуличного повітря, забезпечуючи подачу необхідного обсягу припливного повітря.
У робочий час вони нагрівають повітря від вуличної до розрахункової температури +16-40 ° С (з урахуванням перегріву для забезпечення компенсації тепловтрат). З метою економії в неробочий час можна вимикати частину нагрівачів для зниження витрати припливного повітря, а ті, що залишилися, перевести на черговий режим підтримки +2-5°С.
Рекуперативні теплогенератори в черговому режимі дозволяють забезпечити додаткову економію за рахунок їх переведення в режим повної рециркуляції. Найменші капітальні витрати при організації систем опалення централізованого типу - при застосуванні якомога більших нагрівачів. Капітальні витрати на газові змішувальні повітронагрівачі STV можуть становити від 300 до 600 руб/кВт встановленої теплової потужності.
3. Комбіновані системи повітряного опалення
Оптимальний варіант для приміщень зі значним повітрообміном в робочий час при однозмінному режимі роботи, або уривчастому робочому циклі - коли різниця в необхідності подачі повітря і тепла протягом дня значна.
В цьому випадку доцільно роздільне функціонування двох систем: чергового опалення та припливної вентиляції, поєднаної із системою опалення (догріву). При цьому в приміщенні, що опалюється, або у венткамерах встановлюються рекуперативні теплогенератори для підтримки тільки чергового режиму з повною рециркуляцією (при розрахунковій зовнішній температурі).
Система припливної вентиляції, суміщена з системою опалення, забезпечує нагрівання необхідного об'єму свіжого припливного повітря до +16-30 ° С і догрівання приміщення до необхідної робочої температури та з метою економії включається тільки в робочий час.
Будується вона або на основі рекуперативних теплогенераторів (з підвищеним ступенем нагріву), або на основі потужних систем прямого нагріву (що дешевше в 2-4 рази). Можлива комбінація припливної системи догріву з існуючою системою водяного опалення (може залишатися черговою), варіант застосовується також для стадійної модернізації існуючої системи опалення та вентиляції.
За такого способу експлуатаційні витрати будуть найменшими. Таким чином, застосовуючи повітронагрівачі різних типів у різних комбінаціях, можна вирішити одночасно обидві завдання - і опалення, і вентиляцію припливу.
Прикладів застосування систем повітряного опалення дуже багато та можливості комбінації їх надзвичайно різноманітні. У кожному разі необхідно провести теплові розрахунки, врахувати всі умови застосування та виконати кілька варіантів підбору обладнання, порівнюючи їх за доцільністю, величиною капітальних витрат та експлуатаційних витрат.
Дослідження, проведені на рубежі 1940-1950-х років, дозволили розробити низку аеродинамічних та технологічних рішень, що забезпечують безпечне подолання звукового бар'єру навіть серійними літаками. Тоді здавалося, що підкорення звукового бар'єру створює необмежену можливість подальшого збільшення швидкості польоту. Буквально за кілька років було облітано близько 30 типів надзвукових літаків, з яких значну кількість було запущено в серійне виробництво.
Різноманітність використаних рішень призвело до того, що багато проблем, пов'язаних із польотами на великих надзвукових швидкостях, були всебічно вивчені та вирішені. Проте зустрілися нові проблеми, значно складніші за звуковий бар'єр. Вони викликані нагріванням конструкції літального апарату при польоті з великою швидкістю щільних шарах атмосфери. Цю нову перешкоду свого часу назвали тепловим бар'єром. На відміну від звукового новий бар'єр не можна охарактеризувати постійної, подібної швидкості звуку, оскільки він залежить як від параметрів польоту (швидкості та висоти) та конструкції планера (конструктивних рішень та використаних матеріалів), так і від обладнання літака (системи кондиціювання, охолодження тощо). п.). Таким чином, у поняття «тепловий бар'єр» входить не тільки проблема небезпечного нагрівання конструкції, але також такі питання, як теплообмін, властивості матеріалів, принципи конструювання, кондиціювання повітря і т.п.
Нагрів літака в польоті відбувається головним чином з двох причин: від аеродинамічного гальмування повітряного потоку та від тепловиділення рухової установки. Обидва ці явища складають процес взаємодії між середовищем (повітрям, вихлопними газами) та обтічним твердим тілом(Літаком, двигуном). Друге явище є типовим для всіх літаків, і пов'язане воно з підвищенням температури елементів конструкції двигуна, що сприймають тепло від повітря, стисненого в компресорі, а також від продуктів згоряння в камері та вихлопній трубі. При польоті з великими швидкостями внутрішній нагрів літака відбувається також від повітря, що гальмується в повітряному каналі перед компресором. При польоті на малих швидкостях повітря, що проходить через двигун, має відносно низьку температуру, внаслідок чого небезпечне нагрівання елементів конструкції планера не відбувається. При великих швидкостях польоту обмеження нагрівання конструкції планера від гарячих елементів двигуна забезпечується за допомогою додаткового охолодження низької температури повітрям. Зазвичай використовується повітря, що відводиться від повітрозабірника за допомогою напрямної, що відокремлює прикордонний шар, а також повітря, яке захоплюється з атмосфери за допомогою додаткових забірників, розміщених на поверхні гондоли двигуна. У двоконтурних двигунах для охолодження використовується також повітря зовнішнього (холодного) контуру.
Таким чином, рівень теплового бар'єру для надзвукових літаків визначається зовнішнім аеродинамічним нагріванням. Інтенсивність нагрівання поверхні, що обтікається потоком повітря, залежить від швидкості польоту. При мінімальних швидкостях цей нагрівання настільки незначний, що підвищення температури може не братися до уваги. При великій швидкості повітряний потік має високу кінетичну енергію, у зв'язку з чим підвищення температури може бути значним. Стосується це і температури всередині літака, оскільки високошвидкісний потік, загальмований в повітрозабірнику і стиснутий в компресорі двигуна, набуває настільки високу температуру, що виявляється не в змозі відводити тепло від гарячих частин двигуна.
Зростання температури обшивки літака внаслідок аеродинамічного нагріву викликається в'язкістю повітря, що обтікає літак, а також його стисненням на лобових поверхнях. Внаслідок втрати швидкості частинками повітря в прикордонному шарі в результаті в'язкістного тертя відбувається підвищення температури всієї обтічної поверхні літака. В результаті стиснення повітря температура зростає, щоправда, лише локально (цьому схильні головним чином носова частина фюзеляжу, лобове скло кабіни екіпажу, а особливо передні кромки крила і оперення), але частіше досягає значень, небезпечних для конструкції. У цьому випадку в деяких місцях відбувається майже пряме зіткнення потоку повітря з поверхнею та повне динамічне гальмування. Відповідно до принципу збереження енергії вся кінетична енергія потоку при цьому перетворюється на теплову та енергію тиску. Відповідне підвищення температури прямо пропорційно квадрату швидкості потоку до гальмування (або, без урахування вітру – квадрату швидкості літака) і обернено пропорційно висоті польоту.
Теоретично, якщо обтікання має характер, погода безвітряна і безхмарна і не відбувається перенесення тепла за допомогою випромінювання, то тепло не проникає всередину конструкції, а температура обшивки близька до так званої температури адіабатичного гальмування. Залежність її від числа Маха (швидкості та висоти польоту) наведена в табл. 4.
У дійсних умовах підвищення температури обшивки літака від аеродинамічного нагріву, тобто різниця між температурою гальмування і температурою оточення, виходить дещо меншою через теплообмін з середовищем (за допомогою випромінювання), сусідніми елементами конструкції тощо. Крім того, повне гальмування потоку відбувається Тільки так званих критичних точках, розташованих на виступаючих частинах літака, а приплив тепла до обшивки залежить також від характеру прикордонного шару повітря (він інтенсивніший для турбулентного прикордонного шару). Значне зниження температури відбувається також при польотах крізь хмари, особливо коли вони містять переохолоджені краплі води та кристалики льоду. Для таких умов польоту приймається, що зниження температури обшивки в критичній точці, порівняно з теоретичною температурою гальмування, може досягти навіть 20-40%.
Таблиця 4. Залежність температури обшивки від числа Маха
Проте загальний нагрівання літака в польоті з надзвуковими швидкостями (особливо на малій висоті) іноді такий високий, що підвищення температури окремих елементів планера та обладнання призводить або до їх руйнування, або, як мінімум, до необхідності зміни режиму польоту. Наприклад, при дослідженнях літака ХВ-70А в польотах на висотах більше 21 ТОВ м зі швидкістю М = 3 температура вхідних кромок повітрозабірника і передніх кромок крила становила 580-605 К, а решту обшивки 470-500 К. Наслідки підвищення температури елементів конструкції літака до таких високих значень можна оцінити повною мірою, якщо врахувати той факт, що вже при температурах близько 370 К розм'якшується органічне скло, що повсюдно використовується для скління кабін, кипить паливо, а звичайний клей втрачає міцність. При 400 К значно знижується міцність дюралюмінію, при 500 К відбувається хімічне розкладання робочої рідини в гідросистемі і руйнування ущільнень, при 800 К втрачають необхідні механічні властивості титанові сплави, при температурі вище 900 К плавляться алюміній і магній, а Підвищення температури призводить також до руйнування покриттів, з яких анодування та хромування можуть використовуватися до 570 К, нікелювання до 650 К, а сріблення до 720 К.
Після появи цієї нової перешкоди збільшення швидкості польоту почалися дослідження з метою виключити чи пом'якшити його наслідки. Способи захисту літака від ефектів аеродинамічного нагріву визначаються факторами, що перешкоджають зростанню температури. Крім висоти польоту та атмосферних умов, істотний вплив на ступінь нагрівання літака надають:
- Коефіцієнт теплопровідності матеріалу обшивки;
- Величина поверхні (особливо лобової) літака; -час польоту.
Звідси випливає, що найпростішими способами зменшення нагрівання конструкції є збільшення висоти польоту та обмеження до мінімуму його тривалості. Ці способи використовувалися в перших надзвукових літаках (особливо експериментальних). Завдяки досить високій теплопровідності та теплоємності матеріалів, що використовуються для виготовлення теплонапружених елементів конструкції літака, від моменту досягнення літаком високої швидкості до моменту розігріву окремих елементів конструкції до розрахункової температури критичної точки проходить зазвичай достатньо великий час. У польотах, що продовжуються кілька хвилин (навіть на невеликих висотах), руйнівні температури не досягаються. Політ на високих висотах відбувається в умовах низької температури (близько 250 К) і малої щільності повітря. Внаслідок цього кількість тепла, що віддається потоком поверхонь літака, невелика, а теплообмін протікає довше, що значно пом'якшує гостроту проблеми. Аналогічний результат дає обмеження швидкості літака на невеликих висотах. Наприклад, під час польоту над землею зі швидкістю 1600 км/год міцність дюралюмінію знижується на 2%, а збільшення швидкості до 2400 км/год призводить до зниження його міцності на величину до 75% порівняно з первісним значенням.
Рис. 1.14. Розподіл температури в повітряному каналі та двигуні літака «Конкорд» при польоті з М = 2,2 (а) і температури обшивки літака ХВ-70А при польоті з постійною швидкістю 3200 км/год (б).
Однак необхідність забезпечення безпечних умов експлуатації у всьому діапазоні швидкостей і висот польоту, що використовуються, змушує конструкторів шукати відповідні технічні засоби. Оскільки нагрівання елементів конструкції літака викликає зниження механічних властивостей матеріалів, виникнення термічного напруження конструкції, а також погіршення умов роботи екіпажу та обладнання, такі технічні засоби, що використовуються в існуючій практиці, можна розділити на три групи. Вони відповідно включають застосування 1) теплостійких матеріалів, 2) конструктивних рішень, що забезпечують необхідну теплоізоляцію та допустиму деформацію деталей, а також 3) систем охолодження кабіни екіпажу та відсіків обладнання.
У літаках з максимальною швидкістю М = 2,0-1-2,2 широко застосовуються сплави алюмінію (дюралі), які характеризуються відносно високою міцністю, малою щільністю та збереженням властивостей міцності при невеликому підвищенні температури. Дюралі зазвичай доповнюються сталевими чи титановими металами, у тому числі виконуються частини планера, що піддаються найбільшим механічним чи тепловим навантаженням. Сплави титану знайшли застосування вже у першій половині 50-х років спочатку в дуже невеликих масштабах (зараз деталі можуть становити до 30% маси планера). В експериментальних літаках з М ~ 3 стає необхідним застосування жароміцних сталевих сплавів як основного конструкційного матеріалу. Такі сталі зберігають хороші механічні властивості при високих температурах, притаманних польотів з гіперзвуковими швидкостями, та їх недоліками є висока вартість і велика щільність. Ці недоліки у певному сенсі обмежують розвиток високошвидкісних літаків, тому ведуться дослідження та інших матеріалів.
У 70-х роках здійснено перші досліди застосування у конструкції літаків берилію, а також композиційних матеріалів на базі волокон бору чи вуглецю. Ці матеріали поки що мають високу вартість, але для них характерні мала щільність, високі міцність і жорсткість, а також значна термостійкість. Приклади конкретних застосувань цих матеріалів для будівництва планера наведені в описах окремих літаків.
Іншим фактором, що істотно впливає на працездатність конструкції літака, що нагрівається, є ефект так званих термічних напруг. Виникають вони в результаті температурних перепадів між зовнішніми та внутрішніми поверхнями елементів, а особливо між обшивкою та внутрішніми елементами конструкції літака. Поверхневе нагрівання планера призводить до деформації його елементів. Наприклад, може статися таке викривлення обшивки крила, яке призведе до зміни аеродинамічних характеристик. Тому в багатьох літаках використовується паяна (іноді клеєна) багатошарова обшивка, яка відрізняється високою жорсткістю та хорошими ізоляційними властивостями, або застосовуються елементи внутрішньої конструкції з відповідними компенсаторами (наприклад, у літаку F-105 стінки лонжерону виготовляються з гофрованого листа). Відомі також досліди охолодження крила за допомогою палива (наприклад, літака Х-15), що протікає під обшивкою на шляху від бака до форсунок камери згоряння. Однак за високих температур паливо зазвичай піддається коксуванню, тому такі досліди можна вважати невдалими.
Наразі досліджуються різні методи, серед яких нанесення ізоляційного шару з тугоплавких матеріалів шляхом плазмового напилення. Інші методи, що вважалися перспективними, не знайшли застосування. Серед іншого пропонувалося використовувати «захисний шар», що створюється шляхом вдування газу на обшивку, охолодження «випотівання» за допомогою подачі на поверхню крізь пористу обшивку рідини з високою температурою випаровування, а також охолодження, що створюється плавленням та винесенням частини обшивки (абляційні матеріали).
Досить специфічним і водночас дуже важливим завданням є підтримання відповідної температури у кабіні екіпажу та у відсіках обладнання (особливо електронного), а також температури паливних та гідравлічних систем. В даний час ця проблема вирішується шляхом використання високопродуктивних систем кондиціювання, охолодження та рефрижерації, ефективної теплоізоляції, застосування робочих рідин гідросистем з високою температурою випаровування тощо.
Проблеми, пов'язані з тепловим бар'єром, мають вирішуватися комплексно. Будь-який прогрес у цій галузі відсуває бар'єр для даного типу літаків у бік більшої швидкості польоту, крім його як такого. Однак прагнення до ще більших швидкостей призводить до створення ще складніших конструкцій та обладнання, що вимагають застосування якісніших матеріалів. Це помітним чином відбивається на масі, закупівельної вартості та на витратах з експлуатації та обслуговування літака.
З наведених у табл. 2 даних літаків-винищувачів видно, що здебільшого раціональною вважалася максимальна швидкість 2200-2600 км/год. Лише у деяких випадках вважають, що швидкість літака повинна перевищувати М ~ 3. До літаків, здатних розвивати такі швидкості, відносяться експериментальні машини Х-2, ХВ-70А та Т. 188, розвідувальний SR-71, а також літак Е-266.
1* Рефрижерацією називається примусове перенесення тепла від холодного джерела до середовища з високою температурою при штучному протидії природному напрямку руху тепла (від теплого тіла до холодного, коли має місце процес охолодження). Найпростішим рефрижератором є побутовий холодильник.
Аеродинамічний нагрів нагрівання тіл, що рухаються з великою швидкістю у повітрі або іншому газі. А. н. - результат того, що молекули повітря, що налітають на тіло, гальмуються поблизу тіла. Якщо політ відбувається з надзвуковою швидкістю культур, гальмування відбувається насамперед у ударній хвилі. ,
що виникає перед тілом. Подальше гальмування молекул повітря відбувається безпосередньо біля самої поверхні тіла,
прикордонному шарі (Див. прикордонний шар). При гальмуванні молекул повітря їх теплова енергія зростає, тобто температура газу поблизу поверхні тіла, що рухається, підвищується максимальна температура, до якої може нагрітися газ в околиці рухомого тіла, близька до т.з. температурі гальмування: T 0 = Тн+ v 2 /2c p ,
де Т н -температура повітря, що набігає, v -швидкість польоту тіла c p- питома теплоємність газу за постійного тиску. Так, наприклад, при польоті надзвукового літака з потрійною швидкістю звуку (близько 1 км/сек) температура гальмування становить близько 400°C, а при вході космічного апарату в атмосферу Землі з 1-ою космічною швидкістю (8,1 км/сек) температура гальмування досягає 8000 °С. Якщо в першому випадку при досить довгому польоті температура обшивки літака досягне значень, близьких до температури гальмування, то в другому випадку поверхня космічного апарату неминуче почне руйнуватися через нездатність матеріалів витримувати такі високі температури. З областей газу з підвищеною температурою тепло передається тілу, що рухається, відбувається А. н. Існують дві форми А. н. - конвективна та радіаційна. Конвективне нагрівання - наслідок передачі тепла із зовнішньої, «гарячої» частини прикордонного шару до поверхні тіла. Кількісно конвективний тепловий потік визначають із співвідношення q k = а(Т е -Т w), де T e -рівноважна температура (гранична температура, до якої могла б нагрітися поверхня тіла, якби не було відведення енергії), T w - реальна температура поверхні, a- коефіцієнт конвективного теплообміну, що залежить від швидкості та висоти польоту, форми та розмірів тіла, а також від інших факторів. Рівноважна температура близька до температури гальмування. Вид залежності коефіцієнта авід перерахованих параметрів визначається режимом течії у прикордонному шарі (ламінарний або турбулентний). У разі турбулентної течії конвективне нагрівання стає інтенсивнішим. Це з тим обставиною, що, крім молекулярної теплопровідності, істотну роль перенесенні енергії починають грати турбулентні пульсації швидкості у прикордонному шарі. З підвищенням швидкості польоту температура повітря за ударною хвилею та в прикордонному шарі зростає, внаслідок чого відбувається дисоціація та іонізація.
молекул. Атоми, іони і електрони, що утворюються при цьому, дифундують у більш холодну область - до поверхні тіла. Там відбувається зворотна реакція (Рекомбінація) ,
що йде із виділенням тепла. Це дає додатковий внесок у конвективний А.М. При досягненні швидкості польоту близько 5000 м/сектемпература за ударною хвилею досягає значень, у яких газ починає випромінювати. Внаслідок променистого перенесення енергії з областей із підвищеною температурою до поверхні тіла відбувається радіаційне нагрівання. При цьому найбільшу роль грає випромінювання у видимій та ультрафіолетовій областях спектру. При польоті в атмосфері Землі зі швидкостями нижче за першу космічну (8,1 км/сек) радіаційний нагрівання малий у порівнянні з конвективним. При другій космічній швидкості (11,2 км/сек)
їх значення стають близькими, а за швидкостей польоту 13-15 км/секі вище, що відповідають поверненню на Землю після польотів до інших планет, основний внесок робить вже радіаційний нагрівання.
Особливо важливу роль А.М. грає при поверненні в атмосферу Землі космічних апаратів (наприклад, Схід, Схід, Союз). Для боротьби з А. н. космічні апарати оснащуються спеціальними системами теплозахисту. Літ.:Основи теплопередачі в авіаційній та ракетній техніці, М., 1960; Дорренс У. Х., Гіперзвукові течії в'язкого газу, пров. з англ., М., 1966; Зельдович Я. Би., Райзер Ю. П., Фізика ударних хвиль та високотемпературних гідродинамічних явищ, 2 видавництва, М., 1966. Н. А. Анфімов.
Велика радянська енциклопедія. - М: Радянська енциклопедія. 1969-1978 .
Дивитися що таке "Аеродинамічний нагрів" в інших словниках:
Нагрівання тіл, що рухаються з великою швидкістю в повітрі або ін. газі. А. н. результат того, що молекули повітря, що налітають на тіло, гальмуються поблизу тіла. Якщо політ відбувається з надзвуком. швидкістю, гальмування відбувається насамперед у ударній. Фізична енциклопедія
Нагрівання тіла, що рухається з великою швидкістю в повітрі (газі). Помітний аеродинамічний нагрівання спостерігається при русі тіла з надзвуковою швидкістю (наприклад, при русі головних частин міжконтинентальних балістичних ракет) EdwART.… … Морський словник
аеродинамічний нагрів- Нагрівання обтічної газом поверхні тіла, що рухається в газоподібному середовищі з великою швидкістю за наявності конвективного, а при гіперзвукових швидкостях та радіаційного теплообміну з газовим середовищем у прикордонному або ударному шарі. [ГОСТ 26883… … Довідник технічного перекладача
Підвищення температури тіла, що рухається з великою швидкістю у повітрі або ін. газі. Аеродинамічний нагрів результат гальмування молекул газу поблизу поверхні тіла. Так, при вході космічного апарату в атмосферу Землі зі швидкістю 7,9 км/с. Енциклопедичний словник
аеродинамічний нагрів- aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ore) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: англ. aerodynamical heating vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. аеродинамічний нагрів, m pranc. Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- підвищення температури тіла, що рухається з великою швидкістю в повітрі або ін. газі. А. в. результат гальмування молекул газу поблизу поверхні тіла Так, на вході косміч. апарату в атмосферу Землі зі швидкістю 7,9 км/с темп повітря на поверхні … Природознавство. Енциклопедичний словник
Аеродинамічний нагрів конструкції ракети- Нагрівання поверхні ракети під час її руху в щільних шарах атмосфери з великою швидкістю. О.М. – результат того, що молекули повітря, що налітають на ракету, гальмуються поблизу її корпусу. При цьому відбувається перехід кінетичної енергії. Енциклопедія РВСП
Concorde Concorde в аеропор … Вікіпедія
